CATALISADOR HETEROGÊNEO PROVENIENTE DA CASCA DO TUCUMÃ (Astrocaryum aculeatum Meyer) PARA SÍNTESE DE BIODIESEL

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Iniciação Científica

Autores

Mendonça, I. (UEA) ; Paes, O. (UFAM) ; Maia, P. (UFAM) ; Silva, C. (UEA) ; Duvoisin Junior, S. (UEA) ; Freitas, F. (UFAM)

Resumo

O biodiesel tem sido uma alternativa para a redução da emissão de CO2 e de chuvas ácidas, além de ser um combustível renovável e biodegradável. Na síntese deste biocombustível, via transesterificação de óleos vegetais, normalmente se utiliza catalisadores homogêneos, que dificulta a obtenção de um óleo de baixo valor e livre de impurezas. A fim de minimizar estes problemas, o objetivo deste trabalho foi obter e avaliar o catalisador heterogêneo derivado da casca do tucumã, fruto muito consumido na região norte do Brasil, na síntese de biodiesel. Com o emprego de 1% m/m de catalisador, 4 horas de reação a 80 °C e razão molar metanol:óleo 15:1 obteve-se conversões do óleo de soja em biodiesel superiores a 97%.

Palavras chaves

Biodiesel; Tucumã; Catálise heterogênea

Introdução

O biodiesel, ésteres metílicos de ácidos graxos, tem se tornado atrativo por ser um biocombustível livre de enxofre e aromáticos, natureza renovável, biodegradável, atóxico, com um ponto de ebulição superior ao do diesel, e que normalmente é obtido através da transesterificação de diversos óleos (PARK et al., 2010; REDDY et al., 2006). A reação de transesterificação é feita com catalisadores básicos homogêneos, tais como KOH ou NaOH dissolvido em metanol. Este processo pode fornecer altos rendimentos (90-95% m/m) sob condições brandas (GUZATTO et al., 2011). Contudo, a utilização destes catalisadores requer uma etapa de purificação para remover as impurezas catalíticas, sendo este procedimento complexo e caro, necessitando utilizar uma grande quantidade de água (KOUZU e HIDAKA, 2012). Os custos deste procedimento podem ser minimizados utilizando um catalisador heterogêneo (YAAKOB et al., 2013). Este tipo de catalisador tem a vantagem de fácil separação do meio reacional, possibilidade de ser reutilizado, redução de etapas de purificação, além de viabilizar a produção do biocombustível por processo contínuo, utilizando reatores de leito fixo (PIKER et al., 2016). O tucumanzeiro (Astrocaryum aculeatum Meyer), planta bastante resistente encontrada por toda a Amazônia, produz em média 720 frutos por ano (SHANLEY e MEDINA, 2005). O tucumã é muito consumido na região norte do Brasil, gerando uma grande quantidade de rejeitos (cascas e sementes), onde as sementes têm algumas aplicações, tais como artesanato, produção de óleo da amêndoa e ração animal (LEITÃO, 2008). Como a casca não apresenta aplicações, o objetivo desse trabalho foi obter e avaliar o produto da calcinação das cascas do tucumã como catalisador na transesterificação do óleo de soja.

