INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS Sección de Estudios de Posgrado e Investigación OBTENCIÓN DE BIODIESEL UTILIZANDO MATERIALES Zn- Ca, Y EL ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE MEZCLAS BIODIESEL + ALCANO O DIESEL T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA P R E S E N T A MIGUEL GONZALO ARENAS QUEVEDO DIRECTORES DE TESIS Dr. Octavio Elizalde Solis Dra. María Elena Manríquez Ramírez México D.F, Julio de 2014

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4 A G R A D E C I M I E N T O S Al Instituto Politécnico Nacional, por todas las facilidades que se me brindaron para la realización de mis estudios. A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas por la formación académica que me brindo durante mis estudios de Maestría. A los doctores Octavio Elizalde Solis, María Elena Manríquez Ramírez, Abel Zúñiga Moreno, por el apoyo que me dieron durante el desarrollo de este trabajo. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), por el apoyo económico otorgado durante mis estudios de Maestría. Al apoyo económico otorgado por parte del Instituto Politécnico Nacional por medio del Programa Institucional de Formación de Investigadores (P.I.F.I.) durante estos dos últimos años. A los miembros del jurado por sus valiosos comentarios que enriquecieron el manuscrito del presente trabajo. A los doctores Juan Ramón Avendaño Gómez, Sergio Odín Flores Valle, Ricardo Macías Salinas.

5 D E D I C A T O R I A Quiero dedicar este trabajo a todos los que de alguna u otra manera están involucrados en éste. A Dios Por darme la fortaleza necesaria para lograr este paso más. A mi familia A cada uno de los miembros de mi familia, que fueron parte fundamental para poder lograr un escalón más en mi vida profesional. Por el apoyo incondicional y tan valioso que el día de hoy, vemos los frutos de su grandioso esfuerzo. A mis amigos del Posgrado A los que compartieron gran parte del tiempo en la maestría y fueron de suma importancia para seguir adelante. Diana García, Aurora Flores, Mariana Linares, Denisse Martínez, Mariana Ortega, Lucero Gonzales, Alejandra Ortiz, Blanca Morales, Edith N., Benjamín Rosales, Fabián Ortega, Aarón Quijada, Fco. Javier Verónico, Sandro Gonzales, Hugo Pérez, Saturnino Zamora, Rubén Pólux, José Domenzain, Juan Rafael Macías.

6 Í N D I C E LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABLAS NOMENCLATURA RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCIÓN pág. I IV VI VIII IX X CAPÍTULO I. Antecedentes Introducción a la Química Sustentable Catálisis Heterogénea Catalizadores Propiedades de los Catalizadores Oxido CaO/ZnO como catalizador Heterogéneo Síntesis de biodiesel Aplicaciones industriales de los productos de reacción Ésteres metílicos de ácidos grasos Glicerina Reacción de Transesterificación Transesterificación en Aceites Vegetales Importancia de la Viscosidad en las Propiedades del Combustible Importancia de la Densidad en las Propiedades del Combustible Índice de refracción Humedad Índice de cetano Potencial de Hidrogeno (ph) Estado del Arte. 14 CAPÍTULO II. Caracterización de Materiales y Propiedades (p,,, T) Técnicas de Caracterización de Materiales Difracción de Rayos X Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) 18

7 pág Espectrometría de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) Espectroscopia (RAMAN) Espectroscopia de Fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS) Métodos Experimentales para Propiedades de Transporte Viscosímetro Ubbelohde Métodos Experimentales para Propiedades Volumétricas Densímetro de Tubo Vibrante (DTV). 23 CAPÍTULO III. Metodología y Equipo Experimental Reactivos Preparación de catalizadores Sistema de reacción Reacción de Transesterificación Etapas de separación y purificación Cantidad de Humedad Densidad Viscosidad Índice de refracción Potencial de hidrógeno (ph) 35 CAPÍTULO IV. Resultados y Discusión Espectroscopia de Fotoelectrones Emitidos por Rayos X (XPS) Espectroscopia RAMAN Difracción de Rayos X Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) Desorción a Temperatura Programada (TPD) Resonancia Magnética Nuclear para Biodiesel Calidad para cada Biodiesel Peso Molecular Índice de Refracción Humedad Potencial de Hidrógeno (ph) Densidad Viscosidad Índice de Cetano Sistema Biodiesel + Dodecano: Propiedades Termodinámicas y de Transporte Densidad. 61

8 pág Volumen Molar en Exceso Coeficiente de Expansión Volumétrica Volumen Molar Parcial Viscosidad Sistema Biodiesel + Diesel: Propiedades Termodinámicas y de Transporte Densidad Volumen molar en exceso Coeficiente de Expansión Volumétrica Volumen Molar Parcial Viscosidad. 82 CONCLUSIONES 86 RECOMENDACIONES 87 BIBLIOGRAFÍA 88

9 LISTA DE FIGURAS Pág Principales aplicaciones de los ésteres metílicos de ácidos grasos Esquema general de las reacciones descritas Representación esquemática de la reacción de transesterificación Representación esquemática de las etapas de la reacción de transesterificación Sistema de inyección en un motor Esquema de la técnica de difracción de rayos X Esquema de la técnica FTIR Esquema de la técnica RMN Esquema de la técnica RAMAN Esquema de la técnica XPS Densímetro de tubo vibrante (DTV) Esquema de la síntesis del catalizador Equipo experimental. Sistema de reacción Etapas del proceso de obtención de biodiesel Proceso de evaporación Proceso de decantación Equipo para la determinación de las densidades Equipo para la determinación de las viscosidades Equipo para la determinación del índice de refracción Espectro XPS para CaO-ZnO variando la concentración de ZnO Espectro XPS general para CaO Espectro XPS para la especie CaO Espectro XPS para la especie ZnO Espectro XPS para la especie de oxígeno Espectro XPS para la especie Carbono Espectro Raman para la especie ZnO Espectro Raman para CaO-ZnO variando la concentración de ZnO Espectro general DRX para CaO-ZnO Espectro general FTIR para los catalizadores Espectro FTIR para biodiesel con diferente catalizador TPD para los catalizadores Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-0% Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-5% Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-10% Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-15% Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-20% Índice de refracción en función de la temperatura Cantidad de humedad Potencial de hidrógeno en cada biodiesel. 55 I

10 Pág Densidad experimental de cada biodiesel Viscosidad cinemática experimental de cada biodiesel Índice de cetano para cada biodiesel Densidad experimental del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la temperatura Densidades experimentales del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la fracción mol del biodiesel Volumen molar en exceso del sistema biodiesel (1) + dodecano (2). Las líneas representan los valores calculados con la ecuación de Redlich-Kister Residuales para volumen molar en exceso entre los valores experimentales y los calculados con R-K obtenidas a cada composición del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) Coeficiente de expansión volumétrica del sistema biodiesel (1) + dodecano (2). (a) En función de la fracción mol del biodiesel, (b) En función de la temperatura Volumen molar parcial de biodiesel ( V 1 ) en el sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la fracción molar de biodiesel Volumen molar parcial de dodecano ( V 2 ) en el sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la fracción molar del biodiesel Volumen molar real e ideal de la mezcla, volumen molar ideal de la mezcla y volúmenes molares parciales de biodiesel y dodecano en el sistema biodiesel (1) + dodecano (2) como función de la fracción mol de biodiesel a K Viscosidad dinámica experimental del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la temperatura Viscosidad dinámica experimental del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la fracción mol del biodiesel Desviación en viscosidad ( ) para el sistema biodiesel (1) + decano (2) en un intervalo de temperatura de a K Densidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la temperatura Densidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la fracción mol del biodiesel Volumen molar en exceso del sistema biodiesel (1) + diesel (2). Las líneas representan los valores calculados con la ecuación de Redlich-Kister Residuales de volumen molar en exceso entre los valores experimentales y los 78 calculados con R-K del sistema biodiesel (1) + diesel (2) Coeficiente de expansión volumétrica del sistema biodiesel (1) + diesel (2): (a) en función de la temperatura, (b) en función de la fracción mol del biodiesel Volumen molar parcial del biodiesel ( V 1 ) para la mezcla biodiesel (1) + diesel (2) en función de la fracción mol del biodiesel Volúmenes molares parciales del diesel ( V 2 ) para la mezcla biodiesel (1) + diesel (2) en función de la fracción mol de biodiesel. 81 II

11 Pág Volumen molar real e ideal de la mezcla, volumen molar ideal de la mezcla y volúmenes molares parciales de biodiesel y diesel en el sistema biodiesel (1) + diesel (2) como función de la fracción mol de biodiesel a K Viscosidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la temperatura Viscosidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la fracción mol del biodiesel Desviación en viscosidad ( ) para el sistema biodiesel (1) + diesel (2) en un intervalo de temperatura de a K. 85 III

12 LISTA DE TABLAS Pág Aceites vegetales como materia prima para la producción de ésteres metílicos Ventajas del biodiesel Aplicaciones de la glicerina Variables que influyen en la reacción de transesterificación para la síntesis de 14 biodiesel Densidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura Densidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas 15 en la literatura Viscosidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura Viscosidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas en la literatura Características de los reactivos empleados Conversión de biodiesel utilizando ZnO-0% Conversión de biodiesel utilizando ZnO-5% Conversión de biodiesel utilizando ZnO-10% Conversión de biodiesel utilizando ZnO-15% Conversión de biodiesel utilizando ZnO-20% Componentes y peso molecular del aceite de palma Peso molecular de cada biodiesel obtenido Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-0% Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-5% Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-10% Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-15% Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-20% Índice de refracción ( ) experimental de cada biodiesel en función de la temperatura Cantidad de humedad en cada biodiesel Potencial de hidrógeno para cada biodiesel Densidad experimental de cada biodiesel Viscosidad cinemática ( ) experimental de cada biodiesel en función de la temperatura Índice de cetano en los biodiesel puros Densidades del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) a temperaturas de a K E Volumen molar en exceso ( V ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) Coeficiente de expansión volumétrica ( ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) Volumen molar parcial de biodiesel ( V 1 ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) Volumen molar parcial de dodecano ( V 2 ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) 69 IV

