Produção de biodiesel por catálise heterogénea

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Produção de biodiesel via catálise heterogénea básica

Mestrado em Engenharia Química. Ramo Tecnologias de Protecção Ambiental.

Utilização de co-solventes na produção de biodiesel a partir de óleo residual e etanol por catálise enzimática

A constante e sistemática subida de preço dos combustíveis fósseis e as contínuas preocupações com o meio ambiente determinaram a procura de soluções ambientalmente sustentáveis. O biodiesel surge, então, como uma alternativa para essa problemática, bem como uma solução para resíduos líquidos e gordurosos produzidos pelo ser humano. A produção de biodiesel tem sido alvo de extensa atenção nos últimos anos, pois trata-se de um combustível biodegradável e não poluente. A produção de biodiesel pelo processo de transesterificação usando álcoois de cadeia curta e catalisadores químicos, nomeadamente alcalinos, tem sido aceite industrialmente devido à sua elevada conversão. Recentemente, a transesterificação enzimática tem ganho adeptos. No entanto, o custo da enzima permanece uma barreira para a sua aplicação em grande escala. O presente trabalho visa a produção de biodiesel por transesterificação enzimática a partir de óleo residual de origem vegetal. O álcool usado foi o etanol, em substituição do metanol usado convencionalmente na catálise homogénea, pois a atividade da enzima é inibida pela presença deste último. As maiores dificuldades apresentadas na etanólise residem na separação das fases (Glicerol e Biodiesel) após a reação bem como na menor velocidade de reação. Para ajudar a colmatar esta desvantagem foi estudada a influência de dois cosolventes: o hexano e o hexanol, na proporção de 20% (v/v). Após a escolha do co-solvente que permite obter melhor rendimento (o hexano), foi elaborado um planeamento fatorial no qual se estudou a influência de três variáveis na produção de biodiesel por catálise enzimática com etanol e co-solventes: a razão molar óleo/álcool (1:8, 1:6 e 1:4), a quantidade de co-solvente adicionado (30, 20 e 10%, v/v) e o tempo de reação (48, 36 e 24h). A avaliação do processo foi inicialmente seguida pelo rendimento da reação, a fim de identificar as melhores condições, sendo substituída posteriormente pela quantificação do teor de ésteres por cromatografia em fase gasosa. O biodiesel com teor de ésteres mais elevado foi produzido nas condições correspondentes a uma razão molar óleo:álcool de 1:4, com 5g de Lipozyme TL IM como catalisador, 10% co-solvente (hexano, v/v), à temperatura de 35 ºC durante 24h. O rendimento do biodiesel produzido sob estas condições foi de 73,3%, traduzido em 64,7% de teor de ésteres etílicos. Contudo o rendimento mais elevado que se obteve foi de 99,7%, para uma razão óleo/álcool de 1:8, 30% de co-solvente (hexano, v/v), reação durante 48h a 35 ºC, obtendo-se apenas 46,1% de ésteres. Por fim, a qualidade do biodiesel foi ainda avaliada, de acordo com as especificações da norma EN 14214, através das determinações de densidade, viscosidade, ponto de inflamação, teor de água, corrosão ao cobre, índice de acidez, índice de iodo, teor de sódio (Na+) e potássio (K+), CFPP e poder calorífico. Na Europa, os ésteres etílicos não têm, neste momento, norma que os regule quanto à classificação da qualidade de biodiesel. Contudo, o biodiesel produzido foi analisado de acordo com a norma europeia EN14214, norma esta que regula a qualidade dos ésteres metílicos, sendo possível concluir que nenhum dos parâmetros avaliados se encontra em conformidade com a mesma.

