ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA NAS PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DA BIOGASOLINA

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Físico-Química

Autores

de Jesus Pantoja da Gama, V. (UNIFESSPA) ; Patricia Pedrosa Braga, E. (UNIFESSPA) ; Silva Santanna, J. (UNIFESSPA) ; Alex Pereira da Mota, S. (UNIFESSPA)

Resumo

No presente trabalho investigou-se a influencia da variação da matéria prima, aplicando como matéria-prima, no processo de craqueamento catalítico, os resíduos urbanos e agroindustriais (óleo de fritura e sebo bovino), e empregando como catalisador o carbonato de sódio com grau de pureza de 99,5%, para a obtenção da fracão biogasolina, a qual foi caracterizada a partir de caracterizações físico- químicas e composicionais (aplicando a técnica de espectroscopia na região do infravermelho).

Palavras chaves

Resíduos agroindustriais; Craqueamento; Biocombustíveis

Introdução

Devido ao crescimento do padrão de vida das populações, os preços dos combustíveis, e seus impactos sobre o efeito estufa são elevados e acelerados respectivamente. Tal fato eleva também a corrida pelo desenvolvimento de combustíveis renováveis (biocombustíveis) ​​e não poluentes (ABNISA et al., 2014 ; MOHANTY et al. , 2012 ; ZHANG et al., 2014 ). Segundo Borugadda e Goud (2012), os biocombustíveis podem ser produzidos através de óleos vegetais, gorduras de origem animal, e até resíduos urbanos e agroindústrias, tais como óleos utilizados em processos de fritura por imersão e gorduras animais. Estas matérias possuem em sua composição uma grande quantidade de triglicerídeos, que tem rede molecular semelhante as dos hidrocarbonetos do petróleo. Ramos et al. (2011) descrevem que existem diversas rotas tecnológicas para produção de biocombustíveis, como por exemplo a transesterificação, esterificação e o craqueamento. O craqueamento é uma rota que vem ganhando destaque na produção de biocombustíveis (MA e HANNA, 1999), esse processo ocorre em duas etapas sucessivas e distintas. A primeira etapa, conhecida como cracking primário, é caracterizada pela formação de espécies ácidas por meio da decomposição de moléculas de triacilglicerídeos, que ocorre por quebra das ligações C-O na parte glicerídica da cadeia triacilglicerídica. O segundo estágio é caracterizado pela degradação dos ácidos produzidos no primeiro estágio, levando à formação de hidrocarbonetos com propriedades semelhantes às dos derivados de petróleo. Este estágio é chamado de cracking secundário  (MOTA, 2013). O craqueamento pode ocorrer na ausência de um catalisador, sendo caracterizado como um craqueamento do tipo térmico, no qual os efeitos da temperatura são os únicos responsáveis pelas quebras das moléculas dos triglicerídeos ou pode ocorrer com o emprego de um catalisador, onde o mesmo seria responsável por diminuir a energia da reação global, além de melhorar as propriedades dos produtos gerados (PRADO, 2009; SUAREZ; 2009; OLIVEIRA, 2013). A presença de catalisadores na reação de craqueamento pode favorecer reações específicas, alterando a composição final dos produtos obtidos, bem como desoxigenando os Produtos Líquidos Orgânicos (PLOs), melhorando, portanto, a qualidade dos biocombustíveis (MANCIO, et al., 2017). Neste contexto, com uma vasta gama de possibilidades de matérias primas a serem exploradas, investigou-se a influência da variação da matéria prima na qualidade da biogasolina, utilizando como catalisador o carbonato de sódio com grau de pureza de 99,5%, no processo de craqueamento, onde se obteve as frações referente a biogasolina, as quais foram analisadas através das propriedades físico-químicas e infravermelho.

Material e métodos

Utilizou-se como matérias primas o óleo de soja residual proveniente de processos de frituras (OF) o qual foi coletado em um estabelecimento comercial da cidade de Marabá – PA, e o sebo bovino in natura (SB) que foi adquirido em um abatedouro na cidade de Brejo Grande do Araguaia – PA. E utilizou-se no experimento de craqueamento térmico catalítico o catalisador carbonato de sódio (Na2CO3) com pureza de 99,5% da marca VETEC. Os sistemas craqueador e destilador são constituídos dos seguintes equipamentos: Manta térmica da marca Quimis, modelo Q321A25, com potência de 570W, balão volumétrico de fundo redondo com capacidade de 1L, um condensador de casco e tubo, um funil de decantação, um termopar, uma junta de saída de gases não condensáveis – GNC e uma coluna de destilação do tipo Vigreux, com 12 reentrâncias que é presente apenas no sistema de destilação. Com auxílio destes sistemas obteve-se as frações biogasolinas, onde no sistema craqueador realizou- se o processo de craqueamento, onde a temperatura de craqueamento foi de 450°C, após esse processo obteve o PLO o qual foi submetido ao processo de destilação com assessoria do sistema de destilação, onde obteve a fração biogasolina na temperatura de 40°C à 160°C, de acordo com a adaptação da literatura Szklo e Uler, 2008.