13 4.24. Viscosidad dinámica ( ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) a temperaturas de a K Desviaciones de la viscosidad ( ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) de a K Densidad del sistema biodiesel (1) + diesel (2) a temperaturas de a K E Volumen molar en exceso ( V ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2) Coeficiente de expansión volumétrica (a) del sistema biodiesel (1) + diesel (2) Volumen molar parcial de biodiesel ( V 1 ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2) Volumen Molar parcial de diesel ( V 2 ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2) Viscosidad dinámica ( ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2) a temperaturas de a K Desviaciones de la viscosidad ( ) del sistema biodiesel (1) + diesel a K. 84 Pág. V

14 N O M E N C L A T U R A A i Descripción Coeficiente para Redlich-Kister. B Parámetro de la ecuación del DTV. % C Porcentaje de conversión. Energía de activación E G Energía de Gibbs en exceso. K Parámetro de la ecuación del DTV. K,K,K Parámetros de correlación para calcular densidad N Numero de dobles enlaces. m Masa. M Peso molecular del componente i. i M prom Peso molecular promedio. P ph R T 0 i V V i V Presión. Potencial de hidrógeno. Constante universal de los gases. Temperatura. Tiempo. Volumen ideal Cambio de volumen Volumen molar parcial de la especie i pura. Volumen molar parcial de la especie i en la mezcla. Volumen molar de la mezcla. id V Volumen molar ideal de la mezcla. E V Volumen molar en exceso. w Fracción masa. Fracción mol del componente. Letras Griegas Coeficiente de expansión volumétrica. Índice de refracción. Velocidad de deformación. Número de cetano. Viscosidad dinámica. Viscosidad cinemática. VI

15 Densidad Absoluta. Esfuerzo cortante. Periodo de vibración del densímetro. Abreviaturas ASTM American Society for Testing Materials. BPi Bioodiesel a diferente concentración. CAS Chemical Abstracts Service. DRX Difracción de rayos X. DTV Densímetro de Tubo Vibrante. FAEEs Esteres etílicos de ácidos grasos. FAME Esteres metílicos de ácidos grasos. FTIR Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier. IR Rayos infrarrojos. PVT Propiedades Volumétricas. RAMAN Espectroscopia RAMAN. RMN Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear. R-K Ecuación de Redlich-Kister. XPS Espectroscopia de Fotoelectrones Emitidos por rayos X. Subíndice i Especie i. exp Experimental. cal Calculada. EST Éster. Superíndice E Propiedad en exceso. 0 Propiedad como compuesto puro. id Valor ideal. Valor a dilución infinita. VII

16 R E S U M E N Actualmente se requiere como alternativa la utilización de biocombustibles con el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, impulsar la descarbonización de los combustibles de transporte y diversificar las fuentes de su abastecimiento. En este aspecto el biodiesel es un combustible renovable proveniente de aceites vegetales o grasas de origen animal, usado total o parcialmente para reemplazar el combustible diesel de los motores de ignición sin requerir una modificación sustancial de los mismos. Las materias primas más frecuentes para la producción de biodiesel son los aceites de las oleaginosas de producción mundial, tales como colza, girasol, soya y palma. La importancia de este trabajo de investigación es el empleo de catalizadores heterogéneos básicos CaO-ZnO para la obtención de biodiesel por la reacción de transesterificación de aceites, en presencia de un alcohol de cadena corta en este caso metanol. Debido a su bajo precio comparado con otras materias primas se seleccionó aceite de palma como materia prima. El método de precipitación se utilizó para la síntesis de los catalizadores con una solución 1 M de NaOH. La preparación de catalizadores se realizó en un reactor discontinuo con agitación a K. Los catalizadores se caracterizaron por FTIR, Raman, XPS, DRX, AFM y TPD. La reacción de transesterificación se realizó a 333 K en un reactor discontinuo. Para evitar la lixiviación del catalizador, se utilizó el óxido metálico el cual presenta una adecuada estabilidad catalítica. Variando la concentración de óxido de Zinc de los catalizadores utilizados CaO-ZnO (ZnO-0%, ZnO-5%, ZnO-10%, ZnO-15%, ZnO-20%), se obtienen mejores resultados con el catalizador al 100% de CaO con respecto a la conversión de ésteres metílicos. Sin embargo con el catalizador ZnO-5%, exhiben mejores resultados de estabilidad catalítica. Para establecer la calidad del biocombustible producido, se determinaron diferentes propiedades; estas fueron: humedad, peso molecular, índice de refracción, ph, predicción del índice de cetano, viscosidad cinemática y densidad. Las propiedades del biodiesel cumplen con las normas establecidas en la ASTM y Europeas. Las propiedades termodinámicas para los sistemas binarios biodiesel + (dodecano o diesel) obtenidas con datos experimentales de densidad y viscosidad fueron representados adecuadamente con las ecuaciones de ajuste correspondientes. VIII

17 A B S T R A C T Nowadays, the use of alternative biofuels is needed with the aim of reducing greenhouse emissions, avoiding the use of fossil fuels and looking for diversifying fuel sources. Therefore, biodiesel is a renewable fuel that is obtained from vegetable oil or animal fats; it can be used total or partially to replace fossil diesel from petroleum in vehicle motors without great modifications in the system engine. The most frequent feedstocks for the production of biodiesel are oilseeds produced around the world such as: rape, sunflower, soy and palm. The importance in this project is the use of heterogeneous basic catalyst CaO-ZnO to obtain biodiesel by means of vegetable oil transesterification, in the presence of a short chain linear alkanol such as methanol. Palm oil was selected as our feedstock since it has a low cost compared with other vegetable oils. Catalysts were synthesized at different concentrations by the precipitation method with a solution 1 M NaOH in a discontinuous reactor under stirring at K. These catalysts were characterized by the following techniques: FTIR, Raman, XPS, DRX, AFM and TPD. Transesterification reaction was performed at 333 K in a discontinuous reactor. A metallic oxide with a suitable catalytic stability was used to avoid lixiviation of the material. The synthesized catalyst at different concentrations of zinc oxide (ZnO-0%, ZnO-5%, ZnO- 10%, ZnO-15%, ZnO-20%) performed better results at 100% of CaO based on the methyl-ester conversion. However, the catalyst at ZnO-5% allowed better catalytic stability. Different parameters were evaluated in the produced biofuel to determine the quality as fuel which are based on international methods suggested by ASTM and EN-ISO. These were: humidity, refractive index, ph, cetane index, kinematic viscosity and density. According to these results, our produced biodiesel fulfill the mentioned methods. Thermodynamic properties for the binary systems biodiesel + (dodecane or diesel) calculated from experimental density and viscosity data were satisfactory represented using the corresponding equations. IX

18 I N T R O D U C C I Ó N Actualmente el petróleo cubre casi el 80% de la demanda mundial de energías primarias, todos los aspectos relativos a su explotación incurren en numerosos impactos ambientales. Después del carbono e hidrógeno, el azufre es el elemento químico más abundante en el crudo, oscilando entre el 0.05 y 5% en peso. Por otro lado, la calidad del crudo está disminuyendo, a medida que se van agotando los mejores yacimientos, extrayéndose crudos con mayores contenido de azufre. Hoy en día los combustibles fósiles toman hasta un 80% de la energía primaria consumida en el mundo, de los cuales el 58% solo es consumido por el sector del transporte. La fuente de estos combustibles fósiles se está agotando además que tienen una mayor contribución a la emisión de gases de efecto invernadero. Es por ello que el agotamiento progresivo de los combustibles fósiles y el aumento de gases de efecto invernadero han llevado un cambio hacia alternativas de energías renovables, sustentables, eficientes y rentables con menores emisiones de gases de efecto invernadero. Con el propósito de reemplazar el porcentaje de dependencia energética del mundo de los combustibles fósiles por biocombustibles, se están produciendo biodiesel como posible reemplazo del combustible convencional de acuerdo a estándares requeridos, para promover la alta calidad a nivel mundial, teniendo en cuenta la necesidad optima del motor y el rendimiento del vehículo, además de la durabilidad y el funcionamiento de tecnologías limpias amigables con el medio ambiente. El biodiesel hoy en día sigue teniendo un gran auge en la comunidad científica y tecnológica por las ventajas que ofrece, sobre todo a nivel ambiental. Las aportaciones científicas son innumerables, sin embargo es posible mejorar varias líneas, como lo son las materias primas en el uso de ácidos grasos no comestibles y su purificación; una de las ventajas en la obtención de biodiesel mediante catálisis heterogénea y consiste en hacer reaccionar los ácidos grasos con un alcohol utilizando catalizadores sólidos ácidos o básicos, a baja temperatura y presión. La reacción de transesterificación de aceites vegetales con alcoholes ligeros se llevará a cabo con un catalizador homogéneo o heterogéneo, tanto acido como básico [1]. La reacción de transesterificación llevada a cabo bajo un catalizador homogéneo básico es más rápida que un catalizador ácido y requiere condiciones de operación más moderadas. Debido a estas razones, y considerando que los catalizadores básicos son menos corrosivos que los ácidos, los procesos industriales normalmente utilizan catalizadores básicos, como el hidróxido de sodio o hidróxido de potasio. Sin embargo, los catalizadores básicos presentan el problema de formar jabones por neutralización de los ácidos grasos libres presentes en el aceite o por saponificación de los triglicéridos del aceite. La formación de jabones consume parcialmente el catalizador, disminuye el rendimiento de la reacción y dificulta las etapas de separación y purificación [2]. X

