Proyecto-de-investigacion-biodiesel1.docx

“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN” FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

CURSO

: BIOQUÍMICA APLICADA

TEMA

: EVALUACIÓN DE UN CATALIZADOR HETEROGÉNEO

(CaO) EN LA OBTENCIÓN DEL BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE RECICLADO PRESENTADO POR: ● ZAVALA RIVEROS, KATHERINE GABRIELA ● CUMPA PINEDO, MARIA DE LOS ANGELES ● HUILLCA MAMANI, JENIFER ● ALMANZA OBREGÓN, SHERLIN DAYANA DOCENTE TURNO

: ING. MARCIA QUEQUEZANA BEDREGAL : “C”

Arequipa-Perú 2017 1

EVALUACIÓN DE UN CATALIZADOR HETEROGÉNEO (CaO) EN LA OBTENCIÓN DEL BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE RECICLADO Katherine Zavala, Maria de los Angeles Cumpa, Jenifer Huillca, Sherlin Almanza Escuela Profesional de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería de Procesos, Universidad Nacional de San Agustín, Arequipa, Perú

RESUMEN Este proyecto pretende evaluar un catalizador heterogéneo (CaO) en la obtención del biodiesel a partir de aceite reciclado aprovechando un residuo que actualmente no genera un valor agregado. Tomando en cuenta que una gran parte de la población ocupa aceite para cocinar, sin darse cuenta que un litro de aceite comestible, contamina cerca de un millón de litros de agua, se implementó un uso para que éste aceite quemado cree una alternativa ecológica llamado “biodiesel”. El Biodiesel se produce gracias a una reacción química denominada transesterificación, lo que significa que el glicerol contenido en los aceites es sustituido por un alcohol, en este caso sería el metanol, ante la presencia de un catalizador que en este caso es CaO. El proceso de producción de este biocombustible comprende, a grandes rasgos, las siguientes etapas: filtración, valoración, reacción de transesterificación, decantación. Finalmente, el biodiesel es lavado y finalmente secado para terminar de extraer las impurezas. ABSTRACT This project aims to evaluate a heterogeneous catalyst (CaO) in the production of biodiesel from recycled oil, taking advantage of a waste that currently does not generate added value. Taking into account that a large part of the population occupies oil for cooking, without realizing that a liter of edible oil contaminates nearly one million liters of water, a use was implemented so that this burnt oil creates an ecological alternative called "biodiesel". Biodiesel is produced thanks to a chemical reaction called transesterification, which means that the glycerol contained in the oils is replaced by an alcohol, in this case it would be methanol, in the presence of a catalyst that in this case is CaO. The production process of this biofuel comprises, in broad strokes, the following stages: filtration, titration, transesterification reaction, decantation. Finally, the biodiesel is washed and finally dried to finish removing the impurities.

