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Biodiesel production through esterification applying ionic liquids as catalysts

O presente trabalho é resultado de um convênio de dupla diplomação com Instituto Politécnico de Bragança (IPB)

Autor principal:	Roman, Fernanda Fontana
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2020
Assuntos:	Biodiesel Controle de custo Catalisadores Biodiesel fuels Cost control Catalysts CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/16438
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id	riut-1-16438
recordtype	dspace
spelling	riut-1-164382021-12-10T20:40:00Z Biodiesel production through esterification applying ionic liquids as catalysts Roman, Fernanda Fontana Lenzi, Giane Gonçalves Brito, Paulo Miguel Pereira de Pinho, Simão Pedro de Almeida Silva, José António Correia Brito, Paulo Miguel Pereira de Biodiesel Controle de custo Catalisadores Biodiesel fuels Cost control Catalysts CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA O presente trabalho é resultado de um convênio de dupla diplomação com Instituto Politécnico de Bragança (IPB) Biodiesel is a liquid fuel obtained from several renewable sources by transesterification reaction of triglycerides. Its development is related to a new tendency: the search for alternatives to petroleum-based energy sources. Its utilization is associated with several environmental benefits, such as a reduction in pollutants emissions. However, due to the high cost associated to its usual feedstock, such as edible vegetable oils, biodiesel is not economically viable. Therefore, there’s a requisite to decrease the final price of this fuel. The logical way is by introducing cheaper feedstock into the industrial production, such as non-edible feedstock or waste cooking oil. The main characteristic of cheaper feedstock is the high content of free fatty acids (FFAs) and/or water when compared to edible feedstock. FFAs present on the feedstock must be converted into biodiesel, also referred to as fatty acid methyl esters (FAMEs), by an esterification reaction. The esterification reaction cannot be catalyzed by alkali catalyst, usually applied in the transesterification such as NaOH or KOH. Alkali catalysts in the presence of FFAs lead to the formation of soap, consuming the catalyst, decreasing its catalytic activity and turning the separation of the final products much more complex. Hence, only acidic catalysts are able to promote the esterification reaction of FFAs. Those acidic catalysts are able to catalyze both reactions, however, the rate of the transesterification reaction is about 4000 times slower than for the reactions promoted by alkali catalysts [1,2], leading to long reaction times and, again, high costs. In this way, there is an increasing need to find alternative catalysts that promote both the transesterification and the esterification reaction under adequate conditions. Thus, ionic liquids emerge as an alternative to conventional catalysts. Ionic liquids are molten salts composed of an organic or inorganic anion and an organic cation. The present study evaluated the use of the catalyst 1-methylimidazolium hydrogen sulfate ([HMIM][HSO4]) in the production of biodiesel through the esterification reaction of oleic acid. The influence of the main parameters (time, temperature, molar ratio methanol/oleic acid and catalyst dosage) on two responses (conversion of oleic acid and FAME content of the viii biodiesel samples) were studied through a response surface methodology (RSM) known as Box-Behnken Design (BBD). It was concluded that the most relevant parameters for both responses were the molar ratio between the reactants and the catalyst dosage. The optimum conditions for the conversion were determined as being 8 h, 110 °C, 15:1 molar ratio methanol/oleic acid and a catalyst dosage of 15 wt%, resulting in a 95% conversion and for the FAME content were 8 h, 110 °C, 14:1 molar ratio and a catalysts dosage of 13.5 wt%, leading to a content of 90%. The kinetics of the reaction were also studied. The activation energy was estimated as 6.8 kJ/mol and the pre-exponential factor as 0.0765 L2.mol-2.min-1. O biodiesel é um combustível líquido obtido a partir de fontes renováveis através da reação de transesterificação de triglicerídeos. O interesse por este combustível está relacionado com uma nova tendência: a procura de alternativas às fontes de energia baseadas em petróleo. A sua utilização está associada a vários benefícios ambientais, como a redução da emissão de poluentes. No entanto, devido ao elevado custo associado à sua matéria-prima usual, como os óleos vegetais comestíveis, o biodiesel não é no momento atual economicamente viável. Portanto, há uma necessidade de reduzir o preço final deste combustível. Uma das formas de reduzir os custos será a de se utilizarem matérias-primas mais baratas no processo de produção, como óleos usados ou não comestíveis. A principal característica dessas matérias-primas mais baratas é a baixa qualidade quando comparada com os óleos comestíveis. Esta baixa qualidade está normalmente associada a um alto teor em ácidos gordos livres (AGL) e/ou água. Os AGLs presentes na matéria-prima devem ser convertidos em biodiesel, também conhecido por ésteres metílicos de ácidos gordos (Fatty Acid Methyl Esters: FAME), por uma reação de esterificação. A reação de esterificação não pode ser promovida por catalisadores alcalinos, geralmente aplicados na transesterificação, como o NaOH ou o KOH. Os catalisadores alcalinos na presença de AGLs levam à formação de sabão, consumindo o catalisador, diminuindo a sua atividade catalítica e tornando a separação dos produtos finais mais complexa. Apenas os catalisadores ácidos são capazes de promover a reação de esterificação de AGLs. Os catalisadores ácidos são capazes de catalisar ambas as reações, no entanto, a velocidade da reação de transesterificação é cerca de 4000 vezes mais lenta do que quando se utilizam catalisadores alcalinos [1,2], levando a longos tempos de reação e, consequentemente, custos elevados de produção. Desta forma, existe uma crescente necessidade de encontrar catalisadores alternativos que promovam tanto a reação de transesterificação quanto a reação de esterificação em condições mais favoráveis. Atualmente, os líquidos iónicos têm sido utilizados como uma alternativa aos catalisadores convencionais. Os líquidos iónicos são sais fundidos compostos por um catião orgânico e um anião orgânico ou inorgânico. No presente estudo avalia-se a utilização do catalisador hidrogenossulfato de 1-metilimidazólio ([HMIM][HSO4]) na produção de biodiesel através da reação de esterificação do ácido oleico. A influência dos principais parâmetros (tempo, temperatura, razão molar metanol/ácido oleico e quantidade de catalisador) foi estudada através de uma metodologia de superfície de resposta conhecida por Box-Behnken Design (BBD), avaliando duas repostas: a conversão de ácido oleico e o conteúdo de FAMEs. Concluiu-se que os parâmetros mais relevantes para ambas as respostas foram a razão molar entre os reagentes e a quantidade de catalisador. As condições ótimas para a conversão foram determinadas como sendo 8 h, 110°C, 15:1 relação molar metanol/ácido oleico e uma quantidade de catalisador de 15% em massa, resultando numa conversão de 95% e para o conteúdo de FAMEs foram 8 h, 110 °C, uma razão molar de 14:1 e uma dosagem de catalisador de 13,5% em peso, conduzindo a um conteúdo de ésteres metílicos de ácidos gordos de 90%. Foram também determinados os parâmetros cinéticos da reação. A energia de ativação foi estimada em 6.8 kJ/mol e o fator pré-exponencial em 0.0765 L2.mol-2.min-1. 2020-11-19T20:20:08Z 2020-11-19T20:20:08Z 2018-06-05 bachelorThesis ROMAN, Fernanda Fontana. Biodiesel production through esterification applying ionic liquids as catalysts. 2018. 101 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Ponta Grossa, 2018. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/16438 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Ponta Grossa Brasil Departamento Acadêmico de Engenharia Quimica Engenharia Química UTFPR
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Biodiesel production through esterification applying ionic liquids as catalysts

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