Optimización del rendimiento de Biodiesel utilizando catalizadores con precursor de Cobre (Cu) y Oxido de Silicio (SiO2)

Transcripción

1 174 Optimización del rendimiento de Biodiesel utilizando catalizadores con precursor de Cobre (Cu) y Oxido de Silicio (SiO2) AVELINO-ROSAS, Roberto, GONZALES-DIAZ, Yolanda, JUAREZ-CORTES, Erik & MALDONADO-SUAREZ, Pedro Universidad Tecnológica de Tecamachalco Recibido 17 de Enero, 2015; Aceptado 11 de Marzo, 2015 Resumen Debido a la preocupación mundial por la escasez del petróleo y por la disminución del cambio climático global. Este proyecto tiene como fin la fabricación del biodiesel a partir de aceite de reúso como combustible incorporándole un catalizador Cu como precursor soportado en SiO2. El biodiesel es un combustible biodegradable, no tóxico, que se produce a partir de los aceites vegetales por medio de la transesterificación de los triglicéridos (grasas) con metanol. Para que las reacciones químicas de la obtención del biodiesel sean óptimas, utilizando aceite de reúso como materia prima y metanol en una proporción molar de 2:1, ya que la conversión de los triglicéridos en ácidos grasos es elevada y el tiempo de reacción es corto. La utilización del biodiesel permite la reducción equilibrada de gases de efecto invernadero generados por la utilización de combustibles fósiles. Por lo tanto, la sustitución parcial o total de biodiesel en los motores diésel producirá una fuerte disminución en el calentamiento global del planeta. Fotodetector, Caracterización, Transimpedancia, ancho de banda Abstract. Due to the global concern about the shortage of oil and the reduction of global climate change. This project aims at making biodiesel from oil reuse as fuel incorporating Cu as a catalyst precursor supported on SiO2. Biodiesel is a non-toxic biodegradable fuel which is produced from vegetable oils by the transesterification of triglycerides (fats) with methanol. For chemical reactions to obtain biodiesel are optimal, using reuse oil feedstock and methanol in a molar ratio of 2: 1, since the conversion of triglycerides to fatty acids is high and the reaction time is short. The use of biodiesel allows the balanced reduction of greenhouse gases generated by the burning of fossil fuels. Therefore, the partial or total replacement of biodiesel in diesel engines produce a sharp decline in global warming. Photodetector, Transimpedance, Characterization, Bandwidth Citación: MALDONADO- SUAREZ, Pedro. Optimización del rendimiento de Biodiesel utilizando catalizadores con precursor de Cobre (Cu) y Oxido de Silicio (SiO2). 2015, 2-2: Investigador contribuyendo como primer autor. ECORFAN-Bolivia

2 Introducción La investigación y desarrollo de combustibles alternos en los últimos años ha puesto énfasis en mejorar el rendimiento y los costos de obtención de biocombustibles que permita la incorporación al mercado en mayor cantidad, esto ha ocasionado mejoras en las técnicas de obtención de biocombustibles con el objetivo de optimizar el rendimiento, una de las técnicas que se describen en este proyecto es la utilización de aceite vegetal usado y catalizadores que utilizan como elemento precursor al Cobre (Cu), soportado por Oxido de Silicio (SiO2).Actualmente, los distintos tipos de combustibles en base a la biomasa, están recibiendo extrema atención en la preservación, mejora y el cuidado del medio ambiente, así también, por la cada vez más cerca culminación de los hidrocarburos derivados del petróleo. Los biocombustibles se presentan de forma sólida, líquida o gaseosa para el sector de transporte, y son producidos a través de la biomasa como materia prima básica. Los biocombustibles pueden producirse de distintas fuentes biológicas, que son renovables, sostenibles, de carbono biodegradable, neutral para el ciclo de la vida y respetuosos con el medio ambiente. Muchos de los biocombustibles tienen opciones muy atractivas para el futuro del sector del transporte como el biodiesel, bioetanol, biometanol y biohidrógeno. 175 Objetivo Explorar los efectos del uso de un catalizador dopado con metales de transición en distintos porcentajes a base de cobre por ser considerado como un metal seminoble, favorece el aglomeramiento del catalizador ocasionando que sea separado fácilmente del biodiesel después de la reacción. El Cu favorece el rendimiento en la fabricación del biodiesel y mantienen su actividad catalítica. Metodología Se propone una técnica de elaboración de biodiesel la cual muestra resultados que cumplen con la calidad del biodiesel, según las normas internacionales, proponiendo lo siguiente: - La búsqueda y optimización de un catalizador que haga eficiente la producción del biodiesel. - Poseer un sistema menos contaminante. - Procesar cualquier tipo de aceite de desecho. - Facilidad en la limpieza de residuos. - Tener una baja relación de costo / actividad. Técnica de impregnación - Se coloca la cantidad de soporte en un vaso de precipitado (5.0 g). - Se adiciona la sal precursora de Cu requerido. - Se agita para homogenizar. - Se evapora a 70 C durante 24 horas.