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1.-INTRODUCCIÓN: Los catalizadores heterogéneos son aquellos que se encuentran en una fase diferente a la de los reactantes. Es decir, que no se encuentran disueltos en el alcohol o aceite, sino que se encuentran en fase sólida. Por tanto, la reacción se llevará a cabo en presencia de dos fases líquidas inmiscibles (aceite y alcohol) y una fase sólida (catalizador sólido). Tienen grandes ventajas sobre los catalizadores homogéneos en la transesterificación catalítica para producir biodiesel, ya que se pueden separar fácilmente de la mezcla producto, disminuyendo así las necesidades de agua durante la purificación del biodiesel. Los catalizadores heterogéneos pueden ser ácidos o básicos. Sin embargo, a diferencia de los sistemas homogéneos, la adsorción de especies y desorción de productos se lleva a cabo en la superficie del catalizador sólido. Se ha demostrado que los catalizadores heterogéneos básicos compuestos por óxidos de metales alcalinotérreos son eficientes en la transesterificación de aceites vegetales, tienen una fuerte capacidad básica y un bajo costo. Este tipo de catalizadores son sensibles a altos contenidos en ácidos grasos libres, siendo necesario un pretratameinto para disminuir su contenido, y así mantener buenos rendimientos de la reacción. Los catalizadores heterogéneos ácidos tienen la capacidad de catalizar las reacciones de esterificación y transesterificación simultáneamente. Esto se debe a que este tipo de catalizadores no se ven afectados por la presencia de agua o de ácidos grasos libres. Además, con estos catalizadores se elimina la etapa de lavado del biodiesel, se minimizan los problemas de corrosión y son fácilmente regenerables. Obtención de biodiesel por catálisis heterogénea: De los catalizadores heterogéneos básicos, objetos de estudio en este trabajo de investigación, los óxidos metálicos son los más estudiados. Hay varios óxidos metálicos que se han empleado en la reacción de transesterificación para la evaluación de biodiesel: ● Óxido de calcio, ● Óxido de magnesio, ● Óxido de estroncio, ● Óxidos mixtos e hidrotalcitas. Concretamente, el CaO es el sólido catalítico básico más ampliamente utilizado ya que presenta muchas ventajas tales como larga vida del catalizador, alta basicidad, alta actividad, bajo costo y requiere condiciones de reacción moderadas. Además, el CaO ha atraído la atención debido a que existen varias fuentes de calcio natural procedentes de desechos, tales como cáscaras de huevo, conchas de moluscos o excrementos de animales. Estos residuos están compuestos de carbonato cálcico que al ser calcinados se transforman en óxido de calcio, adecuado para ser utilizado como catalizador básico para la producción de biodiesel.

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Sin embargo, el mayor inconveniente presentado por el óxido de calcio es que requiere una activación térmica antes de ser utilizado en la reacción con el fin de eliminar la humedad y el CO2 adsorbido sobre la superficie. Por tanto, es necesario trabajar bajo atmósfera inerte para evitar la desactivación del catalizador por carbonatación. El carácter básico del CaO puede ser incrementado añadiendo un elemento metálico sobre su superficie. CATALIZADORES HETEROGÉNEOS EMPLEADOS TRANSESTERIFICACIÓN DE TRIGLICÉRIDOS:

EN

LA

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Óxidos de metales alcalinotérreos: Los óxidos de metales alcalinotérreos (MgO, CaO, SrO y BaO) son conocidos como catalizadores tipo óxidos metálicos básicos; en consecuencia, son susceptibles de utilizarlos en reacciones de transesterificación de aceites vegetales. Son catalizadores promisorios porque son más económicos, menos solubles que los óxidos metálicos del grupo I y la mayoría de ellos no son tóxicos. A. Kiss, A. C. Dimian, G. Rothenberg, “Solid acid catalysts for biodiesel production towards sustainable energy” Adv. Synth. Catal., 348, 75– 81, 2006. M. Zabeti, W. M. A.W. Daud, M. K. Aroua, “Activity of solid catalysts for biodiesel production: a review”, Fuel Process Technol., 90, 770-777, 2009.

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El CaO es el catalizador sólido básico más ampliamente estudiado, ya que presenta varias ventajas, entre las que se encuentran una larga vida útil, alta actividad catalítica y sólo requiere de condiciones moderadas de reacción. Por otro lado, el CaO ha atraído mucho la atención por sus diversas fuentes naturales a partir de desechos, como las cáscaras de huevo o conchas de moluscos; estos depósitos representan una fuente de CaCO3 que, al ser calcinados, producen óxido de calcio. N. Viriya-empikul, P. Krasae, B. Puttasawat, B. Yoosuk, N. Chollacoop, K. Faungnawakij, “Waste shells of mollusk and egg as biodiesel production catalyst”, Bioresource Technol., 101,3765–3767, 2010. YB. Cho, G. Seo, “High activity of acid-treated quail eggshell catalyst in the transesterification of palm oil with methanol”. Bioresource Technol, 101, 8515–8519, 2010.

