OBTENCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE QUEMADO DE COCINA POR EL MÉTODO ÁCIDO-BASE

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1 OBTENCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITE QUEMADO DE COCINA POR EL MÉTODO ÁCIDO-BASE Velasco Hernández Ma. De los Ángeles 1, Arriaga Estrada Luis Enrique 1, Niño Lozano Armando 1, Sampieri Croda Álvaro 1, Pérez Palma Adolfo 1 1 Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Facultad de Ingeniería Química, Colegio de Ingeniería Ambiental, Avenida San Claudio y 18 sur, Ciudad Universitaria, Colonia San Manuel, Teléfono (01-222) ext ambientalbuap@yahoo.com.mx Resumen El biodiesel es una fuente de energía limpia, renovable y económicamente viable, que además contribuye a la conservación del medio ambiente, por lo que representa una alterativa a los combustibles fósiles. Es un biocombustible sintético líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales., dentro de los aceites vegetales convencionales para la producción de biodiesel se encuentran aceites de girasol, soya, canola (colza), coco, palma, maíz, etc. Por otra parte el objetivo de este trabajo es obtener el biodiesel mediante el método ácido-base de dos tipos de aceite que se utilizan en la cocina. En este caso se escogió el aceite de maíz y canola, además de que fueran residuales por su economía, se analizaron algunas de las propiedades de acuerdo con la ASTM como son: densidad a 15 C, ph, viscosidad cinemática a 40 C y capacidad calorífica, en donde los resultados muestran que los dos tipos de aceite se encuentran dentro de los valores de la capacidad calorífica para generar energía comparada con el diesel. Por otra parte el aceite de maíz es el que muestra mayor rendimiento. Palabras clave: Biodiesel, ácido-base, maíz. Antecedentes Efectos medioambientales de los combustibles fósiles La lluvia ácida y el calentamiento global son dos de los más serios problemas medioambientales relacionados con la utilización a gran escala de los combustibles fósiles. Otros problemas de este tipo, como la contaminación del suelo y el vertido de petróleo, están relacionados directamente con la extracción y el transporte de los combustibles fósiles.

2 Los combustibles fósiles generan contaminantes medioambientales físicos y químicos con un impacto adverso en la salud humana. Los efectos en las personas se manifiestan a corto, medio y largo plazo potenciando los producidos por los contaminantes preexistentes. Afectan principalmente a la población pediátrica, mujeres embarazadas, personas mayores y a las que padecen enfermedades respiratorias y cardiovasculares. La población pediátrica es especialmente vulnerable por su mayor tasa metabólica, inmadurez anatomofisiológica y por su actividad diaria al aire libre. (EPA, 1997). Las enfermedades asociadas oscilan desde banales (conjuntivitis, rinitis, faringitis...) hasta graves y potencialmente mortales (bronquitis asmática, biodiesel con un 80% de diesel de origen fósil) y que pueden usarse generalmente sin modificar el motor, sin embargo también se puede emplear un 100% (B100) de biodiesel. (ASTM). Materias primas para la producción de biodiesel. El biodiesel es producido a partir de los aceites vegetales y grasas animales, como canola o colza, maíz, girasol, palma y soya las materias primas más utilizadas para este fin. Las propiedades del biodiesel son prácticamente las mismas que las del diesel en cuanto a densidad y número de cetano. Además, presenta un punto de inflamación superior. Por todo ello, el biodiesel puede mezclarse con el diesel para su uso en motores e incluso sustituirlo totalmente con pocas adaptaciones. En cuanto a la utilización del biodiesel como combustible en automóviles, ha de señalarse que las características de los ésteres son más parecidas a las del diesel que las del aceite vegetal sin modificar. La viscosidad del éster es dos veces superior a la del diesel frente a diez veces ó más de la del aceite crudo; además el índice de cetano de los ésteres es superior, siendo los valores adecuados para su uso como combustible. (J.M.S. Lizarraga, 2007). Producción de biodiesel El proceso de elaboración del biodiesel esta basado en la llamada transesterificación de los glicéridos, utilizando catalizadores. Los procesos de transesterificación pueden adaptarse para usar una gran variedad de aceites, pudiendo ser procesados además, aceites brutos muy