Resultado e discussão

Na Tabela abaixo podemos observar os resultados das propriedades físico-químicas, do rendimento e dos parâmetros de processo dos experimentos realizados no presente trabalho. No efeito da variação da matéria prima, observa-se que o craqueamento catalítico do óleo de fritura possui uma eficiência maior que o sebo bovino, em relação ao tempo e temperatura de craqueamento, uma vez que teve início em 253,70ºC com um tempo total do processo de 41 minutos, uma grande diferença em relação ao sebo bovino que iniciou em 345.30ºC e teve como tempo total de processo 67 minutos. Segundo Gustone (2004) o ponto de fusão diminui consideravelmente se o óleo/gordura for demasiado insaturado e aumenta conforme o mesmo seja saturado. Isso porque, cadeias carbônicas saturadas podem se agrupar com mais facilidade, uma vez que as forças de Van Der Waals que as mantém unidas, conserva o nível de agregação entra as moléculas, o que torna o ponto de fusão mais alto. Dessa forma isso explica o porquê à degradação de gorduras ocorre em temperaturas mais elevadas, se comparadas aos óleos, e por que o tempo total do processo é maior para o sebo bovino. Observou-se também que o catalisador foi eficaz no que diz respeito a energia necessária para início da quebra de moléculas, visto que segundo Quirino (2006), craqueamentos térmicos iniciam-se em temperaturas próximas a 400°C, e dessa forma um proveitoso catalisador necessita apresentar uma temperatura inferior a esse valor. E foi eficaz em relação a desacidificação, que diz respeito a segunda etapa do processo de craqueamento de acordo com Chang & Wan (1947), segundo Rodrigues (2011), a desoxigenação está relacionada à oxofilicidade do catalisador. A oxofilicidade é a afinidade do átomo de um metal ao átomo de oxigênio facilitando assim a reação de hidrodesoxigenação dos produtos da reação, se comparar os resultados obtidos por Oliveira (2014) que obteve um índice de acidez de 150,10 mg de KOH/g utilizando como catalisador a Dolomita 700 com a matéria-prima óleo de fritura. Em relação as propriedades físico-químicas, observa-se que os melhores resultados são da biogasolina oriunda do craqueamento térmico catalítico do sebo bovino, pois apresenta o índice de acidez, índice de saponificação e índice de éster mais baixo que a biogasolina oriunda do craqueamento térmico catalítico do óleo de fritura, isso ocorreu devido a matéria prima (óleo de fritura) já se encontrar acida, devido passar por repetidos processos de fritura por imersão, sendo então exposto a luz, ar e componentes presentes nos alimentos, o que pode acarretar reações hidrofílicas e oxidativas que aceleram degradação do mesmo. Ao passo que o sebo foi diretamente acondicionado em sacos plásticos e armazenado em local seco e protegido. Ao observar os espectros na região do infravermelho (Figura a baixo), observa-se que as informações são corroboradas, em especial o índice de acidez, visto que ao observar a banda da carbonila (a qual diz respeito aos compostos oxigenados que são responsáveis por dar a características ácidas aos biocombustíveis), ela demonstrasse mais intensa, no espectro da biogasolina obtida via craqueamento do óleo de fritura, e menos intensa para a biogasolina oriunda do craqueamento com sebo bovino. No que tange aos resultados de densidade, todas as amostras de biogasolina apresentaram valores semelhantes ao valor estabelecido pela ANP e demostram a obtenção de cadeias curtas, o que facilita a queima do combustível além de evitar o entupimento nas tubulações, essa informação pode ser observada também através da banda de 720 cm-, presentes nos espectros de infravermelho, essas bandas segundo Silverstain et al, (2007) dizem respeito a vibração tesoura do grupo CH2, e essa banda apresenta-se curta, o que confirma a presença de cadeias curtas.

Conclusões

Portanto, através da presente pesquisa, observa-se que é viável a produção de biocombustíveis através da rota de craqueamento térmico catalítico, utilizando resíduos urbanos e agroindustriais (óleo de fritura e sebo bovino), em especial o craqueamento térmico catalítico do sebo bovino para obtenção da fração biogasolina, a qual apresentou melhores propriedades físico-químicas. Além disso, o catalisador teve sua eficiência comprovada tanto com relação a diminuição da energia necessária para que a reação global ocorresse, quanto no que diz respeito a desoxigenação dos produtos.