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Las zeolitas son una clase de aluminosilicatos cristalinos basados en un esqueleto estructural aniónico rígido, con canales y cavidades bien definidas. Estas cavidades contienen cationes metálicos intercambiables (Na+, K+, etc.) y pueden retener moléculas huésped removibles y reemplazables. Las zeolitas como catalizadores son muy útiles porque ofrecen un área superficial interna considerable, además son cristalinas y por tanto pueden prepararse con un alto grado de reproducibilidad. Sin embargo su actividad catalítica en las reacciones de transesterificación es relativamente baja. Esto se debe principalmente a la limitación de la difusión de los reactivos voluminosos (triglicéridos) en la estructura micro poroso de la zeolita. L. Smart, E. Moore, Química del estado sólido. Wilmington, Delaware, E. U. A. 1995. p. 191.

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2.- PROBLEMA: Al utilizar el NaOH en la producción convencional de biodiesel a partir de aceite reciclado se obtiene la glicerina como producto secundario siendo más tóxica con este catalizador. Es por eso que se está dando una nueva alternativa utilizando otros catalizadores heterogéneos como el CaO que disminuirán los niveles de toxicidad de la glicerina, asimismo se aprovechará la utilización de un desecho orgánico como la cáscara de huevo para poder obtener el CaO utilizado como catalizador y reemplazando el NaOH utilizado en la producción de biodiesel convencional a partir de aceite reciclado. 3.- HIPOTESIS: Se espera obtener un mejor rendimiento del biodiesel a partir de aceite reciclado con el catalizador heterogéneo CaO. 4.- MATERIALES:

Implementos de seguridad  Mandil blanco  Guantes  Lentes  Mascarilla Materiales de laboratorio            

Condensador Bushner Termómetro Estufa Balanza Equipo para decantación Probetas Vasos precipitados Manguerillas Soporte universal Gasa Papel filtro

Reactivos    

200 ml de aceite de cocina usado 50 ml de metanol 3 gr de CaO Agua destilada

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5.- METODOLOGÍA:

 Obtener a partir de cáscara de huevo el CaO: Para ello se recolectará cáscara de huevo y se triturará en un mortero. Para disminuir el tamaño de partícula de la cáscara de huevo triturado y homogeneizar, se usó un mortero. El material pulverulento obtenido se introducirá en un recipiente cerámico el cual se debe calcinar a 1000ºC durante 10 horas. El enfriamiento se realizará con una rampa de 5ºC/min hasta los 200ºC. El CaO obtenido se extraerá de la mufla a esa temperatura y se introducirá en el desecador con cuidado para evitar su hidratación. Posteriormente, cuando alcance la temperatura ambiente, se introducirá en un bote con doble tapa, moliéndolo previamente. La descomposición térmica del a CaO se produce aproximadamente a unos 840ºC, por esta razón se alcanzará una temperatura de 1000ºC en la calcinación de la cáscara de huevo triturada, asegurando su completa descomposición.  Método de obtención del biodiesel: 1) Filtración, como el aceite utilizado es de fritura, es posible que contenga partículas de comida, las cuales contienen agua. Por lo tanto el aceite será calentado a 45°C aproximadamente para otorgarle una mayor fluidez a través del filtro y luego será secado, calentándolo a 80°C con el fin de quitarle los restos de agua. 2) Se monta todo el conjunto de reacción, es decir, se colocará la tapa del reactor, luego el agitador, el sistema de refrigeración y los tapones correspondientes. El aceite obtenido junto al metanol es colocado en un reactor para luego ser llevado a un proceso de refrigeración. 3) Una vez que el aceite alcance la temperatura de reacción se retira el tapón y se introduce el catalizador sólido con ayuda de un embudo. La reacción comienza en el momento que la mezcla alcanza de nuevo la temperatura preestablecida. 4) Se llevará a cabo una filtración a vacío para separar el sólido catalítico. El filtrado, que contiene los productos de la reacción, se introducirá en un embudo de decantación para la separación de fases. La mezcla del producto de la reacción estará formada por dos fases: Una que contiene los metilesteres (biocombustible) y la otra la Glicerina. En la parte inferior del embudo de decantación se depositará la glicerina debido a que es más densa que el biocombustible. 5) Una vez finalizada la decantación, se llevará a cabo un proceso de centrifugado a temperatura a 70ºC por dos horas, para eliminar los restos de metanol. En este caso no se lleva a cabo lavado con ácido y agua, pues el catalizador sólido se elimina por filtración.

