Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA DE QUÍMICA EQO595 – TECNOLOGIA ORGÂNICA EXPERIMENTAL RELATÓRIO FINAL OBTENÇÃO DE BIODIESEL Amanda Loreti Hupsel – 112042603 Felipe Pereira da Silva – 112188124 Gabriel Lopes Espíndola – 111309905 Nathany Lisbôa de Souza e Castro – 111473665 Rio de Janeiro, RJ 2016 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO....................................................................................... 3 2. OBJETIVOS........................................................................................... 5 3. MATERIAIS E MÉTODOS..................................................................... 5 3.1 Materiais e Reagentes................................................................... 5 3.2 Metodologia.................................................................................... 6 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................. 7 5. CONCLUSÃO........................................................................................ 12 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................... 12 3 1. INTRODUÇÃO O Biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis como mamona, girassol, babaçu, amendoim, pinhão manso e soja, que pode ser obtido por processos como o craqueamento, a esterificação ou pela transesterificação. A cor e o odor do biodiesel variam em relação ao óleo vegetal escolhido como matéria-prima indo, em geral, de amarelo claro a alaranjado. Dentre os processos, o mais utilizado é a transesterificação (Figura 1), uma reação química de óleos vegetais ou de gorduras animais com um álcool de cadeia curta, como o etanol ou o metanol, estimulada por catalisador (ácido, base ou enzima). A glicerina extraída nesse prodesso é empregada para fabricação de sabonetes e diversos outros cosméticos. Figura 1: Reação de obtenção do biodiesel (reação de transesterificação). A transesterificação por catálise básica é utilizada quando a quantidade de ácidos graxos livres encontrada no triglicerídeo empregado possui baixo teor (<3%), percentagens elevadas desses haveriam reações de saponificação, diminuindo a eficiência da conversão. Por catálise ácida, quando possuem alto teor de ácidos graxos livres, como é o caso de óleos já utilizados para frituras. A catálise enzimática para produzir biodiesel se dá utilizando-se lipases, enzimas classificadas como hidrolases, que atuam sobre a ligação éster de vários compostos, sendo os acilgliceróis seus melhores susbstratos. A hidrólise de triacilgliceróis é uma reação reversível e, portanto, o equilíbrio pode ser alterado através da variação da concentração de reagentes e/ou produtos. 4 Atualmente, o processo de produção comercial de biodiesel é por via química, mas a enzimática tem despertado o interesse da comunidade científica. O aspecto comum desses estudos consiste na otimização das condições de reação, para estabelecer características que as tornam disponíveis para aplicações industriais. O biodiesel substitui total ou parcialmente o óleo diesel de petróleo em motores ciclodiesel automotivos (de caminhões, tratores, camionetas, automóveis, etc) ou estacionários (geradores de eletricidade, calor, etc). Pode ser usado puro ou misturado ao diesel em diversas proporções. A mistura de 5% de biodiesel ao diesel de petróleo é chamada de B5 até o biodiesel puro, denominado B100. O biodiesel é conhecido desde início do século passado. Segundo registros, o Dr. Rudolf Diesel desenvolveu motor diesel, tendo levado à mostra mundial em Paris, em 1900, usando óleo de amendoim como combustível. Em 1911, teria afirmado que “o motor diesel pode ser alimentado com óleos vegetais e ajudará consideravelmente o desenvolvimento da agricultura dos países que o usarão”. O Brasil já foi detentor de uma patente para fabricação de biodiesel, registrada a partir de estudos, pesquisas e