Aproveitamento e valorização de resíduos provenientes da produção de Biodiesel

Com o desenvolvimento económico das últimas décadas, a gestão de recursos energéticos é um desafio que a sociedade moderna enfrenta. Assim, actualmente há a necessidade da procura de novas fontes de energia, fontes de energia renováveis. Sendo o biodiesel uma fonte de energia renovável, a sua crescente produção irá trazer um aumento da produção de resíduos, como o glicerol e ácidos gordos. É pois importante reduzir/valorizar estes resíduos de forma a impedir a sua acumulação ao longo do tempo. A valorização destes resíduos é o objectivo principal deste trabalho. A primeira parte consistiu na esterificação de ácidos gordos livres com glicerol, na presença de um catalisador ácido, para a produção de monoglicerídeos. Foram utilizados diferentes tipos de matérias-primas: glicerol (76,3%) e resíduo de ácidos gordos (20,8%), fornecidos pela empresa SOCIPOLE SA, glicerol puro (92,2%) e ácido oleico puro (93,1%). Os catalisadores usados foram o cloreto de zinco comercial e o ácido p-tolueonossulfónico comercial. Não foram efectuadas análises específicas aos monoglicerídeos, o produto foi caracterizado pelo índice de acidez. Aparentemente, a maior conversão de ácidos gordos foi obtida no ensaio de esterificação de ácidos gordos com glicerol, ambos da SOCIPOLE SA. No entanto, este não serviu como termo de comparação com os outros devido à formação de uma fase sólida (polímero). Relativamente aos outros ensaios, com razão molar glicerol/ácidos gordos de 1:3, o melhor resultado foi obtido na reacção de glicerol da SOCIPOLE SA com ácido oleico puro, na presença do catalisador ácido p-toluenossulfónico, à temperatura de 106,3ºC e tempo de reacção de 4h30min, sendo a conversão final de ácido oleico 80,7%. Na segunda parte foi feito o estudo da esterificação de ácidos gordos livres com metanol, na presença de ácido sulfúrico, para a produção de biodiesel utilizando ácidos gordos fornecidos pela empresa SOCIPOLE SA, ácidos gordos derivados dos sabões de um resíduo de glicerol fornecido pelo Laboratório de Tecnologia Química, Professora Doutora Lídia Vasconcelos do ISEP e ácidos gordos derivados dos sabões do glicerol bruto, fornecido pela empresa SOCIPOLE SA. Os ensaios foram efectuados a 65ºC, com uma agitação de 120rpm e uma razão molar ácidos gordos/metanol de 1:3. Verificou-se que o índice de acidez do produto, depois de lavado e seco, diminuía com o tempo de reacção e na generalidade a percentagem de ésteres aumentava, observando-se que a partir das seis horas, a reacção se tornava muito lenta. O estudo da razão ácidos gordos/metanol, não permitiu tirar conclusões. O melhor resultado obtido correspondeu a um produto com 96,2% de ésteres metílicos e 8,54mgKOH/gamostra de índice de acidez, pelo que não pode ainda ser designado de biodiesel.

Preparação de catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel

A produção de biodiesel como combustível para motores diesel, aumentou fortemente nos últimos anos e espera-se que cresça mais e mais num futuro próximo. O aumento do consumo de biodiesel exige processos de produção optimizados que permitam grandes capacidades de produção, operações simplificadas, rendimentos altos, bem como a utilização de matérias-primas mais económicas. Por isso, o desenvolvimento de processos de produção de baixo custo exige a especificação de catalisadores heterogéneos eficientes na promoção da reacção de transesterificação, permitindo a imediata separação da glicerina pura, não necessitando de uma purificação dispendiosa deste subproduto. Os xerogéis de carbono surgem então como materiais promissores para aplicação como catalisadores heterogéneos para a produção de biodiesel, devido às suas excelentes propriedades ao nível da sua textura e superfície química. Neste trabalho o principal objectivo foi a preparação de um xerogel de carbono, com o intuito de posteriormente ser aplicado na produção de biodiesel por catálise heterogénea. Amostras de xerogel de carbono foram preparadas pelo método sol-gel e oxidadas em fase líquida sendo posteriormente caracterizados os seus grupos funcionais e a sua área específica. Os resultados obtidos mostram que é possivel obter um xerogel de carbono com área superficial alta, tendo sido atingido um valor máximo para a amostra número dois (803 m2/g). Os resultados atingidos ao nível da preparação do catalisador permitem concluir que as condições de operação influenciam a estrutura final do xerogel de carbono. Quanto à caracterização da química superficial do xerogel, foi possível verificar que a diferença do número de acidez entre as amostras oxidadas e não oxidadas do mesmo lote é alta, o que permite afirmar que a oxidação do material de carbono incrementa a concentração de grupos oxigénio à superfície do xerogel. O valor máximo para o número de acidez foi obtido com a amostra número três (Amostra oxidada - 916 μmol/g, Amostra não oxidada - 207 μmol/g). Apesar de terem sido realizados ensaios para a produção de biodiesel os resultados obtidos foram nulos. A escolha das condições de reacção para a catálise heterogénea com este tipo de material poderá não ter sido a mais indicada, assim como a quantidade e o tipo de grupos funcionais introduzidos no catalisador não terem acidez suficiente para permitir uma catálise efectiva.

Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica

Catalytic behavior of alkali-treated Pt/HMOR n-hexane hydroisomerization

Bifunctional Pt-HMOR catalysts were prepared by incipient wetness impregnation of various desilicated MOR obtained by alkaline treatment using NaOH concentrations ranging from 0.1 to 0.5 M. The zeolite structural changes upon modification were investigated by several techniques including powder X-ray diffraction,Al-27 and Si-29 MAS-NMR spectroscopy, N-2 adsorption, pyridine adsorption followed by infrared spectroscopy and the catalytic model reaction of m-xylene transformation. For low alkaline concentration the zeolite acidity is preserved, along with a slight increase of the volume correspondent to the larger micropores due to the removal of extra-framework debris already existent at the parent zeolite. At higher NaOH concentrations there is a significant loss of crystalinity and acidity as well as the formation of mesoporosity. The characterization of the metal function shows similar patterns for Pt-HMOR and Pt-M/0.1 samples, with Pt particles located mainly inside the inner porosity. In contrast, large Pt particles become visible at the intercrystalline mesoporosity of MOR crystals developed during the desilication treatments at severe alkaline conditions. The catalytic results obtained for n-hexane hydroisomerization showed an improved selectivity for dibranched over monobranched isomers for Pt-M/0.1 sample, likely due to the preservation of the support acidity and the slight enlargement of the micropores. This work is a new example in which the mesoporous development does not improve the catalytic efficiency of the zeolites, whereas mild alkaline desilication might be considered as an effective solution to produce customized catalysts with enhanced performance for a given application. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Realization of fractional-order controllers: analysis, synthesis and application to the velocity control of a servo system

The synthesis and application of fractional-order controllers is now an active research field. This article investigates the use of fractional-order PID controllers in the velocity control of an experimental modular servo system. The systern consists of a digital servomechanism and open-architecture software environment for real-time control experiments using MATLAB/Simulink. Different tuning methods will be employed, such as heuristics based on the well-known Ziegler Nichols rules, techniques based on Bode’s ideal transfer function and optimization tuning methods. Experimental responses obtained from the application of the several fractional-order controllers are presented and analyzed. The effectiveness and superior performance of the proposed algorithms are also compared with classical integer-order PID controllers.

Mu-Chlorido-Bridged Dimanganese(II) complexes of the schiff base derived from [2+2] condensation of 2,6-diformyl-4-methylphenol and 1,3-bis(3-aminopropyl)tetramethyldisloxane: structure, magnetismo, electrochemical behaviour, and catalytic oxidation of secondary alcohols

The reaction of 2,6-diformyl-4-methylphenol with 1,3-bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane in the presence of MnCl2 in a 1:1:2 molar ratio in methanol afforded a dinuclear -chlorido-bridged manganese(II) complex of the macrocyclic [2+2] condensation product (H2L), namely, [Mn2Cl2(H2L)(HL)]Cl center dot 3H(2)O (1). The latter afforded a new compound, namely, [Mn2Cl2(H2L)(2)][MnCl4]center dot 4CH(3)CN center dot 0.5CHCl(3 center dot)0.4H(2)O (2), after recrystallisation from 1:1 CHCl3/CH3CN. The co-existence of the free and complexed azomethine groups, phenolato donors, mu-chlorido bridges, and the disiloxane unit were well evidenced by ESI mass spectrometry and FTIR spectroscopy and confirmed by X-ray crystallography. The magnetic measurements revealed an antiferromagnetic interaction between the two high-spin (S = 5/2, g = 2) manganese(II) ions through the mu-chlorido bridging ligands. The electrochemical behaviour of 1 and 2 has been studied, and details of their redox properties are reported. Both compounds act as catalysts or catalyst precursors in the solvent-free low-power microwave-assisted oxidation of selected secondary alcohols, for example, 1-phenylethanol, cyclohexanol, 2- and 3-octanol, to the corresponding ketones in the absence of solvent. The highest yield of 72% was achieved for 1-phenylethanol by using a maximum of 1% molar ratio of catalyst relative to substrate.

Trits(Pyrazol-1-YL)methane metal complexes for catalytic mild oxidative functionalizations of alkanes, alkanes and ketones

This work concerns recent advances (since 2005) in the oxidative functionalization of alkanes, alkenes and ketones, under mild conditions, catalyzed by homoscorpionate tris(pyrazol-1-yl)methane metal complexes. The main types of such homogeneous or supported catalysts are classified, and the critical analysis of the most efficient catalytic systems in the different reactions is presented. These reactions include the mild oxidation of alkanes (typically cyclohexane as a model substrate) with hydrogen peroxide (into alkyl hydroperoxides, alcohols, and ketones), the hydrocarboxylation of gaseous alkanes (with carbon monoxide and potassium peroxodisulfate) into the corresponding Cn+1 carboxylic acids, as well as the epoxidation of alkenes and the Baeyer-Villiger oxidation of linear and cyclic ketones with hydrogen peroxide into the corresponding esters and lactones. Effects of various reaction parameters are highlighted and the preferable requirements for a prospective homogeneous or supported C-scorpionate-M-based catalyst in oxidative transformations of those substrates are identified. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