3 ácidos. El particular interés en los aceites muy ácidos, reside en que generalmente, están fuera de las normas de comercialización y son frecuentemente rechazados por los compradores. El aceite es inicialmente calentado a la temperatura de proceso óptima, y son agregados cantidades necesarias de metanol y catalizador. Luego de ser mezclado, el producto es transportado hacia contenedores, la transesterificación tiene lugar en esos contenedores y la glicerina pura es liberada mediante decantación. Los ésteres son lavados con agua. La glicerina obtenida es separada de los ésteres en pocos segundos, de ese modo es posible obtener biodiesel de muy alta calidad, el cual cumple con todos los requerimientos de las normas estándar Americanas y Europeas. (Ercoli O., y col., 2005) Método ácido-base Para producir biodiesel de forma eficiente a partir de aceites usados hay que evitar un gran problema: la formación de jabón. El jabón se forma durante la transesterificación alcalina catalizada (la reacción que forma el biodiesel) cuando los iones de sodio se combinan con los ácidos grasos libres. El jabón perjudica el rendimiento del proceso porque une a los metilésteres con el agua formando emulsión. Esos ésteres unidos al jabón se pierden en la fase de lavado; es más difícil separar el biodiésel del agua. El proceso aquí explicado centra la atención sobre los ácidos grasos libres. Es un procedimiento sencillo. La primera etapa no es la transesterificación, sino la esterificación. El siguiente paso después de la esterificación es la transesterificación, pero en condiciones ácidas es mucho más lenta que en condiciones alcalinas y no se completa porque depende mucho más del equilibrio. La cantidad de metanol necesaria para que se completara la reacción encarecería mucho el precio del combustible, por eso es necesaria la etapa alcalina. En la primera etapa se forma un compuesto a partir de un ácido y de un alcohol. El alcohol, como en otros procesos, es metanol, pero en vez de hidróxido de sodio el catalizador es ácido sulfúrico. El ácido debe tener una pureza del 95% o más. En la segunda etapa el ión sulfato procedente del ácido sulfúrico se combina con el ión sodio procedente del metóxido de sodio en la segunda etapa para formar sulfato de sodio, que es una sal soluble en agua que se separa del biodiesel durante el lavado. En el biodiesel no queda nada de azufre. (Kac. 2007).

4 Metodología El método utilizado para la producción de biodiesel fue el método ácido-base desarrollado por Kac. (2007), y se describe a continuación: Sustancias: Aceite de cocina quemado Metanol (CH 3 OH ). Acido Sulfúrico ( H 2 SO 4 ). Hidróxido de Sodio (NaOH). Material: Probeta graduada. Reactor Batch por lotes de 1 litro. Circulador con ajuste de temperatura. Agitador magnético Termómetro. Vidrio de reloj. Vaso de precipitado de 80 ml Embudo de separación. Balanza electrónica. Papel filtro. Método ácido-base 1. Filtrar el aceite usado para eliminar impurezas. (Figura 1).

5 Figura 1. Filtrado de aceite quemado para eliminar impurezas. 2. Calentar el aceite hasta 100ºC. Mantener la temperatura hasta que dejen de formarse burbujas y así se elimine la poca agua que contenga. 3. Medir 250 ml de aceite quemado de cocina. (Figura 2 y Figura 3). Figura 2. Aceite de canola Figura 3. Aceite de maíz 4. Calentar el aceite hasta 35ºC; asegurarse de que las grasas sólidas que no se hayan quedado en el filtrado se fundan (Figura 4). Figura 4. Circulador con ajuste de temperatura

6 5. Metanol: con una pureza del 99%. Agregar 20 ml de metanol por cada 250 ml de aceite. Adicionar al aceite caliente el metanol. 6. Agitar durante cinco minutos. Se forma una emulsión. 7. Adicionar 0.25 ml de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) con una concentración del 95%. 8. Mezclar despacio y con cuidado, manteniendo la temperatura a 35ºC. (Figura 5). Figura 5. Reactor Batch Una vez terminado el proceso de producción de biodiesel se realizaron las pruebas de especificaciones de calidad (Apéndice 1). Medición de parámetros de calidad Se realizaron las siguientes mediciones: Densidad a 15ºC. ph. Viscosidad cinemática a 40ºC y Capacidad calorífica. Densidad Para la medición de la densidad se utilizó un picnómetro de 25 ml, que tiene un peso de g., una balanza electrónica y biodiesel. Se debe enfriar la muestra a 15ºC. ph La medición del ph se realizó con un medidor ph electrónico Marca Hanna.