3 176 - Se calcina en una mufla a 800 C durante 4 horas. Figura 2 Catalizador, antes y despues de entrar a la mufla Figura 1 SiO2 como soporte y Cu (NO3)2 como precursor Cálculos para la preparación del catalizador Se prepararon catalizadores al 10% y 20% de cobre soportados en SiO2 los cálculos son los siguientes: Características del Sistema de reacción Las pruebas para la obtención del biodiesel fueron llevadas a cabo utilizando un reactor de vidrio sellado herméticamente. Figura 3 Reactor para la obtención del biodiesel. Para el método de impregnación se realizó lo siguiente: - Pesar 5 g de SiO2 más la sal precursora con el peso correspondiente según el porcentaje de esta más agua hasta cubrir el catalizador - Incrementar la temperatura lentamente a 80 C hasta evaporar totalmente el agua. - Secado del catalizador en una mufla para realizar el proceso de calcinación y activación a una temperatura de 800 C durante 4 horas.

4 177 Proceso de recolección de la materia prima Para este trabajo se investigación se contó con el apoyo de una Marisquería del Municipio de San Hipólito, Puebla, donde me proporcionaron el aceite de desecho y de ahí se desarrollaron todas las pruebas. Figura 6 Proceso de esterificación Operación de decantación y separación Figura 4 Materia prima para biodiesel Operación de filtrado El aceite usado contiene una gran cantidad de residuos sólidos del proceso de freír los múltiples productos alimenticios, por lo tanto es indispensable que exista la operación de filtración para retener estas partículas de gran tamaño. Esto se realizó con un simple embudo coladera y un trapo de algodón, como se muestra en la imagen siguiente. Después que se llevó a cabo el proceso de esterificación, se pasa el producto a un embudo de separación para que durante 24 horas, posteriormente realicemos la separación del alcohol metílico del aceite, donde el segundo queda en la parte de abajo. Figura 7 Proceso de decantación y separación Eliminación del agua En el aceite esterificado. Para ello calentamos la mezcla sobre la parrilla y el reactor abierto, en un tiempo aproximado de 2 hrs hasta que se evapore toda el agua. Figura 5 Proceso de filtrado Proceso de esterificación. Este proceso se llevó a cabo dentro del reactor herméticamente cerrado, donde se incorporó aceite usado, metanol y el catalizador, dando inicio a este proceso. Se controlaron las condiciones de temperatura, agitación y tiempo. Figura 8 Aceite esterificado sin agua

