Práctica. Obtención de biodiesel 1 1 Obtención de biodiesel. Tiempo: 2.5 horas 1.1 Objetivo y fundamento teórico El objetivo de la práctica es la valorización de aceite vegetal usado mediante un proceso de transesterificación para obtener un combustible denominado biodiesel. El biodiésel es un combustible obtenido a partir de grasas de animales o aceites vegetales. Está compuesto de ésteres metílicos de ácidos grasos, producidos a través de una reacción de transesterificación. En el proceso de transesterificación los ésteres que forman parte de las grasas y aceites, llamados triglicéridos (ésteres de glicerina), reaccionan con metanol (CH 3 OH), obteniéndose ésteres metílicos (biodiésel) y glicerina. Se emplea hidróxido de sodio (NaOH), u otra base similar, como catalizador. A continuación se muestra la reacción de transesterificación (normalmente los R son distintos, por lo que también darán distintos ésteres) Se pueden emplear otros alcoholes, aunque generalmente es metanol, obteniéndose los correspondientes ésteres. El biodiésel presenta algunas ventajas comparado con los combustibles fósiles, especialmente desde el punto de vista ambiental y de desarrollo sostenible; la materia prima de la que se obtiene (biomasa) es un recurso renovable y en la combustión sólo se emite dióxido de carbono (CO 2 ) y agua, mientras que los combustibles fósiles emiten además contaminantes precursores de la lluvia ácida (principalmente óxidos de azufre), y residuos sólidos. Por otra parte, la glicerina que se obtiene como subproducto se puede emplear en otros procesos industriales.
Práctica. Obtención de biodiesel 2 1.2 Material y reactivos necesarios
Práctica. Obtención de biodiesel 3
Práctica. Obtención de biodiesel 4 1.3 Procedimiento experimental Ejemplo de síntesis de biodiésel a partir de aceite vegetal. En la práctica, por falta de tiempo, se realizará la práctica con aceite de girasol, pero es evidente que los aceites vegetales usados de cocina son una fuente atractiva de biodiesel, pero son más difíciles de convertir porque pueden contener una mayor cantidad de ácidos grasos libres y pueden provocar grandes problemas. En caso de utilizar como materia prima aceite usado, deberían realizarse los puntos 1.3.1 y 1.3.2. En nuestro caso particular, saltaremos directamente al punto 1.3.3 ya que utilizaremos aceite de girasol como materia prima. 1.3.1 Sedimentación y filtrado del aceite usado. Se debe filtrar el aceite usado para eliminar las partículas en suspensión. Se recomienda realizar una filtración al vacío, con un embudo buchner y recoger el aceite filtrado en un Kitasatos. 1.3.2 Eliminación del agua presente en el aceite usado. Primero de todo, es necesario retirar cualquier agua presente en el aceite usado. Para ello se calienta el aceite a 104ºC durante una hora o hasta que no se puedan ver burbujas. Se deja enfriar. 1.3.3 Determinación de la cantidad de ácidos grasos libres Es necesario valorar o titular el aceite para determinar qué cantidad de ácidos grasos libres contiene. Para medir la cantidad de ácidos grasos libres del aceite: mezclar 1 ml de aceite con 10 ml de alcohol isopropílico + 2 gotas de solución de fenolftaleina Gota a gota, añada solución de sosa al 0,1% mediante agitación vigorosa hasta que la solución se queda rosácea durante 10 segundos y registre los mililitros de solución de sosa al 0,1% usados. 1.3.4 Obtención de biodiesel Se toman 150 ml de aceite vegetal y se colocan en un vaso de precipitados de 250 ml y se calienta a 60 ºC.
Práctica. Obtención de biodiesel 5 En un vaso de precipitados de 100 ml se colocan 27 ml (25% en volumen) de metanol a los que se añaden 1.37 g 1 (1% en peso) de hidróxido sódico remover vigorosamente (la mezcla debe ser ligeramente nublosa y se denomina metóxido sódico.) Se añade la mezcla metanol-sosa al aceite caliente mientras los agita vigorosamente, utilizando un agitador. Agítelo durante 60 minutos. La mezcla es al principio espesa y luego se vuelve más fina que el aceite original. Deje que la mezcla sedimente. El biodiesel flota en la parte superior y puede ser vertido en un contenedor para ser visto. La glicerina y el jabón van al fondo y pueden ser descartados. 1.3.5 Tratamiento del biodiesel El biodiesel debe secarse, para ello se calienta el aceite a 104ºC durante una hora o hasta que no se puedan ver burbujas. Se deja enfriar. Este biodiésel claro puede contener una muy pequeña cantidad de jabón. Si se quiere usar en un vehículo, puede que no tenga mayor importancia. No obstante, si se quiere fabricar en grandes cantidades o para la venta, las especificaciones europeas requieren que se retire el jabón por lavado o utilizando otros medios efectivos. 1 Esta cantidad de hidróxido sódico es la óptima para aceites usados con un contenido en ácidos grasos volátiles inferior al 1%. Hay que comprobarlo con el resultado el apartado 1.3.3.
