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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS Curso: Licenciatura em Química Relatório do Laboratório de Química Orgânica 2 PREPARAÇÃO DO BIODIESEL 24/10/2024 Anna Cláudia RA: 771563 Emanuele Vitoria da Silva RA: 805808 Giulia Lauren Bonin RA: 801226 Prof. Dr. Aparecido Junior de Menezes Sorocaba 2024 1. INTRODUÇÃO Diante do significativo aumento da demanda por fontes de energia em nível global, impulsionado principalmente pelo desenvolvimento socioeconômico, surgem preocupações crescentes relacionadas às questões ambientais, especialmente após o uso extensivo de fontes não renováveis, como o petróleo, ao longo do século passado. Esse cenário tem levado a sociedade a buscar alternativas para mitigar tanto o esgotamento das reservas de combustíveis fósseis quanto a emissão massiva de gases de efeito estufa (LIMA, 2020). Entre as opções atualmente viáveis, destaca-se o biodiesel, produzido a partir de óleos vegetais, como uma alternativa promissora para a substituição do diesel derivado do petróleo. No Brasil, a Política Nacional de Biocombustíveis (RenovaBio), instituída pela Lei nº 13.576, de 26 de dezembro de 2017, estabelece a obrigatoriedade de adicionar uma fração de biodiesel ao diesel comercializado aos consumidores. O objetivo central dessa política é "promover a adequada expansão da produção e do uso de biocombustíveis na matriz energética nacional" (Lei nº 13.576/2017). Em 2023, a porcentagem de adição de biodiesel ao diesel foi fixada em 12%, com previsão de aumento progressivo de 1% ao ano, atingindo 15% em 2026. Diversas oleaginosas podem ser utilizadas como matéria-prima na produção de biodiesel, incluindo: algodão, girassol, babaçu, amendoim, canola, nabo forrageiro, palma, mamona e soja. Entre essas, a mamona tem se destacado como uma alternativa promissora, especialmente por seus benefícios indiretos para a agricultura familiar. No entanto, as propriedades do biodiesel produzido a partir da mamona, como sua alta viscosidade, apresentam limitações técnicas que restringem seu uso em comparação ao biodiesel derivado da soja, responsável por aproximadamente 90% da produção nacional (LIMA, 2020). O uso direto de óleos vegetais como combustível é considerado inadequado devido a diversos fatores que comprometem a eficiência da combustão. Entre esses fatores estão a alta viscosidade e a baixa volatilidade, que podem resultar na formação de depósitos nos bicos injetores dos motores, causando combustão incompleta (BELTRÃO; OLIVEIRA, 2008). Para a produção de biodiesel, duas principais rotas tecnológicas podem ser seguidas: craqueamento ou transesterificação (que pode ser etílica ou metílica). No processo de craqueamento, ocorre a quebra das moléculas de triglicerídeos presentes nos óleos, gerando hidrocarbonetos semelhantes aos do diesel derivado do petróleo. No entanto, além dos hidrocarbonetos saturados, também são formados hidrocarbonetos insaturados, que podem acidificar o biodiesel e, consequentemente, danificar os motores (GERIS, 2007). A transesterificação, por outro lado, é o método mais amplamente utilizado para a produção de biodiesel. Esse processo envolve a reação de um mol de triglicerídeo com três mols de álcool (geralmente metanol ou etanol), na presença de um catalisador que reduz a energia de ativação da reação. O resultado dessa reação é a produção de biodiesel e glicerina, com o óleo vegetal ou animal atuando como fonte de triglicerídeos, conforme na figura 1 (GERIS, 2007). Figura 1 - Estequiometria da reação entre triglicerídeos com álcool. Fonte: GERIS (2007). Entre os álcoois de cadeia curta utilizados no processo de transesterificação, destacam-se o metanol e o etanol. O metanol é amplamente utilizado devido à sua maior reatividade, além de requerer menor temperatura e tempo de