testes desenvolvidos na Universidade Federal do Ceará, nos anos de 1970. Hoje, conta com indústria de biodiesel consolidada, mais de 50 usinas aptas a produzir e comercializar biodiesel, com uma capacidade instalada superior a 6 milhões de metros cúbicos. Desde o início do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB), o Brasil reduziu as importações de diesel em um montante de US$ 5,3 bilhões (ou R$ 9,5 bilhões ao câmbio de 1,80), contribuindo positivamente para a Balança Comercial brasileira. Reduzir a poluição ambiental é hoje um objetivo mundial. O uso de combustíveis de origem fóssil tem sido apontado como o principal responsável pelo agravamento do efeito estufa. Diversos países vêm estimulando a substituição por combustíveis de fontes renováveis, incluindo principalmente o biodiesel, por sua expressiva capacidade de redução da emissão de diversos gases causadores do efeito estufa, como o enxofre. Melhorar as condições ambientais também significa evitar gastos dos governos e dos cidadãos no combate aos males da poluição. 5 2. OBJETIVOS Realizar a síntese do biodiesel em laboratório, em 3 condições diferentes, a partir da reação do triacilglicerídeo (óleo de soja comercial Liza) e do metanol (CH3OH), usando hidróxido de potássio (KOH), bem como realizar a separação das fases obtidas e a secagem com sulfato de sódio (Na2SO4). Identificar e estudar as reações de síntese do biodiesel, além de avaliar os aspectos visuais do produto e realizar o cálculo de rendimento da reação. Avaliando também a influência desses parâmetros no rendimento do produto obtido. 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Materiais e Reagentes Hidróxido de Potássio (KOH) em lentilhas; Metanol P.A.; Óleo de Soja Liza; Espátula; Bécher; Balão de 3 bocas com fundo redondo de 500,0 mL; Placa aquecedora; Agitador magnético; Funil de separação; Proveta de 50,0 mL; Solução de Àcido Clorídrico (HCl) 0,5 %v/v; Água destilada; Garras e argolas; Sulfato de Sódio (Na2SO4). 3.2 Metodologia Biodiesel 1: Dissolveu-se 1,5 g de hidróxido de potássio em lentilhas em 35 mL de metanol, com auxílio de agitação e controle de temperatura (45ºC) até que o hidróxido dissolvesse totalmente, formando o metóxido de sódio. Em um balão de 6 3 bocas com fundo redondo de 500 mL, foram adicionados 100 mL de óleo de soja Liza. O balão foi aquecido em banho maria com agitação até a temperatura de 45 ºC, e com agitação moderada, quando então adicionou-se a solução de metóxido de potássio preparada previamente. Manteve-se o balão nas mesmas condições controladas por mais 45 minutos. Transferiu-se a mistura reacional para funil de separação de fases, onde permaneceu em repouso durante 15 dias. A parte inferior foi recolhida em proveta, onde o volume foi medido. O volume da fase superior foi medido em outra proveta. O biodiesel foi retornado ao funil de separação, onde foi realizada a lavagem. Primeiramente, adicionou-se 50 mL de solução aquosa de ácido clorídrico a 0,5% v/v. após agitação e separação das fases, a fase inferior foi descartada. Em seguida, o mesmo procedimento foi realizado, com a adição de 50 mL de água destilada. Este procedimento com a água destilada foi repetido até que se obtivesse pH 7 na água de lavagem da fase inferior descartada, tendo sido um total de 3 repetições. O biodiesel remanescente foi então acondicionado em frasco de vidro e em semanas posterioresfoi seco com Na2SO4. O volume restante foi medido em proveta. Biodiesel 2: Dissolveu-se 1,5 g de hidróxido de potássio em lentilhas em 50 mL de metanol, com auxílio de agitação e controle de temperatura (45ºC) até que o hidróxido dissolvesse totalmente, formando o metóxido de sódio. Em um balão de 3 bocas com fundo redondo de 500 mL, foram adicionados 100 mL de óleo de soja Liza. O balão foi aquecido em banho maria com agitação até a temperatura de 45 ºC, e com agitação