19 Además que los catalizadores heterogéneos, como los homogéneos ácidos, no producen jabones por neutralización de los ácidos grasos libres. Sin embargo estos catalizadores requieren condiciones extremas de operación y tiempos de reacción muy elevados, además que las conversiones son muy bajas. La purificación con este método es muy sencilla y consiste el filtrar los productos de reacción y después separar el biodiesel de la glicerina, posteriormente son secados y purificados con métodos sencillos y baratos dejando ambos productos de buena calidad para su posterior aplicación de manera industrial. La catálisis básica en la industria ha sido poco utilizada, sin embargo en los últimos años se ha incrementado de manera gradual, sobre todo en la producción de biodiesel. Dentro de los catalizadores básicos se encuentra el CaO, el cual posee buenas propiedades básicas y ha sido ampliamente utilizado para la obtención de biodiesel. Por otro lado el ZnO presenta una dualidad de sitios ácidos y básicos, su ambiente cambia dependiendo con el medio de reacción, si interacciona con CaO, es posible que el ZnO se comporte como un ácido y ocasiona una disminución de la fuerza básica del CaO. Es por ello, que este trabajo busca determinar el efecto del ZnO sobre la conversión para la obtención de biodiesel, empleando CaO/ZnO y su caracterización morfológica, sobre todo haciendo énfasis en las propiedades básicas determinadas por varias técnicas, como lo son FTIR y Raman. La conversión fue monitoreada por resonancia magnética nuclear de hidrógeno. Una vez obtenido y purificado el biodiesel se utilizó para determinar las propiedades volumétricas y su interacción con alcano, diesel, suponiendo que el biodiesel no será adicionado al tanque como sustancia pura, sino en mezcla de biodiesel-alcano o biodiesel-diesel para aumentar su eficiencia. Las medidas de densidad, viscosidad y otros parámetros fisicoquímicos son parámetros que miden su calidad como combustible, además la viscosidad y densidad son de las propiedades de los combustibles más importantes ya que afecta el rendimiento del combustible y el sistema de inyección. El efecto de la viscosidad y densidad se refleja en la calidad de la combustión y atomización del motor. Los ésteres metílicos de ácidos grasos en general ha mejorado la lubricidad, sin embargo el alto nivel de viscosidad y densidad tiende a formar grandes gotas en la inyección que causan una mala combustión y aumentar el escape de gases de efecto invernadero en determinadas condiciones de funcionamiento. Es por ello que este trabajo se ha enfocado en obtener biodiesel por catálisis heterogénea mediante la síntesis de catalizadores básicos a base de CaO-ZnO variando el contenido de ZnO, para ver el efecto y conversión a biodiesel y su posterior estudio de las propiedades fisicoquímicas que midan su calidad como combustible y finalmente también mezclando con decano y diesel y con ello estudiar la mejora del combustible. XI

20 En el capítulo I, se presentan un estudio de los antecedentes acerca de la catálisis heterogénea y la síntesis de catalizadores básicos, así como las propiedades de las materias primas en la reacción de transesterificación para la obtención de ésteres metílicos; al final se presenta una revisión bibliográfica sobre datos de densidad y viscosidad de biodiesel puro y en mezcla. El capítulo II está dedicado a la descripción general de los métodos experimentales reportados en la literatura para llevar a cabo la caracterización de los materiales básicos, al igual que los métodos de medición de las propiedades volumétricas y de transporte. En el capítulo III se presentan los reactivos utilizados así como una descripción detallada de la metodología y equipo experimental empleada para las mediciones realizadas en este trabajo. En el capítulo IV se reportan los resultados obtenidos para la caracterización de los catalizadores, la conversión de biodiesel en la reacción de transesterificación. También se reportan las propiedades fisicoquímicas que permiten evaluar la calidad del biodiesel como biocombustible. Se reportan las propiedades volumétricas y de transporte para los sistemas binarios biodiesel + (dodecano y diesel). Al final de este trabajo, se presentan las conclusiones del trabajo realizado así como algunas recomendaciones para ser tomadas en cuenta en futuros trabajos. XII

21 CAPÍTULO I A N T E C E D E N T E S 1.1. Introducción a la Química Sustentable. La química sostenible consiste en el desarrollo de las metodologías para modificar la naturaleza de los productos o procesos y de esta manera reducir los riesgos que representan en la salud y el ambiente. En México se han desarrollado algunos esfuerzos para desarrollar nuevas sustancias, productos y procesos amigables con el ambiente. Sin embargo, hace falta una mayor coordinación y apoyo entre los diversos actores involucrados [3]. La percepción sobre la química adquiere básicamente dos formas: en la ciencia e industria se percibe como la solución a los problemas y como el medio para llegar al desarrollo u origen de los bienes de uso diario; para la comunidad resulta peligroso y que debe evitarse. No obstante, ninguno de estos dos puntos de vista es completamente correcto, ya que la química involucra todos los aspectos de la transformación de la materia y energía. Además, una forma común de pensar era considerar que el desarrollo tecnológico tenía un costo ambiental necesario [3]. El diseño de estos productos y procesos tienen como fin minimizar residuos, la reducción de materias primas y la reducción de energía requerida, desarrollo de tecnologías analíticas, las cuales se detallan a continuación. Minimización de residuos: Los métodos de síntesis se diseñan para maximizar la incorporación de todos los materiales usados durante el proceso en el producto final, minimizando la formación de subproductos. Reducción de materias primas: Muchas reacciones químicas utilizan catalizadores que forman parte del producto, desperdiciando tanto recursos como energía. Algunos de estos materiales terminan como productos secundarios o de desecho que son retenidos para integrarlos nuevamente al proceso. Para eliminar este problema se propone que tanto la síntesis química a nivel laboratorio como el diseño de reactores a nivel industrial tengan como objetivo común rediseñar los procesos para eliminar, o al menos disminuir, el uso de catalizadores que puedan causar el deterioro de la salud y del medio ambiente. Reducción de energía requerida: Los requerimientos energéticos se consideran por su impacto medioambiental y económico, reduciéndose todo lo posible. Los métodos de síntesis se intentan llevar a cabo a temperatura y presión ambiente. 1

22 Desarrollo de metodologías analíticas: Las metodologías analíticas son desarrolladas posteriormente para permitir una motorización y control en tiempo real del proceso, previo a la formación de sustancias peligrosas. Para alcanzar estos objetivos, la industria necesita tecnologías catalíticas innovadoras que ofrezcan un aumento en el rendimiento del producto deseado, alto riesgo y la selectividad en la obtención de isómeros, bajos requerimientos de tiempo y energía, así como el empleo de reactivos químicos no corrosivos y no contaminantes [4] Catálisis Heterogénea. En catálisis heterogénea, el catalizador tiene un estado de agregación diferente con respecto a reactivos y productos. Generalmente, el catalizador es sólido, los reactivos y los productos están en una o más fases fluidas, y la reacción catalítica se lleva a cabo sobre la superficie del sólido; el catalizador provee un camino alternativo para la reacción [5]. La acidez y la basicidad de los sólidos catalíticos son factores que afectan la selectividad, no solamente en las reacciones ácido-base típicas, sino también en muchas otras en donde son involucradas las reacciones de transformación Redox. Los sólidos ácidos son aplicados con buenos resultados en diversos procesos industriales incluyendo desintegración, alquilación, isomerización y una variedad de síntesis orgánicas. Por otro lado, los sólidos básicos han recibido comparativamente menor atención [6]. La superficie sólida en una catálisis heterogénea permite influir en la temperatura y distribución del producto en una reacción. Además los catalizadores contribuyen en el mejoramiento de procesos de producción y en la eliminación o transformación de subproductos no deseados. Los catalizadores heterogéneos industriales deben tener gran superficie específica, buena porosidad así como estabilidad mecánica y térmica. Los procesos catalíticos heterogéneos presentan una serie de características que los diferencian de los homogéneos: En los catalizadores heterogéneos el número de centros activos expuestos a los reactivos por unidad de volumen del reactor es extremadamente más elevado, por lo que estos procesos suelen proporcionar elevada actividad y selectividades más bajas. Presentan una facilidad de separación de los productos, al encontrase estos en una fase diferente a la del propio catalizador. Los catalizadores heterogéneos se emplean en un intervalo más amplio de condiciones de operación, siendo esto de vital importancia cuando el equilibrio obliga que la reacción se realice en condiciones extremas [7]. 2

23 1.3. Catalizadores. Los catalizadores se clasifican como homogéneos si están presentes en la misma fase que los reactantes; esto significa, normalmente, que están presentes como solutos en una mezcla. Los catalizadores heterogéneos, están presentes en una fase diferente a los reactantes. Este tipo de catalizador tiene la superficie donde las sustancias reaccionan. Una reacción catalizada es más rápida que la modalidad no catalizada de la misma reacción, porque el catalizador suministra un camino de reacción diferente que tiene una energía de activación más baja. Para catálisis de reacciones de oxidación es necesario usar metales nobles como el platino, paladio, plata, ya que el metal debe ser resistente a oxidación y a la temperatura de reacción. Diversos óxidos son también excelentes catalizadores para reacciones de oxidación, para reacciones de desulfurización es necesario el uso de sulfuros metálicos Propiedades de los Catalizadores. Aunque es importante el aumento de la velocidad de una reacción catalítica, también es necesario producir la cantidad mínima de productos secundarios y que la vida del catalizador sea larga. A continuación se describen algunas propiedades fundamentales de los catalizadores. Selectividad: La selectividad de un catalizador da una proporción alta del producto deseado con las mínimas cantidades de productos secundarios. En la industria está muy incentivado económicamente el desarrollo de catalizadores selectivos. La falta de selectividad del catalizador ocasiona un aumento en el consumo del reactante, por lo que se necesita diseñar catalizadores más selectivos. Es posible ignorar la selectividad solamente en unas cuantas reacciones inorgánicas simples [8]. Oxidación y Reducción: Los complejos metálicos se utilizan frecuentemente para la oxidación catalítica de sustratos orgánicos; además en el ciclo catalítico, el átomo metálico alterna entre dos estados de oxidación. Los catalizadores que contienen iones metálicos se utilizan en procesos a gran escala para la oxidación de hidrocarburos [8] Oxido CaO/ZnO como catalizador Heterogéneo. La catálisis heterogénea es una forma de catálisis en la que el catalizador y reactivo se encuentran diferentes fases. En la mayoría de los casos, el catalizador heterogéneo es sólido, mientras que los reactivos son gases o líquidos. La superficie total del sólido tiene un efecto 3