reação. Por outro lado, o etanol é preferido por apresentar menor toxicidade e ser uma fonte renovável. No Brasil, o etanol é amplamente utilizado, principalmente pela facilidade de obtenção da matéria-prima para sua produção (LIMA, 2020). Após a conclusão da reação de transesterificação, realiza-se a decantação, que, com base na diferença de densidade, separa as duas fases do processo: o biodiesel, que se acumula na parte superior, e o glicerol, localizado na parte inferior. O biodiesel extraído passa então por um processo adicional de purificação, no qual são removidos resíduos de metanol e hidróxido de potássio que ainda permanecem na mistura (LIMA, 2020). 2. OBJETIVOS O presente experimento teve como objetivo principal a obtenção do biodiesel. Como objetivo secundário, houve a incentivação do interesse dos alunos pela aula prática através do preparo e montagem dos reagentes e esquemas utilizados. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Segue abaixo os materiais e métodos utilizados na realização do experimento. 3.1 Materiais ● 2 erlenmeyers de 125 mL ● 2 béqueres ● 1 balão de fundo chato de 500 mL ● 1 funil de separação ● 1 proveta de 100 mL ● 1 proveta de 50 mL ● 3 cadinhos de porcelana ● 1 picnômetro de 25 mL ● Espátula ● Pipeta de Pasteur ● 1 termômetro de 50 ºC ● 1 suporte universal ● 1 chapa de aquecimento com agitação ● Algodão ● Fósforo ● KOH ● MeOH ● Óleo de soja ● Metanol ● Biodiesel ● Fenolftaleína ● Solução saturada de NaCl ● Solução aquosa de HCl a 0,5% (v/v) 3.2 Métodos Inicialmente, uma solução de metóxido de potássio foi preparada em um erlenmeyer de 125 mL, a partir da dissolução de 1,5 g de KOH em 35 mL de MeOH. A temperatura foi controlada, sendo mantida a 45º C até a dissolução total da base. Foram adicionados 100 mL de óleo de soja e 1 gota de fenolftaleína em um balão de fundo chato de 500 mL, que então foi submetido a uma chapa de aquecimento com agitação. O balão foi mantido sob agitação constante a uma temperatura de 45º C. Em seguida, a solução de metóxido de potássio previamente preparada foi adicionada ao balão de fundo chato, lentamente por 10 minutos, sob agitação constante e a 45º C. Ao final, a mistura foi transferida para um funil de separação e foram adicionados 50 mL de uma solução saturada de NaCl. Os resultados foram observados e anotados. Cuidadosamente, a fase inferior foi recolhida em um erlenmeyer. Ainda no balão de fundo chato, as fases intermediária e superior foram lavadas com 50 mL de uma solução aquosa de HCl a 0,5% (v/v) até neutralizar. As fases inferior e intermediária foram recolhidas, enquanto o biodiesel foi lavado com 50 mL de solução aquosa saturada de NaCl. Com isso, o biodiesel foi recolhido em um erlenmeyer de 125 mL. Por fim, três pedaços pequenos de algodão foram embebedados com óleo de soja, metanol e biodiesel, que então foram colocados em três cadinhos de porcelana. Com o auxílio de um fósforo, verificou-se quais são inflamáveis. Os resultados foram observados e anotados. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Síntese do Biodiesel A síntese de biodiesel foi realizada a partir de óleo vegetal, utilizando um método de transesterificação em meio básico. Foram observadas as condições ideais para a reação, bem como as características e propriedades dos produtos obtidos, com ênfase nas razões para as escolhas metodológicas e na análise dos testes de combustão. Inicialmente, após reagir óleo de soja com a solução de metóxido de potássio previamente preparada, com a presença de fenolftaleína, em um balão de fundo chato mantido sob agitação constante e a 45º C, observou-se a mudança de coloração da mistura de um amarelo para um rosa alaranjado, conforme visto nas figuras 2 e 3 respectivamente. Figuras 2 e 3 - Mistura de óleo de soja com solução de metóxido de potássio antes e depois do