Práctica. Obtención de biodiesel 6 1.4 Determinación de los parámetros físicoquímicos. Determinar la densidad, la viscosidad y punto de inflamación del producto obtenido y compararlo con datos de diesel comercial. 1.4.1 Determinar la densidad. (EN ISO 3838:2004) Tomar muestra del biodiesel y determinar la densidad mediante picnómetro. Seguir los siguientes pasos: 1. Lavar y secar el picnómetro 2. Pesar el picnómetro vacío 3. Llenarlo con agua destilada hasta que rebose y taparlo 4. Secar el exterior del picnómetro y volverlo a pesar 5. Vaciar, lavar y secar el picnómetro 6. Llenarlo con el biodiesel obtenido y volverlo a pesar Para determinar el volumen del picnómetro, primero hay que calcular el volumen del picnómetro mediante los datos obtenidos con el agua destilada sabiendo la densidad del agua a temperatura ambiente. La densidad es igual a la masa del biodiesel dividido por el volumen del biodiesel que será igual al volumen del picnómetro. Una vez calculado el volumen del picnómetro, y sabiendo la masa de biodiesel ya se está en disposición de calcular la densidad del biodiesel. 1.4.2 Determinar la viscosidad cinemática (EN ISO 3104:1994) Cargar el viscosímetro tipos Ostwald y colocarlo en el baño de la forma obligada por el diseño del aparato. Mantener el viscosímetro cargado en el baño el tiempo suficiente para que alcance la temperatura del ensayo (38 ºC). A menos que se indique otro valor en el manual de instrucciones del viscosímetro, ajustar el nivel superior de la muestra en el capilar a unos 7 mm por encima de la primera marca de cronometraje, bien por aspiración (si la muestra no contiene componentes volátiles) o bien por presión. Cuando la muestra fluya libremente, medir en segundos el tiempo necesario para que el menisco pase de la primera a la segunda marca. Cálculos: viscosidad cinemática (mm 2 / s) = Constante de calibración del viscosímetro (mm 2 /s 2 ) tiempo (s) 1.4.3 Determinar el punto de inflamación (EN ISO 3679) Se llena con un volumen determinado (en función del depósito del aparato) el depósito del aparato y se cierra.
Práctica. Obtención de biodiesel 7 Se programa el temporizador a 1 min. Se abre la válvula de control de gas y se enciende el piloto y las llamas de ensayo. Cuando se oiga la señal del temporizador, se aplica la llama de ensayo abriendo el cierre lenta y uniformemente, y luego cerrándolo durante un periodo de dos a tres segundos. Se comprueba si se ha producido la inflamación. Si se observa una inflamación, se repite el procedimiento con una nueva muestra y empezando a una temperatura 5ºC menor a la que se ha observado la inflamación. Si aún así, se observa todavía una inflamación, se disminuye la temperatura otros 5ºC y se repite de nuevo el ensayo. Se repite hasta que no se observe la inflamación. Si no se observa una inflamación, se repite el procedimiento con una nueva muestra a una temperatura 5ºC superior en cada ensayo hasta que se observe la inflamación. Se repite el procedimiento empleando una nueva muestra para cada ensayo a intervalos de 1ºC, empezando por el intervalo de 5ºC más pequeño establecido separadamente en los dos puntos anteriores (inferior y superior) hasta que se observe inflamación. Para mayor sensibilidad se pueden realizar los ensayos utilitzando intervalos de temperatura inferior. Se anota la temperatura, que sería el punto de inflamación observado. Nota: Para economizar tiempo, no se cambiará la muestra cada vez, sino que se irá aumentando la temperatura en la misma muestra hasta que se observe inflamación. 1.5 Disposición de los residuos Consultar al profesor la disposición de los residuos que genera esta práctica 1.6 Cuestiones 1. Calcular el rendimiento de la reacción (l de biodiésel/l aceite usado). 2. Ventajas y desventajas ambientales, técnicas y sociales del uso de biodiésel frente a un combustible fósil tradicional (gasoil). 3. Pasos a seguir para la obtención de biodiésel a escala industrial. 4. Comparar los parámetros fisicoquímicos obtenidos con los reales de un diesel comercial.