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

Fractional order modelling of zero length column desorption response for adsorbents with variable particle sizes

This manuscript analyses the data generated by a Zero Length Column (ZLC) diffusion experimental set-up, for 1,3 Di-isopropyl benzene in a 100% alumina matrix with variable particle size. The time evolution of the phenomena resembles those of fractional order systems, namely those with a fast initial transient followed by long and slow tails. The experimental measurements are best fitted with the Harris model revealing a power law behavior.

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.

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.

Surface morphology and phase transformations of femtosecond laser-processed saphire

The morphological and structural modifications induced in sapphire by surface treatment with femtosecond laser radiation were studied. Single-crystal sapphire wafers cut parallel to the (0 1 2) planes were treated with 560 fs, 1030 nm wavelength laser radiation using wide ranges of pulse energy and repetition rate. Self-ordered periodic structures with an average spatial periodicity of similar to 300 nm were observed for fluences slightly higher than the ablation threshold. For higher fluences the interaction was more disruptive and extensive fracture, exfoliation, and ejection of ablation debris occurred. Four types of particles were found in the ablation debris: (a) spherical nanoparticles about 50 nm in diameter; (b) composite particles between 150 and 400 nm in size; (c) rounded resolidified particles about 100-500 nm in size; and (d) angular particles presenting a lamellar structure and deformation twins. The study of those particles by selected area electron diffraction showed that the spherical nanoparticles and the composite particles are amorphous, while the resolidified droplets and the angular particles, present a crystalline a-alumina structure, the same of the original material. Taking into consideration the existing ablation theories, it is proposed that the spherical nanoparticles are directly emitted from the surface in the ablation plume, while resolidified droplets are emitted as a result of the ablation process, in the liquid phase, in the low intensity regime, and by exfoliation, in the high intensity regime. Nanoparticle clusters are formed by nanoparticle coalescence in the cooling ablation plume. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Role of abrasive material on micro-abrasion wear tests

Micro-abrasion wear tests with ball-cratering configuration are widely used. Sources of variability are already studied by different authors and conditions for testing are parameterized by BS EN 1071-6: 2007 standard which refers silicon carbide as abrasive. However, the use of other abrasives is possible and allowed. In this work, ball-cratering wear tests were performed using four different abrasive particles of three dissimilar materials: diamond, alumina and silicon carbide. Tests were carried out under the same conditions on a steel plate provided with TiB2 hard coating. For each abrasive, five different test durations were used allowing understanding the initial wear phenomena. Composition and shape of abrasive particles were investigated by SEM and EDS. Scar areas were observed by optical and electronic microscopy in order to understand the wear effects caused by each of them. Scar geometry and grooves were analyzed and compared. Wear coefficient was calculated for each situation. It was observed that diamond particles produce well-defined and circular wear scars. Different silicon carbide particles presented dissimilar results as consequence of distinct particle shape and size distribution.

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%.

Biocombustível a partir de celulose – hidrogenação de isómeros da hidroximetilpiranona

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

Influence of the abrasive particles size in the micro-abrasion wear tests of TiAlSiN thin coatings

Ball rotating micro-abrasion tribometers are commonly used to carry out wear tests on thin hard coatings. In these tests, different kinds of abrasives were used, as alumina (Al2O3), silicon carbide (SiC) or diamond. In each kind of abrasive, several particle sizes can be used. Some studies were developed in order to evaluate the influence of the abrasive particle shape in the micro-abrasion process. Nevertheless, the particle size was not well correlated with the material removed amount and wear mechanisms. In this work, slurry of SiC abrasive in distilled water was used, with three different particles size. Initial surface topography was accessed by atomic force microscopy (AFM). Coating hardness measurements were performed with a micro-hardness tester. In order to evaluate the wear behaviour, a TiAlSiN thin hard film was used. The micro-abrasion tests were carried out with some different durations. The abrasive effect of the SiC particles was observed by scanning electron microscopy (SEM) both in the films (hard material) as in the substrate (soft material), after coating perforation. Wear grooves and removed material rate were compared and discussed.