moderada, quando então adicionou-se a solução de metóxido de potássio preparada previamente. Manteve-se o balão nas mesmas condições controladas por mais 45 minutos. Transferiu-se a mistura reacional para funil de separação de fases, onde permaneceu em repouso durante 7 dias. A parte inferior foi recolhida em proveta, onde o volume foi medido. O volume da fase superior foi medido em outra proveta. O biodiesel foi retornado ao funil de separação, onde foi realizada a lavagem. Primeiramente, adicionou-se 50 mL de solução aquosa de ácido clorídrico a 0,5% v/v. após agitação e separação das fases, a fase inferior foi descartada. Em seguida, o mesmo procedimento foi realizado, com a adição de 50 mL de água 7 destilada. Este procedimento com a água destilada foi repetido até que se obtivesse pH 7 na água de lavagem da fase inferior descartada, tendo sido um total de 5 repetições. O biodiesel remanescente foi então acondicionado em frasco de vidro e em semanas posteriores foi seco com Na2SO4. O volume restante foi medido em proveta. Biodiesel 3: Dissolveu-se 1,5 g de hidróxido de potássio em lentilhas em 35 mL de metanol, com auxílio de agitação e controle de temperatura (60ºC) até que o hidróxido dissolvesse totalmente, formando o metóxido de sódio. Em um balão de 3 bocas com fundo redondo de 500 mL, foram adicionados 100 mL de óleo de soja Liza. O balão foi aquecido em banho maria com agitação até a temperatura de 60 ºC, e com agitação moderada, quando então adicionou-se a solução de metóxido de potássio preparada previamente. Manteve-se o balão nas mesmas condições controladas, com temperatura variando entre 55 e 60°C, por mais 45 minutos. Transferiu-se a mistura reacional para funil de separação de fases, onde permaneceu em repouso durante 7 dias. A parte inferior foi recolhida em proveta, onde o volume foi medido. O volume da fase superior foi medido em outra proveta. O biodiesel foi retornado ao funil de separação, onde foi realizada a lavagem. Primeiramente, adicionou-se 50 mL de solução aquosa de ácido clorídrico a 0,5% v/v. após agitação e separação das fases, a fase inferior foi descartada. Em seguida, o mesmo procedimento foi realizado, com a adição de 50 mL de água destilada. Este procedimento com a água destilada foi repetido até que se obtivesse pH 7 na água de lavagem da fase inferior descartada, tendo sido um total de 5 repetições. O biodiesel remanescente foi então acondicionado em frasco de vidro e em semanas posteriores foi seco com Na2SO4. O volume restante foi medido em proveta. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 mostra o volume de biodiesel obtido antes e após a lavagem para cada uma das sínteses descritas anteriormente. 8 Biodiesel Volume de Biodiesel (mL) antes de lavagem e secagem Volume de Biodiesel (mL) após lavagem e secagem Redução do Volume após lavagem e secagem (%) 1 96,5 86 10,9 2 105,2 86 18,3 3 100,5 90 10,4 Tabela 1: Volume de biodiesel antes e após a lavagem e secagem. Observando-se os resultados pode-se comparar o efeito do aumento de álcool utilizado (metanol) e da temperatura de reação no volume e rendimento de biodiesel obtido. O primeiro biodiesel apresentou o menor volume em comparação com os outros. Comparou-se assim a redução do volume de biodiesel após a lavagem e secagem. Comparando-se o primeiro e o segundo biodiesel sintetizados, percebe-se que com o aumento da quantidade de metanol houve a maior redução de volume após lavagem e secagem. Esse resultado já era esperado, pois excesso de metanol não faz com que haja a formação de mais metóxido, além disso, adicionar mais álcool faz com que se aumente também o volume do meio reacional. A presença de água, por sua vez, favorece a hidrólise dos ésteres de ácido graxo formando ácidos carboxílicos que podem ser neutralizados pela base em uma reação de saponificação. Comparando-se o biodiesel 1 e o biodiesel 3 quanto ao