Material e métodos

As cascas do fruto coletadas na Feira do Produtor (Manaus) foram lavadas, secas em estufa com circulação de ar a 80 °C e trituradas em moinho de faca. Em seguida, foram calcinadas por 4 horas a 800 °C com taxa de aquecimento de 10°C/min com fluxo de ar. O pó de coloração esverdeada foi caracterizado por fluorescência de raios-X por dispersão de ondas (FRXDO) (modelo Supermini da marca Rigaku) (GAUGLITZ e VO-DINH, 2003) para a determinação quantitativa de elementos e por espectroscopia na região do infravermelho (Espectrofotômetro Shimadzu, IRAffinity – 1S). O índice de acidez do óleo de soja refinado foi quantificado por titulação, segundo REIS et al., 2015. Análise feita em triplicata. As reações de transesterificação foram feitas inicialmente utilizando uma razão molar metanol:óleo de soja 10:1, catalisador obtido (10% m/m em relação ao óleo), permanecendo o meio reacional a 80 °C e sob agitação durante 4 horas. Em seguida, variou-se a carga de catalisador (1, 5 e 10%), a temperatura (40, 60 e 80 °C) e o tempo reacional (2 e 4 horas). Também foram feitas reações sem aquecimento variando o tempo (1 e 2 dias) com percentual do catalisador 1 e 5% m/m. Todas as reações foram feitas em duplicata. A conversão do óleo em ésteres metílicos foi avaliada por RMN de 1H (BRUKER Avance III HD) operando em 500 MHz, onde as áreas dos sinais correspondentes aos grupos OCH3 (do éster metílico) e CH2-C=O (do óleo não reagido e do éster formado) foram medidos ao longo da reação (ROSET et al., 2013). A lixiviação do catalisador também foi analisada por FRXDO, onde se procurou observar a presença dos elementos do catalisador no biodiesel obtido após a reação de transesterificação.

Resultado e discussão

O catalisador obtido apresentou uma cor esverdeada e um teor de cinzas igual a 3%. Por meio da técnica FRXDO foi possível quantificar os elementos presentes no catalisador obtido (Tabela 1), onde é possível observar uma predominância de elementos alcalinos (82%). O catalisador também foi caracterizado por espectroscopia na região do infravermelho, apresentando bandas características em torno de 550 e 700 cm- 1 e a banda acentuada próximo de 1000 cm-1 correspondentes a fosfatos e também silicatos, carbonatos (1448 cm-1) e de óxidos (1375 cm-1). As bandas observadas em 3100 e 1670 cm-1 correspondem à absorção de água ocorrida durante o processo de maceração para análise no espectrômetro (GEN-TAO et al., 2009; IRYNA-SPORYSH et al., 2010; SHARMA et al., 2012). O óleo de soja foi caracterizado pelo índice de acidez, apresentando 0,45 mg de KOH/g. Os óleos utilizados na produção do biodiesel com acidez maior que 2 mg KOH/g precisarão de um pré-tratamento para eliminação dos ácidos graxos livres, pois estes podem desativar os catalisadores básicos (YAAKOB et al., 2013). As reações de transesterificação foram feitas variando-se o percentual de catalisador, a razão molar metanol:óleo e a temperatura. É possível observar a conversão de todas as reações feitas na Tabela 2, onde a utilização de apenas 1% do catalisador foi suficiente para alcançar conversão superior a 97%. Ao usar 5% de catalisador com 48 horas de reação a temp. ambiente, obteve-se um percentual próximo do percentual obtido a 80 °C com 4 h. Os óleos sintetizados foram analisados através da técnica FRXDO e não ocorreu uma mudança significativa na concentração elementar, confirmando a natureza heterogênea do catalisador. SHARMA et al. (2012) observaram comportamento similar com o catalisador.

Quantificação por FRXDO dos elementos presentes no catalisador, no óleo de soja utilizado e nos óleos sintetizados com 5 e 10 % de catalisador


Condições reacionais da reação de transesterificação e percentual de conversão do óleo em biodiesel

Conclusões

O presente estudo aborda a síntese de um novo catalisador heterogêneo derivado da calcinação das cascas do fruto tucumã que são principalmente constituídas por K, P, Ca e Mg. O catalisador obtido apresentou boa atividade catalítica na transesterificação do óleo de soja com metanol para a preparação de biodiesel. Uma conversão em ésteres em torno de 97 % pode ser alcançada com este catalisador. O estudo revelou a possibilidade de produzir um potencial catalisador heterogêneo barato e eficiente a partir da casca do tucumã para síntese de biodiesel, dando utilidade a este rejeito.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao Aquiles Costa Margarido pela coleta das cascas do tucumã, ao Grupo de Pesquisa Química Aplicada à Tecnologia e a UEA.