aquecimento sob agitação, respectivamente. Fonte: Autoria própria. A reação de transesterificaçãofoi realizada em meio básico, utilizando metóxido de potássio (CH3KO) como catalisador. A escolha de um meio básico se justifica pela maior eficiência e velocidade da reação de transesterificação em comparação com um meio ácido. O metóxido de potássio é altamente reativo e ataca os triglicerídeos do óleo vegetal, gerando ésteres de ácidos graxos e glicerol. A utilização de um catalisador básico permite que a reação ocorra de maneira mais rápida e eficiente, além de reduzir custos e energia necessária, tornando o processo mais viável para ser produzido em larga escala (BARRETO et al, 2010). Adicionou-se fenolftaleína como indicador de pH para monitorar a basicidade da solução, de modo que adquire coloração rosa em meio básico e é incolor em meio neutro ou ácido. Esse indicador foi essencial para garantir que a reação se mantivesse em condições adequadas para a transesterificação, ou seja, em meio suficientemente básico. Caso o pH caísse durante a reação, a mudança de cor indicaria a necessidade de ajustar a basicidade, assegurando a eficiência da síntese de biodiesel (LIMA, 2020). Após a mistura ser transferida para um funil de separação e adicionar solução saturada de NaCl observou-se a formação de três fases, sendo elas: a fase superior contendo o biodiesel, a fase intermediária contendo uma emulsão composta por biodiesel e glicerol, e a fase inferior contendo glicerol, sabões e excesso de KOH e MeOH. Elas podem ser observadas na figura 4 abaixo. Figura 4 - Trifase formada pela adição de solução saturada de NaCl à mistura. Fonte: Autoria própria. Em seguida, descartou-se as fases intermediária e inferior e adicionou-se uma solução aquosa de HCl a 0,5% (v/v). Pôde-se observar, novamente, a formação de uma fase superior contendo o biodiesel, uma fase intermediária contendo uma emulsão e uma fase inferior de caráter aquoso. A figura 5 abaixo ilustra o ocorrido. Figura 5 - Trifase formada pela adição de solução aquosa de HCl a 0,5% (v/v) ao biodiesel. Fonte: Autoria própria. As fases inferior e intermediária foram descartadas, enquanto o biodiesel foi lavado com solução aquosa saturada de NaCl, de modo que as três fases foram formadas novamente, podendo ser observadas na figura 6 a seguir. Figura 6 - Trifase formada pela adição de solução saturada de NaCl ao biodiesel. Fonte: Autoria própria. No processo de purificação do biodiesel, utilizou-se uma solução saturada de NaCl (água salina) em vez de água. Ela ajudou a aumentar a densidade e a polaridade da fase aquosa, facilitando a separação do biodiesel e da água. Além disso, o uso da solução salina minimizou a formação de emulsões, o que é um problema comum ao lavar o biodiesel apenas com água. Também ajudou a remover impurezas solúveis em água, como resíduos de glicerol, catalisadores e sabões, resultando em um biodiesel mais puro e com propriedades de combustão mais adequadas (GERIS, 2007). Ao final, o biodiesel presente na fase superior do funil de separação foi recolhido em um erlenmeyer, conforme visto na figura 7 abaixo. Figura 7 - Biodiesel obtido. Fonte: Autoria própria. Com o auxílio de um picnômetro e uma balança analítica, pôde-se obter a densidade do biodiesel obtido, como observado na tabela 1. Tabela 1 - Relação de valores obtidos no experimento. Mi (picnômetro) Mf (picnômetro + biodiesel) Massa do biodiesel Volume do picnômetro Densidade do biodiesel (experimento) Densidade do biodiesel (literatura) Rendimento do processo 24,2766 g 47,7085 g 23,4319 g 25 mL 0,94 g/mL 0,88 g/mL 106,82 % De acordo com a tabela 1, a densidade do biodiesel obtida na prática é muito próxima da densidade presente na literatura (APROBIO, 2017). Essa diferença pode ser explicada pela presença de água ou outro resíduos no biodiesel, ou seja, pela purificação incompleta do produto final. Assim, a massa do biodiesel foi maior, resultando em uma densidade proporcionalmente maior.. Além disso, obteve-se um rendimento de 106,82%, um valor esperado uma vez que a densidade calculada foi maior que a vista na literatura. 