Agradecimentos

Referências

ABNISA, F; WAN DAUD, W. M. A.; SAHU, J. N. Pyrolysis of mixtures of palm shell and polystyrene: an optional method to produce a high-grade of pyrolysis oil. Environ. Prog. Sustainable Energy, 33 (2014), p.1026-1033

BORUGADDA, Venu B.; GOUD, Vaibhav V.. Biodiesel production from renewable feedstocks: Status and opportunities. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 16, p. 4763-4784, 2012.
CHANG, C. C.; WAN, S. W. China’s motor fuels from tung oil. Industrial and Engineering Chemistry, v. 39, n 12, p. 1543-1548, 1947

GUNSTONE, F. D. The Chemistry of Oils and Fats: Sources, Composition, Properties and Uses. Blackwell Publishing Ltd, 9600 Garsington Road, Oxford OX4 2DQ, UK, 2004.

MA, F.; HANNA, M. A. Biodiesel Production: A Review. Bioresource Technology. 1999. 70: 1-15.

MANCIO, A. A.; MOTA, S. A. P.; BORGES, L. E. P.; MACHADO, N. T. Obtenção de gasolina verde por destilação fracionada de produtos líquidos orgânicos oriundos do craqueamento térmico-catalítico usando diferentes porcentagens de catalisador. Scientia Plena 13, 012711 (2017)

MOHANTY, P.; MAJHI, S.; SAHU, J. N.; PANT, K. K. Response surface modeling and optimization of CO hydrogenation for higher liquid hydrocarbon using Cu-Co-Cr + ZSM-5 bifunctional catalyst. Ind. Eng. Chem. Res., 51(2012), p. 4843-4853

MOTA, S. A. P. Craqueamento Termocatalítico de Óleos Vegetais em Diferentes Escalas de Produção. Tese (Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia), Universidade Federal do Pará, (UFPA), 2013.

OLIVEIRA, R. F. Craqueamento catalítico de óleo residual para a produção de biocombustível. Monografia Graduação (Engenharia de Energia). Universidade de Brasília (UnB), Brasília, 2014.

OLIVEIRA, R. M. Estudo da obtenção de biocombustíveis a partir da rota tecnológica de craqueamento utilizando carbonato de sódio e lama vermelha como catalisadores. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal do Pará, (UFPA), Belém - PA, 2013.

PRADO, C. M. R. Produção e caracterização de biocombustíveis por craqueamento de óleos vegetais via catálise com bauxita. Dissertação (Programa de Pó Graduação em Química), Universidade Federal de Goiás, (UFG), 2009.

QUIRINO, R.L. Estudo do efeito da presença de Alumina dopada com TiO2 e ZrO2 no craqueamento do óleo de soja. 2006. 66 f. Dissertação (Mestrado em Química)- Universidade de Brasília. Brasília, 2006.

RAMOS, L. P.; SILVA, F. R.; MANGRICH, A. S.; CORDEIRO, C. S. Tecnologias de Produção do Biodiesel. Revista Virtual de Química, v 3, n 5, p. 385-405, 2011.

RODRIGUES, Juliana Petrocchi. Produção de Hidrocarbonetos a Partir de Materiais Graxos na Presença de Catalisadores de Metais Platínicos e Pressão H2. Tese (Doutorado em Química) – Universidade de Brasília, Brasília, 2011.

SILVERSTEIN, R. M.; WEBSTER, F.X.; KIEMLE, D.J. Identificação Espectrométrica de Compostos Orgânicos, 7a ed., Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2007.

SUAREZ, P. A. Z.; SANTOS, A. L. F.; RODRIGUES, J. P.; MELQUIZEDEQUE, B. A. Biocombustíveis a partir de óleos e gorduras: Desafios tecnológicos para viabilizá-los. Química nova, v. 32, n. 3, 768, 2009.

SZKLO, A. S.; ULLER, V. C. Fundamentos do refino do petróleo: tecnologia e economia. 2ª Ed. rev. e ampl. – Interciência: Rio de Janeiro, 2008.

ZHANG, Q.; WANG, T.; XU, Y.; ZHANG, Q.; MA, L. Production of liquid alkanes by controlling reactivity of sorbitol hydrogenation with a Ni/HZSM-5 catalyst in water
Energy Convers. Manage., 77 (2014), p. 262-268