Referências

PARK, J.Y., WANG, Z.M., KIM, D.K., LEE, J.S. Effects of water on the esterification of free fatty acids by acid catalysts. Renewable Energy, v. 35, p. 614-618, 2010.
REDDY, C., REDDY, V., OSHEL, R., VERKADE, J.G. Room-temperature conversion of soybean oil and poultry fat to biodiesel catalyzed by nanocrystalline calcium oxides. Energy Fuel v. 20, p. 1310–1314, 2006.
GUZATTO, R., DE MARTINI, T.L., SAMIOS, D. The use of a modified TDSP for biodiesel production from soybean, linseed and waste cooking oil. Fuel Process Technoloy, v. 92, p. 2083–2088, 2011.
KOUZU, M., HIDAKA, J.S. Transesterification of vegetable oil into biodiesel catalyzed by CaO: a review. Fuel, v. 93, p. 1–12, 2012.
YAAKOB, Z., MOHAMMADA, M., ALHERBAWI, M., ALAM, Z., SOPIAN, K. Overview of the production of biodiesel from waste cooking oil. Renewable & Sustainable Energy Reviews, v. 18, p. 184–193, 2013.
PIKER, A., TABAH, B., PERKAS, N., GEDANKEN, A. A green and low-cost room temperature biodiesel production method from waste oil using egg shells as catalyst. Fuel, v. 182, p.34–41, 2016.
SHANLEY, P., MEDINA, G. Frutíferas e plantas uteis na vida amazônica. Bélem: CIFOR, Imazon, p.209-222, 2005.
LEITAO, A.M. Caracterização morfológica e físico-química de frutos e sementes de Astrocaryum aculeatum Meyer (Arecaceae), de uma floresta secundária. 2008, p.19. Tese de Doutorado (Programa de Pós-Graduação em Biologia Tropical e Recursos Naturais), Universidade Federal do Amazonas, Manaus, 2008.
GAUGLITZ, G. e VO-DINH, T. Handbook of Spectroscopy. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2003.
REIS, M.C., FREITAS, F.A., LACHTER, E.R., SAN GIL, R.A.S., NASCIMENTO, R.S.V. POUBEL, R.L., BORRÉ, L.B. Produção de biodiesel a partir de ácidos graxos provenientes do refino de óleos vegetais via catálise ácida heterogênea e micro-ondas. Química Nova, v. 38, p.1307-1312, 2015.
ROSSET, I. G.; CAVALHEIRO, M. C. H. T.; ASSAF, E. M.; PORTO, A. L. M. Enzymatic esterification of oleic acid with aliphatic alcohols for the biodiesel production by Candida antarctica lipase. Catalysis letters, v. 143, p. 863–872, 2013.
GEN-TAO, Z., QI-ZHI, Y., JIE, N., GU, J. Formation of aragonite mesocrystals and implication for biomineralization. American Mineralogist, v. 94, p.293-302 2009.
IRYNA-SPORYSH, E. S., OLEG, L., SHYNKARUK, A., VITALII-DUBOK, E. B., UWE, R., SCHARFF, P. Biomimetic hydroxyapatite nanocrystals in composites with C60 and Au-DNA nanoparticles: IR-spectral study. Materials science & engineering. B, v. 169, p. 128-133, 2010.
DEKA, D.C. e BASUMATARY S. High quality biodiesel from yellow oleander (Thevetia peruviana) seed oil. Biomass Bioenergy, v. 35, p.1797–1803, 2011.
KNOTHE, G. e DUNN, R.O. Dependence of oil stability index of fatty compounds on their structure and concentration and presence of metals. Journal of the American Oil Chemist’s Society, v. 80, p. 1021-1026, 2003.
SHARMA, M., KHAN, A.A., PURI, S.K., TULI, D.K. Wood ash as a potential heterogeneous catalyst for biodiesel synthesis. Biomass and Bioenergy, v. 41, p. 94-106, 2012.