4.2 Espectro de IV do Biodiesel Não foi possível obter as leituras do espectro de infravermelho para o biodiesel, porém foi pesquisado na internet o esperado e adicionado abaixo, na figura 8. Figura 8 - Gráfico dos dados FTIR esperados para o Limoneno. Fonte: RUSCHEL (2014). No espectro do biodiesel, observa-se uma banda entre 3200 e 3600 cm⁻¹. A ausência de bandas significativas nessa região indica a baixa presença de grupos hidroxila livres ou fortemente ligados, característica associada à glicerina. Dessa forma, é pouco provável que a amostra contenha quantidades significativas de glicerina (RUSCHEL, 2014). Picos entre 2800 e 3000 cm⁻¹, relacionados ao estiramento C-H, são comumente observados em alcanos e álcoois. Em específico, identificam-se bandas em torno de 2923 cm⁻¹ e 2853 cm⁻¹, correspondendo ao estiramento C-H. Na região de 1700 a 1750 cm⁻¹, a presença de um pico acentuado em aproximadamente 1741 cm⁻¹ indica o estiramento C=O, característico de ésteres, confirmando, assim, a presença de biodiesel na amostra (RUSCHEL, 2014). Entre 1000 e 1300 cm⁻¹, observa-se absorção significativa, atribuída a estiramentos C-O, típicos de ésteres e álcoois, o que sugere a presença de grupos C-O em todas as amostras. Finalmente, na região de 900 a 1300 cm⁻¹, que representa a “impressão digital” do espectro, há diversas bandas acopladas. Destacam-se o pico em 1200 cm⁻¹, associado à deformação axial CC(=O)-O do éster, e outro em 1180 cm⁻¹, correspondente à deformação axial assimétrica da ligação O-C-C (RUSCHEL, 2014). 4.3 Teste de Combustão Ao fim do experimento, realizou-se um teste de combustão com óleo de soja, metanol e o biodiesel obtido na prática. O resultado pode ser observado na figura 9 abaixo. Figura 9 - Teste de combustão com o metanol, biodiesel e óleo de soja (de cima para baixo). Fonte: Autoria própria. Comparando a combustão do metanol, biodiesel e óleo vegetal, as diferenças observadas no experimento podem ser explicadas pelas propriedades químicas e físicas de cada combustível. A combustão instantânea e a chama azul do metanol (CH₃OH) são características marcantes. Isso se deve à sua alta volatilidade, ou seja, ele evapora rapidamente à temperatura ambiente, formando uma mistura de vapor e ar que se inflama facilmente. Além disso, a combustão do metanol é completa, o que significa que ele reage completamente com o oxigênio, produzindo dióxido de carbono e água (GERIS, 2007). Essa reação exotérmica libera uma grande quantidade de energia, resultando em uma chama intensa e azul. A reação de combustão completa do metanol (CH₃OH) pode ser representada pela equação química abaixo. 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O O biodiesel, por sua vez, apresentou uma combustão mais lenta e uma chama amarela. A viscosidade ligeiramente maior do biodiesel em relação ao metanol dificulta a vaporização e a mistura com o ar, retardando a ignição. A chama amarela indica que a combustão pode não ser tão completa, com a presença de partículas de carbono incandescentes. A cor da chama também pode ser influenciada por aditivos ou impurezas presentes no biodiesel. A reação de combustão completa de um éster metílico simplificado (RCOOCH₃) pode ser representada pela equação abaixo, na qual R representa uma cadeia carbônica, e n é o número de átomos de carbono na cadeia R. RCOOCH₃ + (3n+1.5) O₂ → nCO₂ + (n+1.5) H₂O A dificuldade de ignição e a quase inexistência de chama no caso do óleo vegetal são explicadas por sua alta viscosidade. Essa propriedade dificulta a vaporização do óleo, tornando a formação