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6) Una vez finalizada la purificación se obtendrá el biocombustible puro, el cual será almacenado en frascos de cristal individuales para, posteriormente, analizarlo mediante medidas de índice de acidez, viscosidad y densidad.

PROCESO DE LA OBTENCIÓN DEL CATALIZADOR (CaO): 

Se colocó 15 gr de cascara de huevo en la mufla a 800ºC por 4 horas:

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Luego se dejó en el desecador por 24 horas para evitar el contacto con el ambiente y que absorba humedad

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Se obtuvo el CaO (catalizador heterogéneo)

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PROCESO DEL BIODIESEL: Peso del aceite reciclado:  Vaceite = 200 ml

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Se llegó a una temperatura de 80ºC

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Se improvisó un balón de 3 cuellos de manera rústica por esta razón quizá no salió el rendimiento que se esperaba.

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Se filtró al vacío por 30 min

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Se colocó en una pera de decantación por 4 días

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Obteniendo la glicerina y el Biodiesel y se analizaron, calcularon sus propiedades

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6.- RESULTADOS: 

Calculo de la densidad del aceite reciclado: m = 15.16 g V = 19 mL m 54.89 g ρ= = V 60 mL ρ = 0.9148 g/mL

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Calculo de la densidad del biodiesel obtenido en el proceso: m = 15.16 g V = 19 mL m 15.16 g ρ= = V 19 mL ρ = 0.7978 g/mL



Calculo de la densidad de la Glicerina obtenida en el proceso:

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m = 15.16 g V = 171 mL m 151.54 g ρ= = V 171 mL ρ = 0.8861 g/mL 

Calculo del % en peso de la glicerina:

Densidad del metanol: ρ =0.792 gr/ml Volumen del Metanol: V = 50 ml 

Masa del metanol calculada: 𝑚 𝑚 𝜌= 𝑉 → 0.792 gr/ml = 50 𝑚𝑙

→

m = 39.6 gr

Volumen del aceite: Vaceite = 200 ml 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

% P/V = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 39.6

% P/V = 250 𝑥 100 % P/V = 15.84 % 

Calculo del Rendimiento del biodiesel: % rendimiento biodiesel =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝐵𝑖𝑜𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 ( 𝑚𝑙) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (𝑚𝑙)

𝑥 100

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% R. B. = 200 𝑥 100= % R.B. = 9.5 %

7.- OBSERVACIONES:

•

•

No se pudo utilizar equipos adecuados para los procesos de obtención del biodiesel, por lo que se adaptó equipos para realizar el proyecto. Este factor pudo influir en el rendimiento del biodiesel. En el proceso de decantación se presentaron tres fases; la glicerina, el biodiesel y el sólido catalítico, esto se debió a que no se realizó un buen filtrado.

8.- CONCLUSIONES:

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Se obtuvo biodiesel usando como catalizador heterogéneo oxido de calcio (CaO) a partir de cascara de huevo.

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El volumen de glicerina obtenida en el proceso fue mucho mayor con respecto al volumen del biodiesel final, debido a las condiciones en que se trabajó.

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El rendimiento fue de 9.5%, por lo tanto no se logró maximizar la producción de biodiesel.

9.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

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M. Balat, “Production of biodiesel from vegetable oils: a survey”, Energy Source Part. A, 29, 895–913, 2007

● G. C.C.Ortega, E.R.A.Mercado, Beatriz M. C.Arrieta (2014) Transesterificación de aceites vegetales empleando catalizadores heterogéneos. Recuperado de: http://www.scielo.org.co/pdf/prosp/v12n2/v12n2a10.pdf ● C. Santana (2017).Obtención de biodiesel por catálisis heterogénea con catalizadores alcalinos. Aceite procedente de cultivos energéticos. Recuperado de:https://riull.ull.es/xmlui/bitstream/handle/915/5116/Obtencion%20de%20bio diesel%20por%20catalisis%20heterogenea%20con%20catalizadores%20alca linos.%20Aceite%20procedente%20de%20cultivos%20energeticos.pdf?sequ ence=1

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