7 Viscosidad cinemática a 40 ºC La muestra se calienta a 40ºC de acuerdo a las especificaciones de calidad de la ASTM. Se utilizó un viscosímetro Brookfield Modelo RVT. (Figura 6). Este dispositivo esta diseñado para medir la viscosidad de fluidos, en esencia, se evalúa la viscosidad del fluido bajo estudio al medir el par (torque) necesario para lograr que un elemento móvil (aguja con disco) inmerso en el fluido alcance una velocidad de rotación especifica. La lectura de porcentaje de par se convierte en viscosidad por medio de un factor empírico (denominado factor Brookfield): µ (centipoises) = Factor x Lectura del viscosímetro Para una exactitud se debe evitar lecturas de torque por debajo del 10%. Figura 6. Medidor de la viscosidad del biodiesel Capacidad calorífica La medición se hizo por DSC (calorimetría diferencial de barrido), es una técnica de análisis térmico empleada en la medida de temperaturas y flujos de calor asociados con transiciones de fases de la materia. (Figura 7). El procedimiento para llevar a cabo la medición es el siguiente: 1. Se colocan en el porta muestra la celda con la muestra a analizar y una celda vacía que esta será la línea base para ver que el equipo este funcionando correctamente.

8 2. Se registra en el programa de la computadora, la línea base a la temperatura inferior, e inmediatamente después se inicia la programación de la temperatura a lo largo del intervalo. 3. Luego se registra la línea base a la temperatura superior. 4. Se hace manualmente la primera indicación de la temperatura en el equipo. 5. Después se repite el procedimiento con una cantidad de muestra a analizar conocida, y se corre la muestra. 6. Finalmente se obtienen los resultados. Figura 7. Instrumento de calorimetría diferencial de barrido. Resultados y discusión Los resultados de las pruebas de calidad se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Resultados obtenidos de la parte experimental Biodiesel B100 Aceite Maíz Canola Especificaciones de calidad del Especificaciones del diesel biodiesel Densidad a 15 C kg/l kg/l Kg/L Kg/L ph Viscosidad cinemática mm 2 / s mm 2 / s mm 2 /s mm 2 /s

9 a 40 C. Capacidad calorífica MJ/kg C MJ/kg C Hasta 30% menos que el diesel. 3.9 MJ/Kg. (PEMEX) En la Tabla 1, muestra que todas las variables que se midieron del biodiesel se encuentran dentro de las especificaciones para el biodiesel, sin embargo la capacidad calorífica representa una variable importante para la generación de energía mostrando que los dos tipos de aceite están dentro de los valores comparado con el diesel, por otra parte en la Tabla 2, se muestran los resultados del rendimiento en donde el aceite de maíz es el que proporciona mayor cantidad de biodiesel. Tabla 2. Rendimiento de biodiesel a partir de 250 ml de muestra Aceite Biodiesel Glicerina Rendimiento Maíz 300 ml 10 ml 290 ml Canola 290 ml 12 ml 278 ml Conclusiones El aceite quemado de cocina es una alternativa de producción de biodiesel, ya que este es un desecho que en todo hogar o establecimiento de comida se puede obtener. El biodiesel es una alternativa a los combustibles fósiles, ya que reduce las emisiones de gases, dióxido de carbono (CO 2 ) y sobre todo no genera emisiones de azufre (SO 2 ). El método ácido base es una técnica completa en la producción de biodiesel. Los resultados obtenidos de las muestras analizadas de biodiesel presentan la propiedad de tener capacidades caloríficas 30% menos que la del diesel y estas están dentro de los valores para generar energía. Agradecimientos