de uma mistura inflamável com o ar muito mais lenta. Além disso, o óleo vegetal possui um ponto de fulgor mais elevado, ou seja, é necessária uma temperatura mais alta para que seus vapores se inflamem(GERIS, 2007). A composição complexa do óleo vegetal, com uma variedade de ácidos graxos, também pode influenciar sua capacidade de combustão. Os óleos vegetais são triglicerídeos, compostos por três moléculas de ácidos graxos ligadas a uma molécula de glicerol (GERIS, 2007). A combustão completa de um triglicerídeo simplificado (C₃H₅(OOCR)₃) pode ser representada pela equação abaixo, na qual R representa uma cadeia carbônica e n é o número de átomos de carbono na cadeia R. C₃H₅(OOCR)₃ + (4n+1.5)O₂ → 3nCO₂ + (2n+1.5)H₂O A combustão incompleta do óleo vegetal, que é mais comum, pode gerar diversos produtos, como monóxido de carbono, fuligem (carbono elementar) e hidrocarbonetos não queimados, além de óxidos de nitrogênio e outros poluentes. 4.4 Diferenças entre o Diesel e o Biodiesel O biodiesel é um combustível renovável produzido a partir de óleos vegetais ou gorduras animais, enquanto o diesel é um combustível fóssil derivado do petróleo. O biodiesel é menos poluente que o diesel, pois emite menos gases de efeito estufa e partículas sólidas. Além disso, o biodiesel é biodegradável e não tóxico, enquanto o diesel é tóxico e não biodegradável (PRADO et al., 2006). O biodiesel é produzido a partir de uma reação química chamada transesterificação, na qual os triglicerídeos presentes nos óleos vegetais ou gorduras animais são convertidos em ésteres metílicos ou etílicos. Os ésteres metílicos ou etílicos são os componentes principais do biodiesel (Prado et al., 2006). O diesel, por sua vez, é produzido a partir da destilação fracionada do petróleo. O diesel é uma mistura de hidrocarbonetos com uma faixa de pontos de ebulição entre 150°C e 350°C (PRADO et al., 2006). O biodiesel pode ser utilizado em qualquer motor a diesel sem a necessidade de modificações. No entanto, o biodiesel pode ser mais caro que o diesel, pois a produção de biodiesel é mais complexa e os óleos vegetais ou gorduras animais são mais caros que o petróleo (PRADO et al., 2006). O biodiesel é uma alternativa mais sustentável ao diesel, pois é renovável e menos poluente. No entanto, o biodiesel ainda enfrenta alguns desafios, como a falta de infraestrutura para a produção e distribuição, e o alto custo de produção (PRADO et al., 2006). 5. CONCLUSÃO Após a realização de testes laboratoriais, pode-se determinar que os objetivos originais foram alcançados. Foi realizada a síntese e purificação do biodiesel, de modo que os valores de densidade e rendimento obtidos foram maiores, mas muito próximos do esperado, portanto, satisfatórios. Com isso, esse presente experimento contribuiu para um significativo aprendizado, uma vez que pôde-se compreender todos os conceitos químicos envolvidos, além de se assimilar os processos realizados satisfatoriamente, o que auxiliou no aprendizado dos alunos. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARRETO, M. L. G.; et al. OTIMIZAÇÃO DA REAÇÃO DE TRANSESTERIFICAÇÃO DO ÓLEO DE MAMONA. IV Congresso Brasileiro de Mamona e I Simpósio Internacional de Oleaginosas Energéticas, João Pessoa, PB – 2010. Disponível em: https://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/18321/1/BID-36.pdf. Acesso em 29 de Outubro de 2024. BARROS, T. Biodiesel - Tecnologia. Embrapa, 2021. Disponível em: https://www.embrapa.br/agencia-de-informacao-tecnologica/tematicas/agroenergia/biodiesel/t ecnologia. Acesso em 20 de Outubro de 2024. BELTRÃO, N.; OLIVEIRA, M. Oleaginosas e seus Óleos: Vantagens e Desvantagens para Produção de Biodiesel. Embrapa, 2008. Disponível em: https://www.infoteca.cnptia.embrapa.br/bitstream/doc/276836/1/DOC201.pdf. Acesso em 20 de Outubro de 2024. Biodiesel