5 178 Proceso de transesterificación Dentro del reactor agregamos 100 ml de aceite esterificado más metóxido junto Con el catalizador, esta mezcla se coloca sobre la parrilla de calentamiento con agitación constante a una temperatura de 65 C durante una hora. Separación Se pasa toda la emulsión a un embudo de separación, en donde ahora, todo el producto de la esterificación se divide en el Biodiesel (que se encuentra en la parte superior del embudo) y en metanol, hidróxido, glicerol, sal, etc. en la parte inferior. Figura 9 Separación de Biodiesel y residuos Sistema de neutralización y lavado Se prepara una mezcla de 250 ml de agua a una temperatura de 80 C con 5 ml de ácido acético. Se agita durante 20 min dentro del reactor. Operación de evaporación En el recipiente se calienta a temperatura de evaporación del agua durante aproximadamente dos horas y finalmente obtenemos el biodiesel puro. Figura 10 Biodiesel Resultados Se observaron diferencias en donde aparecieron los picos en 1743, 1377, 1159, 1033 y 871 cm - 1 en el aceite se trasladó a 1742, 1361, 1170, 1015 y 880 cm -1 en el biodiesel, respectivamente. Por lo tanto, la desaparición de los picos a 1464, 1097 y 965 cm -1 a partir del espectro del aceite y aparición de nuevos picos en la muestra de biodiesel a 1435 cm -1 y 1195 cm -1 muestran claramente la conversión del aceite en biodiesel. Además, la ausencia de un pico ancho en el cm -1 región, relacionada con la deformación axial característica de grupos OH, sugiere que el biodiesel sintetizado posee bajos contenidos de agua como el apoyo de las otras técnicas. La actividad catalítica utilizando catalizador de 20%Cu/SiO2 esto podría ser debido a la presencia de la fuerza óptima de los sitios ácidos y básicos activos presentes en el catalizador para formar especies altamente reactivas para la reacción de transesterificación. Por otra parte, sin la formación de jabón se encontró durante el transcurso de la reacción como la esterificación simultánea de ácidos grasos libres y la transesterificación de los triglicéridos se llevó a cabo con éxito.

6 Conclusiones El biodiesel es un combustible alternativo compuesto principalmente de esteres de ácidos grasos de alquilo mono-derivados de aceites vegetales o grasas animales, que pueden ser quemados en un encendido por compresión. El biodiesel tiene muchas ventajas técnicas importantes en comparación con el diésel de petróleo incluyendo lubricidad superior, inherente, baja toxicidad, alto punto de inflamación, muy bajo o insignificante contenido de azufre y las emisiones de gases de escape de las especies más regulados. Evaluación Catalítica Con el fin de fabricar un biodiesel de calidad se realizaron las pruebas fisicoquímicas, estas se llevaron a cabo después de la reacción de esterificación y transesterificación en presencia de un catalizador de 20%Cu/SiO2, los resultados se muestran en la tabla. 179 B.W.L. Jang Catal Today 47(1999)103. Lee, J. H., and Trimm D. L, (1995). Catalytic combustion of methane. Fuel Processing Technology 42 (2-3): R.F. Hicks, C. Christiani, P. Forzatti, Catal. Special. Period. Rep. 13(1997)85. P. Briot, M. Primet, Appl. Catal. 69(1991)301. P.L. Haack, K. Otto, Catal. Lett. 34 (1995)31. C.A. Mueller, M. Maciejewski, R.A. Koeppel, A. Baiker, Catal 47(1999)245. H. Widjaja, K. Sekizawa. K. Eguchi, H. Arai, Catal. Today 35(1997)197. F.H. Ribeiro, M. Chow, R.A. Dalla Betta, J. Catal. 146(1994)537. T.R. Baldwin, R. Burch, Appl. Catal. 66(1990)337. SmH. Oh, P.J. Mitchell, R.M. Siewert, J. Catal. 146(1994)537. Tabla 1 Referencias ("Resumen para responsables de políticas" por el IPCC: Clima Change 2007: The Physical Science Basis. Contribución del Grupo de Trabajo I al Cuarto Informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático Cambiar. pdf de julio 2009 ). R. Burch, F.J. Urbano, Appl. Catal. A. 124 (1995)121. J.N. Carstens, S.C. Su, A:T: Bell, J. Catal. 176 (1998)136. J.c MacCarty y col. Catal. Today 47 (1999)