10 Al laboratorio del Colegio de Ingeniería Ambiental de la Facultad de Ingeniería Química en la BUAP y a la Dra. Patricia Amador Ramírez de la Facultad de Ciencias Químicas de la BUAP. Bibliografía Environmental Protection Agency Profile of the Fósil Fuel Electric Power Generation Industry. Washington, DC;. pp Reglamento técnico centroamericano. Biocombustibles. Biodiesel (B100) y sus mezclas con aceite combustible diesel. Especificaciones. Este reglamento es una adaptación de las especificaciones que aparecen en las normas ASTM D y EN 14214:2003. J.M. Sala Lizarraga, C.M. López González Guía de bioenergia; fundación de la energía de la comunidad de Madrid. 22 p. Ercoli O. Marcelo, Lazo Maria José, Saldaño Marcos, Mougenot Aurelien Industrias y servicios; Biocombustibles. 14 p. Dr. KAC Aleks; Journey to forever: Resolución del pleno de la comisión reguladora de energía Con respecto a la solicitud de permiso para generar energía Eléctrica bajo la modalidad de autoabastecimiento presentada por PEMEX exploración y producción para su complejo marino de rebombeo. Resolución Núm. RES/052/96. Pág. 2 Apéndice Apéndice 1. Reglamento técnico centroamericano de biocombustibles. Biodiesel (B100) y sus mezclas con aceite combustible diesel. Este reglamento es una adaptación de las especificaciones que aparecen en las normas ASTM D y en 14214:2003. Características. Unidades. Método de Valores. análisis. Aditivos Reportar A. Contenido de ésteres. Fracción de masa EN min. (%). Densidad a 15 C. Kg/L ASTM D Estabilidad de H EN min. oxidación, 110 C. Punto de inflamación. C ASTM min. B

11 Agua y sedimentos. Viscosidad cinemática a 40 C. Ceniza sulfatada. Fracción de volumen (%). ASTM D máx. mm 2 /s ASTM D C. Fracción de masa (%). ASTM D máx. Contenido de azufre mg/kg ASTM D máx. total D Corrosión tira de cobre, 3 h, 50 C ASTM D- 130 Nº 3 máx. Numero de cetano ASTM D- 613 Punto de C ASTM D Reportar. enturbamiento. E Residuo de carbono. F Fracción de masa (%). ASTM D máx. Numero ácido. mg KOH/g ASTM D máx. Glicerina libre. Glicerina total. Contenido de fósforo. Temperatura de destilación, temperatura equivalente atmosférica, 90 % recuperado. Sodio (Na) y potasio (K) combinado. Fracción de masa (%). Fracción de masa (%). Fracción de masa (%). ASTM D máx. ASTM D máx. ASTM D máx. C ASTM D máx. mg/kg EN máx. Calcio (Ca) y mg/kg EN máx.

12 magnesio (Mg) combinados. Nomenclatura de superíndices del apéndice 1. A: La información que se debe presentar para cada aditivo que se agregó a este producto es la siguiente: Hoja de Datos de Seguridad del Material ( Material Safety Data Sheet ) Proporción agregada del aditivo (mezcla) Propiedad del producto que el aditivo genera o mejora en el mismo, ejemplo: antioxidante, biocida, etc.; Para una completa información sobre contaminación microbiana referirse a la Guía ASTM D Esta información debe ser proporcionada al Ente Nacional Competente, cada vez que se cambia el aditivo. B: Todo resultado fuera del valor especificado hace obligatorio realizar la determinación de contenido de alcohol mediante la norma EN y el resultado debe ser fracción masa (0.20% masa) máximo. C: El límite superior de viscosidad cinemática de 6.5 mm 2 /s, es más alto que el del Diesel base petróleo y debe ser tomado en cuenta cuando sea utilizado para mezcla. D: El B100 es esencialmente libre de azufre. E: El punto de enturbamiento de Biodiesel es generalmente más alto que el del Diesel base petróleo y debe ser tomado en cuenta cuando sea utilizado para mezcla. F: El residuo de carbón debe ser obtenido del 100% de la muestra.