e suas propriedades. APROBIO, 2017. Disponível em: https://aprobio.com.br/noticia/biodiesel-e-suas-propriedades. Acesso em 28 de Outubro de 2024. BRASIL. LEI No 13.576, DE 26 DE DEZEMBRO DE 2017. Política Nacional de Biocombustíveis (RenovaBio), 2017. Disponível em: https://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_Ato2015-2018/2017/Lei/L13576.htm. Acesso em 20 de Outubro de 2024. GERIS, R; et al. Biodiesel de soja: reação de transesterificação para aulas práticas de química orgânica. Química Nova 2007, 30, 1369-1373. Disponível em: https://www.scielo.br/j/qn/a/5RCVpxvN94V8bFnpv8sJSLJ/?format=pdf&lang=pt. Acesso em 27 de Outubro de 2024. LIMA, B. F. B. Síntese de biodiesel a partir da reação de transesterificação de óleo de soja etílicocatalisado por hidróxidos duplos laminares. UFAL, Maceió - AL, 2020. Disponível em: https://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/7739. Acesso em 20 de Outubro de 2024. https://www.embrapa.br/agencia-de-informacao-tecnologica/tematicas/agroenergia/biodiesel/tecnologia https://www.embrapa.br/agencia-de-informacao-tecnologica/tematicas/agroenergia/biodiesel/tecnologia https://www.planalto.gov.br/ccivil_03/_Ato2015-2018/2017/Lei/L13576.htm PRADO, E. A.; ZAN, R. A.; GOLFETTO, D. C.; & Schwade, V. D. Biodiesel: Um tema para uma aprendizagem efetiva. Anais do XXXIV COBENGE. Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, 2006. Disponível em: https://www.abenge.org.br/cobenge/legado/arquivos/13/artigos/9_315_816.pdf. Acesso em 27 de Outubro de 2024. RUSCHEL, C. F. C. et al. Análise exploratória aplicada a espectros de reflexão total atenuada no infravermelho com transformada de Fourier (ATR-FTIR) de blendas de biodiesel/diesel. Química Nova 2014, 37, 810-815. Disponível em: https://doi.org/10.5935/0100-4042.20140130. Acesso em 29 de Outubro de 2024. https://doi.org/10.5935/0100-4042.20140130 Segue abaixo os materiais e métodos utilizados na realização do experimento. 3.1 Materiais Cuidadosamente, a fase inferior foi recolhida em um erlenmeyer. Ainda no balão de fundo chato, as fases intermediária e superior foram lavadas com 50 mL de uma solução aquosa de HCl a 0,5% (v/v) até neutralizar. As fases inferior e intermediária foram recolhidas, enquanto o biodiesel foi lavado com 50 mL de solução aquosa saturada de NaCl. Com isso, o biodiesel foi recolhido em um erlenmeyer de 125 mL. Por fim, três pedaços pequenos de algodão foram embebedados com óleo de soja, metanol e biodiesel, que então foram colocados em três cadinhos de porcelana. Com o auxílio de um fósforo, verificou-se quais são inflamáveis. Os resultados foram observados e anotados. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Síntese do Biodiesel Não foi possível obter as leituras do espectro de infravermelho para o biodiesel, porém foi pesquisado na internet o esperado e adicionado abaixo, na figura 8. O biodiesel é uma alternativa mais sustentável ao diesel, pois é renovável e menos poluente. No entanto, o biodiesel ainda enfrenta alguns desafios, como a falta de infraestrutura para a produção e distribuição, e o alto custo de produção (PRADO et al., 2006). Após a realização de testes laboratoriais, pode-se determinar que os objetivos originais foram alcançados. Foi realizada a síntese e purificação do biodiesel, de modo que os valores de densidade e rendimento obtidos foram maiores, mas muito próximos do esperado, portanto, satisfatórios. Com isso, esse presente experimento contribuiu para um significativo aprendizado, uma vez que pôde-se compreender todos os conceitos químicos envolvidos, além de se assimilar os processos realizados satisfatoriamente, o que auxiliou no aprendizado dos alunos. Biodiesel e suas propriedades. APROBIO, 2017. Disponível em: https://aprobio.com.br/noticia/biodiesel-e-suas-propriedades. Acesso em 28 de Outubro de 2024.