24 importante en la velocidad de reacción. EL tamaño de las partículas del catalizador se correlaciona negativamente con el área de la superficie. Los catalizadores básicos heterogéneos contienen comúnmente sitios básicos de Lewis o Brönsted ampliamente usados en reacciones de transesterificación de triglicéridos. Los materiales más usados son óxidos de metales alcalinotérreos, hidróxidos y alcóxidos. El catalizador heterogéneo es normalmente apoyado por un segundo material, que actúa ya sea para mejorar la eficacia o para reducir costos. Se establece que el CaO presenta fuerte alcalinidad, principalmente el CaO se considera como siderúrgico, posee una estructura cristalina del tipo romboédrico. Por otra parte el ZnO presenta una dualidad de sitios básicos y ácidos, al interactuar con el CaO posiblemente actué como un ácido proporcionando estabilidad al catalizador [9] Síntesis de biodiesel. Las materias primas necesarias para la producción de ésteres metílicos son alcoholes y aceites vegetales. En cuanto a los alcoholes, estos son de cadena corta entre los que se encuentran el metanol, etanol, butanol, 2-propanol. La utilización de metanol se debe a dos factores: 1) El tamaño de la molécula de metanol es menor con respecto al butanol; lo cual facilita el ataque simultáneo del metanol sobre la molécula de triglicérido. 2) También debido a la polaridad del anión metóxido que es mayor que la del anión bióxido se favorece la reacción de transesterificación [10]. Respecto al aceite, tiene varias procedencias y cuya diferencia radica en la composición de la molécula de triglicérido; el tipo de ácido carboxílico unido al esqueleto carbonado del glicérido y en la cantidad de ácidos grasos libres. Sin embargo, se hace una clasificación en función de la procedencia como se muestra en la tabla 1.1. Tabla Aceites vegetales como materia prima para la producción de ésteres metílicos [11]. Aceites vegetales convencionales % utilizado para la síntesis de biodiesel Aceite de girasol 13 Aceite de colza 84 Aceite de soja 1 Aceite de Coco 1 Aceite de Palma 1 4

25 Las materias primas convencionales son los excedentes de producción de aceites de semillas oleaginosas (girasol, colza, soja y coco) y de frutos oleaginosos (palma). El principal problema de estos aceites es su elevado costo. Los aceites alternativos son aceites como, por ejemplo, el obtenido a partir de Básica caminata que es una semilla oleaginosa, de la familia de la colza, que contiene un alto contenido en ácido erúcico, y por lo tanto no se utiliza en la alimentación. Además de los aceites vegetales, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca se utiliza como materia prima para la transesterificación. El sebo tiene diferentes grados de calidad respecto a su utilización en la alimentación, siendo los de peor calidad para el consumo humano; su consumo genera problemas cardiovasculares, es por ello que estas grasas son más adecuadas, desde un punto de vista económico, para la producción de biodiesel [11]. Las propiedades fisicoquímicas de biodiesel han atraído mucha atención en los últimos años. La composición de los ésteres metílicos de ácidos grasos (FAMEs) o ésteres etílicos de ácidos grasos (FAEEs) obtenidos depende de las materias primas utilizadas [11] Aplicaciones industriales de los productos de reacción Ésteres metílicos de ácidos grasos. Los ésteres metílicos de ácidos grasos tienen varios usos como materia prima para la producción de diferentes productos químicos y un uso directo como fuente de energía de acuerdo a la figura 1.1. Figura 1.1. Principales aplicaciones de los ésteres metílicos de ácidos grasos [12]. 5

26 Las principales aplicaciones de los ésteres metílicos como materia prima son las siguientes: Alcanolamidas: tienen aplicación directa como agentes plastificantes y espesantes, su producción consume la mayor parte de los ésteres metílicos producidos en el mundo [12]. Alcoholes ácidos: se utilizan en la industria farmacéutica como aditivos en cosmética, en la fabricación de lubricantes y agentes plastificantes en función de la longitud de la cadena carbonada. Ésteres isopropílicos: también se utilizan como agentes plastificantes. Poliésteres de sacarosa: se trata de carbohidratos de ésteres metílicos de ácidos grasos aplicados en la producción de aceites comestibles no calóricos [12]. Sin embargo, la aplicación más significativa, hoy en día, es su utilización directa como biocombustible (biodiesel) [13]. En la tabla 1.2 se muestran una serie de ventajas que presenta el biodiesel frente al diesel tradicional de origen fósil. Tabla Ventajas del biodiesel [14]. Alternativa a los combustibles derivados del petróleo. Energía renovable Reducción de la importación de crudos Combustible no toxico y biodegradable Reducción de las emisiones contaminantes Disminución del efecto invernadero Niveles de ingresos y empleo en el medio rural Utilización de los excedentes de producción agrícola. Utilización de residuos orgánicos Glicerina. La glicerina es un subproducto de la reacción de transesterificación que tiene un valor agregado en el proceso de transformación de los ácidos grasos a ésteres metílicos. En la tabla 1.3. Se muestran las principales aplicaciones de la glicerina [15]. 6

27 Tabla 1.3. Aplicaciones de la glicerina. Medicamentos Cuidado Personal Alimentos Polioles Resinas alquílicas celofanes Explosivos Otros Preparaciones médicas y farmacéuticas mejorando la suavidad, proporcionando lubricación y actuando como humectante, supositorios, jarabes para la tos, elixires y expectorantes. Humectante, disolvente y lubricante en los productos de cuidado personal. Pasta dentífrica, enjuagues, productos para la piel, productos para el pelo y jabones. Humectante, disolvente, dulcificante y conservante en dulces, pasteles y cubiertas para quesos. En la producción de mono y diglicéridos para su uso como emulsores. En la producción de ésteres de poliglicerol para mantecas y margarinas. Como relleno en comidas bajas en grasas. La mayor materia prima en la producción de polioles para espumas flexibles y en menor medida para las espumas de poliuretano rígidas. Recubrimientos y pinturas. Agente suavizante y plastificante para proporcionar flexibilidad y dureza. En la producción de TNT (Trinitroglicerina) En la producción de papel como plastificante, humectante y lubricante, aditivo en comida para mascotas, suavizador en detergentes como alternativas a compuestos de amonio Reacción de Transesterificación. La transesterificación implica tres grupos diferentes de reacciones según el éster que reacciona con el alcohol (alcohólisis), con un ácido carboxílico (acidólisis) o con otro éster (interesterificación) como se muestra en la figura 1.2 [16]. a)alcoholisis cat R C O O R R O H R C O O R R O H b)acidolisis cat R C O O R R C O O H R C O O R R C O O H c)interesterificación cat R C O O R R C O O R R C O O R R C O O R Figura 1.2. Esquema general de las reacciones descritas. 7

28 La alcohólisis implica la sustitución del grupo alquilo del éster por otro grupo alquilo, a través de la reacción del éster con un alcohol. Las reacciones se describen en términos del alcohol reaccionante: metanólisis, etanólisis, glicerólisis. La acidólisis es la reacción entre un éster y un ácido carboxílico, implicando el intercambio o sustitución del grupo acido del éster. La interesterificación es el intercambio entre los grupos acilo y alquilo de dos ésteres diferentes Transesterificación en Aceites Vegetales. En la reacción de transesterificación (o alcoholisis) de un aceite vegetal una molécula de triglicérido, componente mayoritario en un aceite, reacciona con un alcohol, generalmente ligero, bajo la acción de un catalizador, para producir una mezcla de ésteres de ácidos grasos y glicerina. En la figura 1.3 se muestra el esquema general de la reacción de transesterificación de aceite vegetal con metanol para producir ésteres metílicos de ácidos grasos y glicerina. CH O CO R CH O CO R CH OH 2 1 CH O CO R 2 3 cat 2 3CH3 OH CH3 O CO R 2 CH2 OH CH O CO R CH O CO R CH OH Triglicérido Me tano l Esteres metíli cos de Glicerina Ácidos Grasos R1: Cadena carbonada del ácido graso Figura 1.3. Representación esquemática de la reacción de transesterificación. De acuerdo a la estequiometria de la reacción, por cada mol de triglicérido transesterificado se necesitan tres moles de ésteres metílicos y un mol de glicerina. La reacción de transesterificación de aceites vegetales con alcoholes ligeros consta de tres etapas consecutivas reversibles; el triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, monoglicérido y glicerina. En la figura 1.4 se muestra la secuencia de etapas que tiene lugar en la transesterificación de aceite vegetal con metanol. 8