volume obtido, podemos avaliar o efeito do aumento da temperatura de reação sobre o rendimento. Desse modo, podemos constatar que o aumento da temperatura de 45°C para 55- 60°C, não teve grandes efeitos nas reduções de volume após lavagem e secagem, apesar de ter, supostamente, gerado mais biodiesel (90,0 mL). Sabe-se que altas temperaturas no meio reacional favorecem a reação de hidrólise dos ácidos graxos, contribuindo para a formação de sabão e diminuindo o rendimento em biodiesel. Dessa maneira, acredita-se que se a síntese for realizada às temperaturas mais altas, como por exemplo de 65 a 70ºC, poderia haver uma diminuição do rendimento em biodiesel, apesar de o aumento da temperatura contribuir para a cinética e velocidade da reação de esterificação. Na Tabela 2 há alguns dados sobre a síntese do biodiesel. 9 Biodiesel Volume (mL) de fase inferior antes da lavagem e secagem % do volume total antes da secagem Volume de fase inferior (mL)+ descartado após lavagem e secagem % do volume total após lavagem e secagem 1 15,0 13,5 25,5 20,9 2 37,0 26,0 56,2 34,8 3 23,0 18,6 33,5 25,0 Tabela 2: Volume de fase inferior e volume de fase inferior + descartado e o que representam em % na síntese. Da Tabela 2 podemos observar que o biodiesel 1 é o que apresentou menor quantidade de fase inferior e fase inferior+descartado com a lavagem e secagem. Sabe-se que a fase inferior no funil de separação, também chamada de fase aquosa, é a que teoricamente apresentava glicerol, sabões, excesso de base e metanol. Nesse caso, é o biodiesel que apresenta a menor quantidade de subprodutos e material não reagido. Em termos práticos, para uma empresa interessada em um produto que gerasse o mínimo de subprodutos e rejeitos, seria o mais propenso a ser escolhido. Da Tabela 2 é interessante observarmos também que o biodiesel 2 é o que apresentou maior volume de fase inferior e, posteriormente, inferior + descartado com a lavagem e secagem. Como já pode se prever, isso também era esperado, uma vez que havia um excesso de metanol no meio reacional. É interessante salientarmos que foram necessárias 3 lavagens no biodiesel 1 e 5 nos biodieseis 2 e 3. Isso nos dá um indicativo de que o biodiesel 1 ainda é o que apresenta melhores características de qualidade com relação aos demais sintetizados. Além dos parâmetros das sínteses diferenciados, salienta-se que o primeiro biodiesel se manteve em repouso durante o dobro de tempo em relação ao demais. Isto pode ter contribuído para o primeiro biodiesel ter necessitado menos lavagens, pois o tempo de separação das outras sínteses pode não ter sido suficiente para que se houvesse uma boa separação de fases. Na Figura 2 há a imagem dos produtos obtidos, onde pode-se observar as características visuais dos mesmos. 10 Figura 2: Produtos obtidos em ordem de síntese Percebe-se, na Figura 2, que o biodiesel 1 visualmente possui a menor turbidez dentre os demais. O aumento da turbidez nos outros dois produtos pode- se dever à presença de água, indicando que a separação e lavagem pode não ter sido bem-sucedida nas sínteses 2 e 3. Considerando que o óleo de soja utilizado apresenta densidadeigual à 0,891g/cm³, podemos calcular a massa de óleo multiplicando a densidade pelo volume de óleo. A massa de biodiesel formada pode ser calculada da mesma forma, adotando a densidade do biodiesel como 0,880 g/cm³, média dos limites inferior e superior dos padrões de qualidade para o Biodiesel da ANP. A Tabela 3 a seguir apresenta os principais ácidos graxos presentes no óleo de soja, destacando-se o ácido oleico, o ácido linoleico e o ácido linolênico. Dessa forma, a massa molar do óleo foi calculada como uma média ponderada das massas molares dos três ácidos majoritários. A porcentagem de cada ácido foi adotada como a média aritmética entre os limites inferior e superior apresentados na tabela: 11 𝑀𝑀 (ó𝑙𝑒𝑜) = (0,245 ∗ 