µ-Chlorido-bridged dimanganese(II) complexes of the schiff base derived from [2+2] condensation of 2,6-diformyl-4-methylphenol and 1,3-bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane: structure, magnetismo, electrochemical behaviour, and catalytic oxidation of secondary alcohols

The reaction of 2,6-diformyl-4-methylphenol with 1,3-bis(3-aminopropyl)tetramethyldisiloxane in the presence of MnCl2 in a 1:1:2 molar ratio in methanol afforded a dinuclear -chlorido-bridged manganese(II) complex of the macrocyclic [2+2] condensation product (H2L), namely, [Mn2Cl2(H2L)(HL)]Cl center dot 3H(2)O (1). The latter afforded a new compound, namely, [Mn2Cl2(H2L)(2)][MnCl4]center dot 4CH(3)CN center dot 0.5CHCl(3 center dot)0.4H(2)O (2), after recrystallisation from 1:1 CHCl3/CH3CN. The co-existence of the free and complexed azomethine groups, phenolato donors, mu-chlorido bridges, and the disiloxane unit were well evidenced by ESI mass spectrometry and FTIR spectroscopy and confirmed by X-ray crystallography. The magnetic measurements revealed an antiferromagnetic interaction between the two high-spin (S = 5/2, g = 2) manganese(II) ions through the mu-chlorido bridging ligands. The electrochemical behaviour of 1 and 2 has been studied, and details of their redox properties are reported. Both compounds act as catalysts or catalyst precursors in the solvent-free low-power microwave-assisted oxidation of selected secondary alcohols, for example, 1-phenylethanol, cyclohexanol, 2- and 3-octanol, to the corresponding ketones in the absence of solvent. The highest yield of 72% was achieved for 1-phenylethanol by using a maximum of 1% molar ratio of catalyst relative to substrate.

Effect of fractional orders in the velocity control of a servo system

The application of fractional-order PID controllers is now an active field of research. This article investigates the effect of fractional (derivative and integral) orders upon system's performance in the velocity control of a servo system. The servo system consists of a digital servomechanism and an open-architecture software environment for real-time control experiments using MATLAB/Simulink tools. Experimental responses are presented and analyzed, showing the effectiveness of fractional controllers. Comparison with classical PID controllers is also investigated.

Baeyer-Villiger oxidation of Keotones catalysed by rhenium complexes bearing N- Or Oxo-Ligands

Rhenium (I, III-V or VII) complexes bearing N-donor or oxo-ligands catalyse the Baeyer-Villiger oxidation of cyclic and linear ketones (e.g. 2-methylcyclohexanone, 2-methylcyclopentanone, cyclohexanone, cyclopentanone, cyclobutanone and 3,3-dimethyl-2-butanone) into the corresponding lactones or esters, in the presence of aqueous H2O2 (30%). The effects of various reaction parameters are studied allowing to achieve yields up to 54%.

Optimal fuzzy PID control tuned with genetic algorithms

Fuzzy logic controllers (FLC) are intelligent systems, based on heuristic knowledge, that have been largely applied in numerous areas of everyday life. They can be used to describe a linear or nonlinear system and are suitable when a real system is not known or too difficult to find their model. FLC provide a formal methodology for representing, manipulating and implementing a human heuristic knowledge on how to control a system. These controllers can be seen as artificial decision makers that operate in a closed-loop system, in real time. The main aim of this work was to develop a single optimal fuzzy controller, easily adaptable to a wide range of systems – simple to complex, linear to nonlinear – and able to control all these systems. Due to their efficiency in searching and finding optimal solution for high complexity problems, GAs were used to perform the FLC tuning by finding the best parameters to obtain the best responses. The work was performed using the MATLAB/SIMULINK software. This is a very useful tool that provides an easy way to test and analyse the FLC, the PID and the GAs in the same environment. Therefore, it was proposed a Fuzzy PID controller (FL-PID) type namely, the Fuzzy PD+I. For that, the controller was compared with the classical PID controller tuned with, the heuristic Ziegler-Nichols tuning method, the optimal Zhuang-Atherton tuning method and the GA method itself. The IAE, ISE, ITAE and ITSE criteria, used as the GA fitness functions, were applied to compare the controllers performance used in this work. Overall, and for most systems, the FL-PID results tuned with GAs were very satisfactory. Moreover, in some cases the results were substantially better than for the other PID controllers. The best system responses were obtained with the IAE and ITAE criteria used to tune the FL-PID and PID controllers.

Catálise de hydrocraking baseado em zeólitos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química