29 CH O CO R CH OH cat i) CH O CO R CH OH CH O CO R CH O CO R CH O CO R CH O CO R Triglicérido Metanol Éster Metílico Diglicérido CH OH CH OH 2 2 cat ii) CH O CO R CH OH CH O CO R CH OH CH O CO R CH O CO R Diglicérido Metanol Éster Metílico Monodiglicérido 1 CH OH CH OH 2 2 cat iii) CH OH CH OH CH O CO R CH OH CH O CO R CH OH Monoglicérido Metanol Éster Metílico Glicerina R : Cadena carbonada del ácido graso Figura 1.4. Representación esquemática de las etapas de la reacción de transesterificación Importancia de la Viscosidad en las Propiedades del Combustible. La viscosidad es una propiedad característica fundamental de todo líquido. Cuando un líquido fluye, tiene la resistencia interna al flujo. Por lo que se considera como una medida de esta resistencia al flujo o cizallamiento. La viscosidad también se denomina como una fuerza de arrastre y en una medida de las propiedades de fricción del líquido. Lo que se refiere a veces como el espesor de un fluido. La viscosidad se rige por la combinación de tres factores principales: Forzado intermolecular: Cuanto más fuerte sea el vínculo entre las moléculas, mas viscoso es el fluido. Tamaño Molecular: Menor flujo de moléculas unas sobre otra de mayor facilidad de desplazamiento. Forma Molecular: Esta propiedad es complicada, en ocasiones las moléculas lineales tienden a fluir entre sí más allá que las moléculas ramificadas. Por otro lado, las moléculas lineales se apilan más fácilmente en la parte superior de las moléculas ramificadas, que aumentan la unión intermolecular entre moléculas lineales [17]. 9

30 La viscosidad se expresa básicamente en dos formas o tipos diferenciados: viscosidad dinámica y cinemática. Viscosidad cinemática: con el conocimiento de la densidad a temperatura y presión requerida, ésta se define como: (1.1) v Viscosidad dinámica o absoluta: es la fuerza tangencial por unidad de área requerida para deslizar una capa contra otra capa. En un motor se suministra combustible al cilindro a través de un sistema que está constituido por el tanque, tuberías, bomba, filtro e inyectores. Cuando un combustible se bombea en un vehículo, entra al depósito, se inyecta una pulverización fina del combustible en los cilindros provocando la explosión. El componente del sistema está diseñado para distribuir una cierta cantidad de combustible a una velocidad como se muestra en la figura 1.5 donde es afectada por la viscosidad del combustible [18]. Figura 1.5. Sistema de inyección en un motor [18]. Además, en el sistema de combustión, se necesita la temperatura y viscosidad del combustible para la mecánica de fluidos y reología, análisis termodinámico en el sistema, y para conocer los parámetros de transferencia de calor por convección en el sistema de combustión. En general, la viscosidad del combustible es necesaria para la ingeniería de diseño del motor para la fijación de las condiciones óptimas para los procesos químicos y las operaciones, así como para la determinación de propiedades adimensionales como el número de Reynolds y el número de Prandtl. La viscosidad del combustible también es importante 10

31 en el cálculo de la demanda de potencia para el funcionamiento de la unidad, como el diseño del paso de combustible, características necesarias de la bomba de atomización (gotas de combustible), almacenamiento, inyección y transporte Importancia de la Densidad en las Propiedades del Combustible. La densidad se define como la relación que existe entre el volumen y la masa de un objeto o sustancia. Es una propiedad física característica de las sustancias puras y es considerada como una propiedad intensiva, ya que es independiente al tamaño de la muestra. La viscosidad y densidad del biodiesel son variables importantes que tiene una fuerte influencia en el sistema de inyección y atomización del motor de combustión [19]. La presencia de biodiesel en mezclas de gasóleo afecta a las propiedades termofísicas de combustible; su influencia se tiene en cuenta en todas las estimaciones técnicas y cálculos, tales como los modelos de combustión, de atomización y la combustión de procesos [20]. Por otra parte, se necesitan valores de viscosidad y densidad para diseñar el proceso de producción de biodiesel incluyendo unidades de separación, como decantadores centrífugos, columnas de destilación y tuberías. Por esa razón una herramienta de predicción capaz de estimar la densidad del biodiesel, sería una manera muy útil para mejorar las estrategias de producción mediante la selección de las materias primas antes de la producción de biodiesel. A pesar de la gran importancia práctica que tienen las propiedades volumétricas para ésteres metílicos, los datos son escasos y tienen una medida limitada para el desarrollo de modelos termodinámicos. Una de las razones es que estos componentes solo están disponibles en su mayoría como mezclas complejas y son difíciles de obtener en forma pura. Para la simulación de mezclas, inyección de combustible y el proceso de combustión en el motor, las propiedades de los componentes puros de estas sustancias biogénicas son la base para los cálculos termodinámicos; mientras que los datos de mezclas medidas experimentalmente se utilizan para la verificación de las ecuaciones de estado. Estos datos son utilizados tanto para los parámetros del modelo que se obtienen de componentes puros y para la evaluación de las ecuaciones de estado comparando los datos experimentales de mezclas mediadas a valores predichos [16,17, 21-25]. Con el fin de estimar la densidad del biodiesel se utilizan normalmente dos metodologías, los enfoques basados teórica y empíricamente o basados en correlaciones semi-empíricas. Uno de los métodos empleados para la estimación de la densidad del líquido saturado es la ecuación de Rackett modificada [26]. Poling et al. [27] realizaron un resumen sobre los diversos métodos teóricos para los la estimación de la densidad de líquido saturado. El método de Thomson y Hankinson et al. [26] permite la predicción de volúmenes de líquido comprimido y 11

32 comprende un conjunto de ecuaciones en términos de propiedades críticas, y constantes del factor acéntrico. Otro método importante es el método Bhirud [28] para fluidos no polares. Con una contribución, Elbro et al. [29] obtuvieron un método para la predicción de densidades de líquidos en función de la temperatura en el punto triple, hasta el punto de ebullición normal. Los modelos teóricos discutidos en los párrafos anteriores se han desarrollado para la estimación de la densidad de cualquier líquido, independientemente de su composición y origen. Un enfoque diferente es usar modelos empíricos o correlaciones específicamente para biodiesel. Al igual que los modelos teóricos, los empíricos utilizan composición como entrada; además, utiliza otra medición empírica de la composición y de los coeficientes derivados estructurales para mejorar la precisión de la densidad. Los modelos existentes en la literatura para la estimación de la densidad del biodiesel se basan generalmente en la composición, por lo general teniendo en cuenta la influencia de la temperatura [30] Índice de refracción. El índice de refracción de una sustancia o un medio transparente, es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la sustancia o el medio transparente. Es una constante característica de cada medio. Como el índice de refracción es sensible a los cambios de temperatura y varía con la longitud de onda de la luz, deben especificarse ambas variables al expresar el índice de refracción de una sustancia [31]. El equipo que se utiliza para este análisis es el refractómetro [32]. En esta prueba el índice de refracción varía con respecto a la temperatura Humedad. La medida de humedad se realiza mediante el método Karl Fisher por medio de valoraciones columbimétricas. La muestra previamente pesada se introduce en el recipiente de valoración de un equipo Karl Fisher que induce la generación de yoduro en el ánodo por oxidación electroquímica. Cuando se ha valorado toda el agua el exceso de yoduro se detecta mediante un electrodo de punto final electrométrico. De la cantidad de yoduro generado se calcula la cantidad de electricidad requerida de acuerdo con la ley de Faraday. El contenido de agua es proporcional al yoduro generado. El biodiesel tiende a absorber pequeñas cantidades de agua disueltas o como gotas suspendidas. El agua se forma por condensación en el tanque de almacenamiento, ya que depende de cómo se manipule y transporte el combustible. El biodiesel es muy higroscópico 12

33 y absorbe hasta 40 veces más agua que el diesel. Las repercusiones sobre la presencia de agua en el motor son: 1. Corrosión en los componentes del motor, generalmente herrumbre. El agua se acidifica y acaba atacando a los tanques de almacenamiento. 2. Contribución al crecimiento de microorganismos. Forman lodos y limos que saturan los filtros. Además, algunos de estos microorganismos convierten el azufre que posea el combustible en ácido sulfúrico, lo que ocasiona corrosión en la superficie metálica del tanque. La norma Europea EN ISO-12937:2000 [33] establece un valor máximo de 500 mg/kg. La norma americana equivalente es la ASTM D2709 [34] Índice de cetano. Para expresar la calidad de encendido de los combustibles se emplea el índice de cetano. El índice de cetano de un combustible es el porcentaje de cetano contenido en una mezcla de dos hidrocarburos que presente la misma calidad de encendido (temperatura de autoencendido) que el combustible ensayado. Los dos hidrocarburos a que nos referimos son el cetano con excelente calidad de encendido y el alfa-metil-naftaleno con mala calidad de encendido. La escala abarca de 0 a 100, de manera que al alfa-metil-naftaleno se le asigna cero y al cetano 100. De esta forma, un combustible con índice de cetano 42 tendrá la misma calidad de encendido que una mezcla compuesta de 42% de cetano y 58% de otro compuesto. Debido a que el equipo necesario para medir el número de cetano no suele estar disponible en los laboratorios por su elevado costo y gran cantidad de muestra, en el caso del diesel se calcula un índice de cetano que si bien no es similar, permite estimar su valor [35]. Esta propiedad no es aplicable y por lo tanto no se interpola a las mezclas. Sin embargo es un valor que se utiliza para reemplazar el número de cetano cuando no es posible medirlo. El biodiesel tiene siempre números de cetano más altos que el diesel, por lo que el índice de cetano aumenta al incrementar el porcentaje de biodiesel en la mezcla. No es posible considerar un comportamiento lineal y no interpolable con el biodiesel debido a las características de la curva de destilación del biodiesel [35]. Las normas [36,37] ASTM D / EN ISO 5165 establecen el limite permisible de cetano en una escala arbitraria, utilizando un cilindro estándar único, de cuatro tiempos. El índice de cetano proporciona una medida de las características de ignición del biodiesel en los motores de encendido por comprensión. El índice de cetano se determina a una velocidad constante en un tipo de cámara de motor de prueba de encendido. 13