𝑀𝑀 (𝑜𝑙𝑒𝑖𝑐𝑜) + 0,53 ∗ 𝑀𝑀(𝑙𝑖𝑛𝑜𝑙𝑒𝑖𝑐𝑜) + 0,075 ∗ 𝑀𝑀(𝑙𝑖𝑛𝑜𝑙𝑒𝑛𝑖𝑐𝑜)) 0,245 + 0,53 + 0,075 Tabela 3: Composição típica do óleo de soja. (Fonte: ANVISA) Para o cálculo da massa molecular do biodiesel formado, a massa molecular do óleo foi somada com o triplo da massa molecular do metanol e subtraída da massa molecular do glicerol formado. A expressão para o cálculo está representada a seguir: 𝑀𝑀(𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙)= 𝑀𝑀(ó𝑙𝑒𝑜)+3∗𝑀𝑀(𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙)−𝑀𝑀(𝑔𝑙𝑖𝑐𝑒𝑟𝑜𝑙) De posse das massas do óleo e do biodiesel e as respectivas massas moleculares, os números de mols de ambos foram calculados pela divisão da massa pela massa molecular. Finalmente, considerando que para cada mol de óleo consumido, 1 mol de biodiesel é formado, o rendimento da reação foi obtido como a razão entre o número de mols do biodiesel e o número de mols de óleo. 𝑋 = 𝑛º 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑛º 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑑𝑒 ó𝑙𝑒𝑜 Na Tabela 4 há as massas molares utilizadas para os cálculos anteriores. Oleico Linoleico Linolênico Metanol Glicerol Óleo Biodiesel MM(g/mol) 282,46 280 278 32,04 92,09 279,96 284 Tabela 4: Massas molares utilizadas nos cálculos 12 A Tabela 5 resume as massas calculadas e o número de mols de biodiesel e óleo em cada experimento, além dos valores de rendimento para cada um. Biodiesel V biodiesel (mL) após lavagem e secagem nº mols óleo nº mols biodiesel Rendimento (%) 1 86,0 0,3183 0,2665 83,73 2 86,0 0,3183 0,2665 83,73 3 90,0 0,3183 0,2789 87,62 Tabela 5: Cálculos dos rendimentos. Analisando a Tabela 5, percebe-se que o biodiesel 3 apresentou o maior rendimento, igual à 87,62% e os demais apresentaram rendimentos iguais, 83,73%. As principais perdas durante a síntese que podem afetar o rendimento são referentes à formação de sabão pela hidrólise do triglicerídeo, à reação incompleta de transesterificação e perdas durante a lavagem do biodiesel. Cabe afirmar ainda que, para termos certeza se o biodiesel sintetizado está dentro das especificações pedidas por órgãos responsáveis, caberia uma etapa posterior de caracterização e melhor análise do mesmo. 5. CONCLUSÃO Conclui-se que, na presente prática foi possível observarmos como alguns parâmetros influenciam o rendimento do biodiesel sintetizado. Os parâmetros estudados foram o volume de metanol e a temperatura do meio reacional. Os rendimentos de uma forma geral foram altos, atingindo o valor máximo 87,63% para o biodiesel 3, o que indica que a síntese de biodiesel por catálise básica é eficiente, bastando um controle adequado dos parâmetros. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Biodiesel :Parâmetros de qualidade e métodos analíticos - Quim. Nova, Vol.32, No16, 1596- 1608, 2009 BRANDÃO, C. R. R., MACHADO, P. F.L, SUAREZ, P.A Z. AS INTERAÇÕES MOLECULARES NOS ÓLEOS VEGETAIS E NO BIODIESEL 13 COSTA NETO, P. R.; ROSSI, L. F. S. Produção de biocombustível alternativo ao óleo diesel através da transesterificação de óleo de soja usado em frituras. Química Nova, v. 23, n. 4, p. 531- 537, 2000.; MAÇAIRA, A.M.P. et al. Manual de práticas de Química Orgânica Experimental II. Instituto de Química –Departamento de Química Orgânica, 2008. MME. Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel. Disponível em: <http://www.mme.gov.br/programas/biodiesel/menu/biodiesel/perguntas.html> Acesso em 24 nov 2016. OLIVEIRA, L. B. Potencial de aproveitamento energético de lixo e de biodiesel de insumos residuais no Brasil. 2004. 237 p. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Programa de Pós- Graduação de Engenharia, COPPE, Rio de Janeiro.; Síntese de biodiesel: uma proposta contextualizada de experimento para laboratório de química geral - Roberto Rinaldi; Camila Garcia; Letícia Ledo Marciniuk; Adriana Vitorino Rossi; Ulf Schuchardt*
Compartilhar