34 1.13. Potencial de Hidrogeno (ph). El ph es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El ph indica la concentración de iones hidronio presentes en determinadas sustancias. El valor de ph se mide de forma precisa con un potenciómetro, un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos; un electrodo de referencia generalmente de plata y un electrodo de vidrio que es sensible al ion hidrógeno. Este valor depende de la materia prima y del proceso de refinado del aceite y de la producción del biodiesel, pero son debido al uso de los catalizadores ácidos y la presencia de agua después de largos tiempos de almacenamiento. Valores altos de acides producen corrosión en diversas partes del motor y aumentan la velocidad de degradación del biodiesel [38] Estado del Arte. En este trabajo se seleccionaron las relaciones de aceite alcohol y la cantidad de catalizador para llevar a cabo la reacción y los parámetros óptimos en temperatura y tiempos de reacción para obtener una mayor pureza y conversión de ésteres metílicos. De acuerdo a toda esta información recabada, se decidió trabajar con catalizadores heterogéneos en la reacción de transesterificación. Para este caso se utilizaron catalizadores con carácter básico porque facilitan la reacción por los sitios básicos que presentan en la estructura morfológica. En la tabla 1.4 se presenta un resumen de los principales catalizadores usados en reacciones de transesterificación. En el presente proyecto se utilizará la mezcla CaO-ZnO porque al utilizar únicamente CaO produce lixiviación con el metanol y ocasiona inestabilidad en la reacción debido a su dualidad. El ZnO proporciona una estabilidad básica al catalizador por sus propiedades. Tabla 1.4. Variables que influyen en la reacción de transesterificación para la síntesis de biodiesel. Catalizador Materia prima % C tiempo (min) T ( K ) Relación aceite-metanol KOH aceite de palma a 6 [39] No catalítica aceite de palma * * [40] H 2 SO 4 aceite de palma * 60 * 1 a 27 [41] KOH / Zeolita NaY aceite de palma * [42] No catalítica aceite de palma 30 5 a a 80 [43] KOH / bentonita aceite de palma a 6 [44] carbonato/koh aceite de palma a 9 [45] *: No reportado. Ref. 14

35 En la tabla 1.5 y 1.6 se resumen las densidades de biodiesel puro y en mezclas binarias con otros componentes, respectivamente que se encuentran reportadas en la literatura; en su mayoría se observa que las experimentaciones fueron realizadas a condiciones de presión atmosférica. Tabla Densidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura. T ( K ) P ( atm ) Ecuación Método u Ref Tait DTV 0.5 g/cm 3 [46] * DTV 0.01% [47] * * 0.24% [48] * picnómetro 0.62% [49] empírica DTV g/cm 3 [50] *: No reportado. Tabla Densidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas en la literatura. T ( K ) P ( atm) Ecuación Método Mezcla u Ref 273 a Rackett * Biodiesel + diesel 0.125% [51] 273 a * DTV Biodiesel + diesel * [52] 293 a * DTV Biodiesel + ésteres metílicos 0.005% [53] 293 a empirico DTV Biodiesel + hexadecano g/cm 3 [54] 293 a empirico DTV Biodiesel + diesel g/cm 3 [54] *: No reportado. Las viscosidades experimentales de biodieles puro publicadas en la literatura se reportan en la tabla 1.7, en el caso de mezclas binarias que contiene biodiesel con otro componente se encuentran en la tabla 1.8; además se incluyen los diferentes métodos de medición, dentro de los más comunes se utilizan los de tubo capilar debido a su precisión, costo de operación, facilidad de operación y rapidez. Otro de los métodos más utilizados después de los de tubo capilar es a partir de reometría debido a que se opera a altas presiones con una buena precisión y a intervalos de temperatura amplios. 15

36 Tabla 1.7. Viscosidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura. T ( K ) P (atm) Modelado Método Ref empírica Reómetro [55] Ecuación de Vogue Capilar Canon-Fenske [56] Sandford modificada Capilar Canon-Fenske [57] empírica Capilar Canon-Fenske [58] empírica Hilo vibrante [59] Tabla 1.8. Viscosidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas en la literatura. T ( K ) P ( atm) Ecuación Método mezcla u visc Ref * capilar Biodiesel+diesel 0.35 % [52] * rotatorio Biodiesel +diesel 0.01% [53] Andrade capilar Biodiesel+diesel 0.026% [55] empírica capilar Biodiesel+diesel 0.1% [58] Andrade hidrómetro Biodiesel+alcanos 0.24% [60] empírica capilar Biodiesel+diesel 0.1% [61] *: No reportados 16

37 CAPÍTULO II CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Y PROPIEDADES (p,,, T) En este capítulo se describen los principios básicos de las técnicas experimentales utilizadas en este trabajo para la caracterización del catalizador, del biodiesel, así como las propiedades volumétricas y de transporte Técnicas de Caracterización de Materiales. A continuación se describen algunas técnicas de caracterización de los catalizadores y del biodiesel Difracción de Rayos X. La cristalografía de rayos X es una técnica experimental para el estudio y análisis de materiales, basada en el fenómeno de difracción de los rayos X por sólidos en estado cristalino. Los rayos X interactúan con los electrones que rodean los átomos por ser su longitud de onda del mismo orden de magnitud que el radio atómico. Como se observa en la figura 2.1, el haz de rayos X emergente tras esta interacción contiene información sobre la posición y tipo de átomos encontrados en su camino. Los cristales, gracias a su estructura periódica, dispersan elásticamente los haces de rayos X en ciertas direcciones y los amplifican por interferencia constructiva, originando un patrón de difracción. Existen varios tipos de detectores especiales para observar y medir la intensidad y posición de los rayos X difractados, y su análisis posterior por medios matemáticos permite obtener una representación a escala atómica de los átomos y moléculas del material estudiado como se muestra en la figura 2.1 [30,62]. Figura 2.1. Esquema de la técnica de difracción de rayos X. 17

38 Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) Los espectrofotómetros de rayos infrarrojos (IR) convencionales con monocromador es difícil acceder a la región de 10 a 400 cm -1 (IR lejano); por consecuencia, los primeros espectrofotómetros de Transformada de Fourier (TF) se diseñaron para esa región. Este método hoy en día se ha extendido a aparatos que permiten barrer toda la región IR, y en particular, el IR medio que es la región de mayor interés. Actualmente los espectrofotómetros FTIR han desplazado a espectrofotómetros con monocromador (dispersivos). Un montaje básico para desarrollar una aplicación de espectroscopia por transformada de Fourier consta de una fuente de luz, cuyo haz es introducido en un interferómetro de Michelson, este no describe directamente las líneas de un espectro tal como se esquematiza en la figura 2.2. En lugar de ello, transporta las frecuencias espaciales que describen estas líneas a un interferograma. Realiza físicamente una operación equivalente a la transformada de Fourier. Figura 2.2. Esquema de la técnica FTIR Espectrometría de Resonancia Magnética Nuclear (RMN). La espectrometría de resonancia magnética nuclear (RMN), es una técnica que explota las propiedades magnéticas de ciertos núcleos. Las aplicaciones más importantes para su uso en química orgánica son la espectrometría RMN de protones y la de carbono-13. En principio, la técnica RMN es aplicable a cualquier núcleo que posea un espín molecular y se obtiene demasiada información acerca del componente mediante un espectro RMN. Al igual que se utiliza la espectrometría de infrarrojos para identificar grupos funcionales, el análisis de un espectro RMN unidimensional proporciona información sobre el número y tipo de entidades químicas en una molécula. Cuando se sitúan dentro de un campo magnético, los núcleos activos de RMN (como el 1 H, o el 13 C) absorben a una frecuencia característica del isotopo 18

39 como se muestra en la figura 2.3. La frecuencia de resonancia, la energía de la absorción y la intensidad de la señal son proporcionales a la fuerza del campo magnético. Figura 2.3. Esquema de la técnica RMN Espectroscopia (RAMAN). La espectroscopia Raman es una técnica fotónica de alta resolución que proporción en pocos segundos información química y estructural de casi cualquier material o compuesto orgánico y/o inorgánico. El análisis mediante espectroscopia Raman se basa en aplicación de luz dispersada por un material al incidir sobre el un haz de luz monocromático. Una pequeña porción de la luz es dispersada inelásticamente experimentando ligeros cambios de frecuencia que son característicos del material analizado e independiente de la frecuencia de la luz incidente. Se trata de una técnica de análisis que se realiza directamente sobre el material a analizar sin necesitar éste ningún tipo de preparación especial y que no conlleva ninguna alteración de la superficie sobre la que se realiza el análisis, es decir, es nodestructiva. La dispersión es la desviación de luz de su dirección original de incidencia. La interacción del vector de campo eléctrico de una onda electromagnética con los electrones del sistema con el que interactúa da lugar a la dispersión de la luz incidente. Tales interacciones inducen oscilaciones periódicas en los electrones del compuesto; por lo tanto, produce momentos eléctricos oscilantes. Esto lleva a tener nuevas fuentes emisoras de 19

40 radicación, es decir fuentes que remiten radiación en todas las direcciones como se muestra en la figura 2.4. Figura 2.4. Esquema de la técnica RAMAN Espectroscopia de Fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS). La técnica XPS analiza las energías de los electrones emitidos cuantitativa y cualitativamente. Como fuentes de excitación se usa las líneas K 1,2 de Mg o Al que tienen energías de y 1486 ev, respectivamente. Se utiliza un tubo de rayos X y se mide la energía cinética de los fotoelectrones una vez que salen de la superficie de la muestra. Las aplicaciones más importantes de la técnica XPS se basan en el hecho de que la interacción de los electrones con la materia es muy fuerte y las energías de los electrones emitidos son relativamente bajas por lo que son detenidos muy fácilmente. Solo electrones emitidos que han interaccionado en la superficie de la muestra pueden alcanzar el detector par ser analizados. Por esto, la técnica XPS es superficial, informa sobre tres o cuatro capas de átomos en la superficie de la muestra. Esto se describe esquemáticamente en la figura 2.5. [62] 20

41 Figura 2.5. Esquema de la técnica XPS Métodos Experimentales para Propiedades de Transporte. Existen diferentes métodos para la determinación de la viscosidad, a continuación se describen de manera general los más utilizados y eficientes. El método geológico se basa principalmente en los métodos mecánicos, además la tensión y alargamiento son valores mecánicos, que se determinan sobre la base de una deformación definida de la muestra. También en la medición simultánea, las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas cambian durante la deformación [63]. En los viscosímetros capilares, la caída de la velocidad requerida para la medición de la viscosidad se construye en la forma de un flujo laminar realizando la medición dentro del tubo capilar bajo condiciones idealizadas. Flujo laminar en condiciones isotérmicas. Flujo estacionario. Comportamiento de flujo Newtoniano del líquido. Que la viscosidad sea independiente de la presión. Incompresibilidad del líquido. Adherencia del líquido en la pared. 21

42 Viscosímetro Ubbelohde. Un viscosímetro de tipo Ubbelohde o viscosímetro de nivel suspendido, es un instrumento de medición que utiliza un método basado en la capilaridad para la medición de la viscosidad y se recomienda para soluciones de polímeros celulósicos de mayor viscosidad. La ventaja de este instrumento es que los valores obtenidos son independientes del volumen total. El viscosímetro Ubbelohde está estrechamente relacionado con el viscosímetro de Ostwald. Ambos son material de vidrio en forma de U con un depósito en un lado y una bombilla de medición con un capilar en el otro. El líquido se introduce en el depósito y después es aspirado a través del capilar y de la bombilla de medición. Se deja que el líquido regrese a través de la bombilla de medición y el tiempo que tarda el líquido en pasar a través de dos marcas calibradas es una medida de la viscosidad. El dispositivo Ubbelohde tiene un tercer brazo que se extiende desde el extremo del capilar y está abierto a la atmosfera. De esta manera la caída de presión depende de una altura fija y ya no del volumen total del líquido. Un viscosímetro Ubbelohde, es útil para la determinación de la viscosidad cinemática de líquidos newtonianos transparentes en el intervalo 0.3 a mm 2 /s. Un viscosímetro posee la misma constante a todas las temperaturas, esta propiedad es ventajosa cuando las mediciones se realizan en un intervalo diferente de temperaturas. El líquido es inducido a fluir solo hacia abajo de las paredes de la bombilla y por debajo del capilar, formando de este modo un nivel suspendido, lo que garantiza que el nivel del líquido inferior se fija automáticamente y coincide con el extremo inferior del capilar, evitando llenar el viscosímetro con un volumen definido del líquido y la aplicación de las correcciones para la expansión de vidrio debido a los cambios de temperatura. El viscosímetro se posiciona verticalmente, con el depósito debajo del capilar, para introducir el líquido en el tubo de llenado hasta la línea inferior. Se debe realizar con cuidado para evitar que el líquido no llegue por encima de la línea de llenado. El tubo en U se llena por completo en la parte inferior y debe de estar libre de aire, burbujas y partículas. Las ventajas del viscosímetro Ubbelohde son la velocidad de la medición, la precisión ( 0.1% ), pequeño tamaño de muestra y baja susceptibilidad a errores [63-64] Métodos Experimentales para Propiedades Volumétricas. En los métodos directos una de las variables PvT es medida como función de las otras dos, generalmente un volumen de cantidad conocida de líquido es medido como función de la temperatura y la presión. El método estático-sintético funciona como complemento a este método, el cual consta de una celda variables como parte principal. La celda se carga con 22

43 una cantidad conocida de cada uno de los componentes, se presuriza a temperatura constante para diferentes cargas, diferenciándolas solamente por la composición total. Estos valores se introducen en un balance de masa para calcular las fracciones mol de cada fase y los dos volúmenes molares saturados [65]. Las ventajas que tiene este método son las siguientes: las densidades de las mezclas binarias se conocen sin la necesidad de tomar muestras, el equipo tiene un arreglo experimental simple, se necesitan pequeñas cantidades de reactivo, la presión de la mezcla se ajusta continuamente a una composición y temperatura fija. En el caso de los piezómetros, el método está basado en la compresión del fluido de estudio, el cual se encuentra dentro de un recipiente con un volumen conocido al igual que la masa del fluido que se agrega al recipiente. El picnómetro o botella de gravedad específica, es un frasco de vidrio con un cierre sellado que consta de un tapón el cual dispone de un conducto central de diámetro muy pequeño, a fin de que el líquido sobrante sea vertido a través de un corte superior a 45º, lo cual permite disponer de un volumen con un alto nivel de exactitud entre mediciones. Con la información anterior (usando el principio de Arquímedes) se determina la densidad de un fluido en referencia a otro fluido de densidad conocida como el agua o el mercurio. Los picnómetros de vidrio se usan para medir la densidad de los líquidos no viscosos. En el caso de líquidos viscosos, con sedimento o productos especiales como las pinturas, se utilizan picnómetros metálicos. Cuando se alcanza las condiciones deseadas se espera a que el sistema se encuentre en equilibrio térmico y se determina el peso del recipiente [66] Densímetro de Tubo Vibrante (DTV). En la técnica de densimetría de tubo vibrante, la densidad se deduce de la frecuencia de resonancia que presenta un cuerpo. Por lo general el dispositivo tiene forma de U como se muestra en la figura 2.7, el cual es un tubo hueco que contiene el fluido a medir. En este caso el fluido es parte del sistema vibrante, por lo que se afecta directamente su masa y su frecuencia de resonancia, la geometría del tubo evita el uso de ecuaciones indirectas para el cálculo de la densidad, siendo así el uso de ecuaciones que relacionan directamente la frecuencia de resonancia del densímetro en vibración. El DTV consta de un bloque aislante que sujeta los extremos del tubo y lo aísla de vibraciones externas. En la sección libre del tubo hueco están montadas dos magnetos y en la base del densímetro se encuentran dos bobinas que se prolongan hasta las magnetos. La fuente de corriente se conecta a la bobina de entrada y el frecuenciómetro es conectado a la bobina de salida. La operación del densímetro consiste en activar la bobina de entrada con la fuente de energía, con lo que se aplica una fuerza en el magneto haciendo que el tubo vibre; un circuito de retroalimentación optimiza el tiempo entre cada pulso. 23

44 Figura 2.6. Densímetro de tubo vibrante (DTV). El tubo vibra transversalmente y el segundo magneto se mueve entrando y saliendo de la bobina de salida, este movimiento induce una corriente en una frecuencia igual a la vibración del tubo; el frecuencímetro recibe esta señal y mide la frecuencia o periodo natural de vibración. Debido a que el periodo de vibración del fluido cambia en función de la presión y temperatura, la frecuencia de oscilación del tubo también cambia [67]. Con el tubo vibrante de volumen interno v ( T, P) y masa m 0, lleno de un fluido con densidad, suspendido en un resorte con constante de elasticidad K (relacionando al módulo de Young, longitud, radio del tubo, coeficientes de compresibilidad y expansión térmica del material a la temperatura y presión para el tubo vibrante), se tendrá una frecuencia de oscilación; conociendo las características mecánicas del tubo, los periodos se convierten a densidades. La relación existente entre el periodo de vibración y la densidad del fluido está expresada por la ecuación (2.1). 1 (2.1) 2 B K Donde K y B son parámetros característicos del tubo en U del DTV. B se asume como independiente de la presión y temperatura. K es dependiente de la presión y se determina midiendo los periodos de vibración de los fluidos de referencia de ecuación conocida, a través de la ecuación: 24

45 K(, P) (2.2) Donde 1, 2, 1, 2 son las densidades y periodos de vibración de fluidos de referencia, generalmente estas densidades se encuentran entre el límite superior e inferior de la densidad del fluido en estudio. Para densidades bajas el fluido de referencia utilizado comúnmente es el nitrógeno, y desde las condiciones de vacío. Este método es rápido y preciso en la determinación de densidades experimentales. Por este motivo, el DTV se combina con el método sintético para medir simultáneamente el equilibrio de fases (líquido-vapor) y sus respectivas densidades en la saturación [68]. 25

46 CAPÍTULO III METODOLOGÍA Y EQUIPO EXPERIMENTAL En este apartado se describen a detalle las metodologías empleadas en este trabajo, las cuales son la preparación de los catalizadores por el método de precipitación, la reacción para la obtención de los ésteres metílicos, la etapa de separación y purificación posterior a la reacción de transesterificación, las pruebas para determinar la calidad del biodiesel y el estudio de las propiedades volumétricas y de transporte. Además se presentan los equipos experimentales utilizados en cada metodología Reactivos. Los reactivos utilizados en la síntesis de ésteres metílicos son aceite de palma (el peso molecular se determinó en este estudio) y metanol, el catalizador básico es una mezcla de óxido de calcio con óxido de zinc. Para las propiedades volumétricas y de transporte se utiliza dodecano grado reactivo. Las características de los reactivos se muestran en la tabla 3.1. Tabla Características de los reactivos empleados [69]. Reactivo Proveedor Pureza % CAS M i (g/mol) Metanol Sigma-Aldrich 99.9 [ ] Aceite de Palma Drotasa Dodecano Sigma-Aldrich 99 [ ] CaCl 2 Sigma-Aldrich 93 [ ] ZnO Sigma-Aldrich 99.9 [ ] Preparación de Catalizadores. El catalizador de CaO/ZnO se preparó por el método de precipitación, el cual debe realizarse en condiciones fuertemente básicas para garantizar condiciones de equilibrio donde la especie Zn intercambia la dualidad que presenta para poseerle estabilidad al material. Los métodos de estabilización parcial de óxidos metálicos se clasifican en: 26

47 Método Húmedo: consiste en la coprecipitación o interacción del sólido con una solución que contiene el componente de interés. Método Térmico: consiste en la calcinación de una mezcla de óxidos a altas temperaturas por largos periodos de tiempo. La temperatura de calcinación y la concentración de especies superficiales de ZnO tienen una marcada influencia en la estabilidad de la fase cristalina, en las características superficiales, área superficial, así como en la dualidad de sitios ácidos y básicos. En la figura 3.1 se presenta la metodología para llevar a cabo la síntesis de catalizadores por el método húmedo. Los catalizadores obtenidos tiene las siguientes concentraciones de óxido de zinc: 0%, 5%, 10%, 15% y 20%. Figura 3.1. Etapas para la síntesis del catalizador. 27

48 3.3. Sistema de Reacción. En la figura 3.2 se muestra el equipo experimental en la que tiene lugar la reacción de transesterificación de aceites vegetales con metanol, este consiste de un reactor discontinuo con agitación y capacidad para 250 ml. En la parte superior del reactor se encuentran tres entradas de cristal esmerilado cuyas funciones son las siguientes: La primera se utiliza para agregar el aceite y acoplar el refrigerante de reflujo, de esta manera se evitan pérdidas de metanol por evaporación. La segunda es para agregar el catalizador diluido en metanol y para la recolección de muestras cuando sea necesario. En la tercera se coloca un termómetro para monitorear esta variable durante de la reacción. En el interior del reactor se coloca un agitador magnético. El reactor está sobre una parrilla magnética con calentamiento que proporciona la agitación necesaria y la temperatura deseada para desarrollar la reacción. Figura 3.2. Equipo experimental del sistema de reacción. 28

49 3.4. Reacción de Transesterificación. A continuación se describen las etapas para realizar la transesterificación de aceite vegetal. Posterior a la obtención del catalizador a diferentes concentraciones, se utilizó uno a composición definida y se preparó el equipo experimental. 1. Se agregaron 50 ml de aceite vegetal en el reactor. 2. Se fijó la temperatura de reacción en la parrilla de agitación. 3. Se preparó la disolución del catalizar en metanol (1 g de catalizador en 200 ml de metanol). 4. Alcanzada la temperatura de reacción, se conectó el refrigerante de reflujo al reactor. 5. Se activó el sistema de agitación. 6. La disolución de catalizador metanol se agregó al reactor. Este será el inicio de cada experimento, considerado como tiempo cero. 7. Se dejó transcurrir el tiempo de reacción (3 horas) Etapas de separación y purificación. Las operaciones básicas consideradas para llevar a cabo la separación de los productos de reacción y la purificación de los ésteres metílicos son las siguientes: 1. Decantación 3. Lavados con agua. 4. Evaporación. En la figura 3.3 se presenta de manera secuencial estas etapas previás Al estudio de su influencia sobre la pureza y el rendimiento de los ésteres metílicos. Reacción Decantación Lavados con agua y evaporación Ésteres Metílicos Figura 3.3. Etapas del proceso de obtención de biodiesel. Finalizada la reacción, se realizó el siguiente procedimiento: 1. Los productos reacción se colocaron en un embudo de decantación (ver figura 3.4) para separar la fase éster de la fase glicerina y se agitó circunferencialmente. Con la 29

50 finalidad de que la temperatura del recipiente alcanzara la temperatura ambiente, se dejó estabilizar por 10 horas. 2. La fase rica en glicerina se separa por la parte inferior del embudo. 3. Tras la separación de la glicerina, el producto libre de glicerina se lavó con agua ya que al ser un compuesto polar disuelve al metanol y al catalizador disuelto en la fase orgánica de los ésteres metílicos. 4. Se llevaron a cabo dos lavados con 50 ml de agua desionizada bajo agitación moderada para evitar la emulsión del medio. Se dejó un tiempo de decantación por 3 horas para separar el agua de la fase orgánica. 5. Los ésteres metílicos se trasvasaron del embudo a un vaso de precipitados para llevar a cabo la última evaporación como se muestra en la figura 3.4. En la campana de extracción, la placa magnética de calentamiento se conectó con el termómetro de contacto a 110 C para evaporar el agua y el metanol no eliminados en las etapas de lavado con agua. Los ésteres metílicos son confinados en un recipiente hermético para evitar su contaminación con el medio. Figura 3.4. Proceso de decantación. Figura 3.5. Proceso de evaporación. 30

51 3.6. Cantidad de Humedad. La valoración Karl Fischer es un método de determinación de la humedad en muestras desde gran contenido (análisis por volumetría) hasta contenidos de agua dentro del margen ppm (coulometría). El procedimiento de análisis básicamente consiste en: El equipo se enciende el equipo y se espera 10 min aproximadamente para que se estabilice las partes internas del equipo. Posteriormente se agrega la solución Cou-Lo Formula A, Item # Finalmente se inyecta un mililitro de la muestra en estudio manteniendo la solución completamente homogénea con ayuda de un agitador magnético por un tiempo de 1 minuto. El equipo proporciona los resultados en partes por millón (ppm) de agua Densidad. El equipo experimental utilizado para la determinación experimental de la densidad es un densímetro de tubo vibrante (DTV) marca Anton-Paar modelo DMA 4500 y se ilustra en la figura 3.6. En el DTV se realizan mediciones de densidad rápidas y con una precisión de ± 5 x 10-6 g/cm 3 en todo el intervalo de temperatura sin necesidad de múltiples calibraciones. La temperatura tiene una incertidumbre de ±0.03 C, y su repetitividad ± 0.01 C. Esto permite obtener lecturas estables por largos periodos de tiempo. Figura 3.6. Equipo para la determinación de las densidades: 1. Densímetro de tubo vibrante, 2. Regulador de Energía, 3.Cartucho de secado, 4. Balanza gravimétrica, 5.Bomba de Vacio, 6.Trampa de vacío. El modulo oscilador del densímetro, cuenta con un tubo vibrante de borosilicato, que ocupa una muestra de 1 ml, la resolución de los periodos de oscilaciones de 1x10-6 s -1 y la 31

52 repetitividad es de ±1x10-5 s -1 las presiones de trabajo que manejan están en el intervalo de 0 a 10 bar [66,70,71]. El procedimiento consiste en los siguientes pasos: 1. Es necesario que el DTV sea calibrado antes de la determinación experimental de la densidad del fluido en estudio. 2. Se inyecta el fluido en estudio al densímetro de tubo vibrante, donde se aprecia por medio de una cámara si el llenado del mismo se realiza completamente, sin presencia de burbujas dentro del DTV. 3. La temperatura de medición se fija, una vez estable se presionó el botón inicio para obtener la medición de la muestra, esto se realiza por 5 ocasiones para obtener una repetitividad de los datos. 4. Se introduce más muestra y se cambia la temperatura para obtener una nueva lectura de densidad a estas nuevas condiciones de acuerdo al paso anterior. 5. Se lava y se seca el equipo para evitar cualquier presencia de la muestra anterior. 6. Se introduce una nueva muestra repitiéndose los pasos 2 al 5. El equipo relaciona los periodos de vibración de la celda y los transforma indirectamente a densidad de acuerdo a la calibración previa del equipo Viscosidad. La medición de viscosidad cinemática de las muestras es un método directo por medio de la técnica del viscosímetro capilar Cannon-Fenske. Normalmente este modelo tiene la forma de U como se aprecia en la figura 3.7. Los viscosímetros utilizados están calibrados y certificados para mediciones de viscosidad cinemática de líquidos newtonianos transparentes, particularmente en productos derivados del petróleo y lubricantes bajo especificaciones conforme a la norma ASTM D-445 [72]. La muestra mínima es de 7 ml y el procedimiento de medición es el siguiente: 1. El viscosímetro se llena con la solución que se desea estudiar hasta el nivel superior, o marca A. 2. Posteriormente el fluido se succiona rebasando la marca del bulbo a través del tubo capilar, hasta la marca B. 32

53 3. Enseguida, el fluido pasa a través del tubo capilar bajo la influencia de la presión hidrostática del mismo. 4. Se registra el tiempo que transcurre desde que el fluido pasa de la marca B hasta la marca C dentro del tubo capilar. 5. El tiempo se multiplica por una constante del instrumento para determinar la viscosidad cinemática del fluido. 6. Como el tiempo de trayectoria del punto B a C es dependiente de la densidad y la viscosidad de un fluido, el viscosímetro de flujo capilar da una lectura directa de la viscosidad cinemática. Figura 3.7. Equipo para la determinación de las viscosidades: 1) recirculador, 2) viscosímetro, 3) parrilla de agitación, 4) indicador de temperatura, 5) adquisición de datos Índice de refracción. El refractómetro tipo Abbe mostrado en la figura 3.8 es recomendable para determinar la refracción de líquidos y sólidos entre 1.30 a 1.71, determina el porcentaje de sólidos disueltos dentro del refractómetro a ±0.2%. La lámpara es resistente a todos los cables montados en el brazo de la corrosión. La escala del índice de refracción tiene una de precisión subdividida en unidades de nd, el vernier micrométrico asegura ajustes en la lectura del índice de refracción. La temperatura de la muestra se mantiene constante en ambos cuadros del prisma por el sistema de flujo de agua con el recirculador [73]. 33

54 Figura 3.8. Equipo para la determinación del índice de refracción: 1) recirculador, 2) refractómetro, 3) indicador de temperatura, 4) adquisición de datos. La determinación del índice de refracción para una substancia se realiza de la siguiente manera: 1. En primer lugar se comprueban las lecturas adecuadas del refractómetro comprobando que el índice de refracción de agua sea Se coloca el refractómetro frente a una buena fuente de iluminación. 3. Una vez comprobado que los prismas están perfectamente limpios, con una pipeta y sobre la superficie del prisma inferior (en posición horizontal), se llena la superficie la superficie del prisma a estudiar, abriendo la ventana se hace incidir un haz de radiación. 4. Observando por el ocular, con el cromatizador (mando situado a la derecha), corregimos el ruido cromático. 6. Enseguida se ajusta la medida del índice de refracción con el mando situado abajo a la derecha. 7. La escala de lectura situada en la parte inferior del campo se ilumina con el flexo auxiliar, proporcionando los resultados de índice de refracción. 34

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