ÁREA
Iniciação Científica
Autores
Costa Junior, R.H. (UFRN) ; Oliveira, K.G. (UFRN) ; Silva, M.R.L. (UFRN) ; Lima, P.R.V.C. (UFRN) ; Sousa, J.N. (UFRN) ; Costa, J.L.B. (UFRN) ; Soares, V.V. (UFRN) ; Câmara, A.B.F. (UFRN) ; Moura, H.O.M.A. (UFRN) ; Carvalho, L.S. (UFRN)
RESUMO
A busca de catalisadores verdes para a obtenção de biodiesel é imprescindível para diminuir o impacto ambiental e para atender a demanda de produção. Neste estudo foram exploradas três rotas reacionais distintas para a produção do biodiesel, a partir de óleo de soja comercial, tais como, transesterificação por via ácida e básica homogênea, e a transesterificação básica heterogênea mais direcionada à química verde e estabelecer a melhor rota de obtenção desse produto, com auxílio de um catalisador à base de cinzas da casca de banana (BPC8) obtido por calcinação a 800 °C. Os biocombustíveis foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e testes físico-químicos. O melhor rendimento para o biodiesel foi de 90,4% com a utilização do BPC8.
Palavras Chaves
biodiesel; catalisadores verdes; cinzas da casca de banana
Introdução
A principal fonte energética mundial consiste no uso de combustíveis derivados do petróleo, o que torna emergencial a pesquisa e o desenvolvimento de tecnologias alternativas mais limpas (ROCHA; LIMA; WALDMAN, 2020; MUKHTAR et al., 2022). Nesse contexto, surgiram os biocombustíveis, combustíveis renováveis, que podem ser oriundos de uma matéria-prima orgânica, animal ou vegetal, chamada de biomassa (FREITAS et al., 2022; DUARTE et al., 2022). Dentre os biocombustíveis mais utilizados, destaca-se o biodiesel, utilizado como alternativo ou em formulações com o diesel fóssil. Sua principal vantagem, consiste em ser originado de ácidos graxos livres e triglicerídeos constituintes de óleos vegetais, como: soja, coco, dendê, alecrim, girassol e algodão (SALTARIN et al., 2023). Além de ser considerado um combustível renovável, o biodiesel é biodegradável, e emite baixas quantidades de poluentes e de gases de efeito estufa (GEE) (DUARTE et al., 2022). Geralmente, na reação de obtenção do biodiesel faz-se uso de álcool de cadeia curta, metílico ou etílico, um catalisador, seja ele homogêneo ou heterogêneo, e um óleo ou gordura. A utilização de catalisadores homogêneos é bastante almejada, pois proporciona altos rendimentos para a reação. Esses, podem ser de origem básica ou ácida, como: hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, aminas orgânicas, ácido benzil sulfônico e ácido sulfúrico (XIE; LI, 2023; ATADASHI et al., 2013). Os catalisadores de natureza básica oferecem resultados superiores na reação, enquanto a utilização de catalisadores ácidos atua simultaneamente na transesterificação de triglicerídeos e na esterificação de ácidos graxos livres (AGLs), aprimorando a qualidade do biodiesel. Contudo, é importante observar que a adoção de catalisadores homogêneos acarreta limitações na reutilização, após a produção do biodiesel e, também, apresenta desafios na separação. Nesse contexto, a busca e a investigação de novos substratos heterogêneos com potencial catalítico se mostram essenciais (XIE; LI, 2023; MUKHTAR et al., 2022). Os substratos heterogêneos viáveis para o processo de síntese do biodiesel, como resinas de troca iônica, materiais mesoporosos, hidróxidos duplo lamelares, óxidos metálicos, bases orgânicas e biocarvão, incluindo a possibilidade de aproveitar materiais residuais, frequentemente ricos em cálcio (CARDOSO et al., 2020). O biocarvão resultante de processos de carbonização da biomassa (principalmente de resíduos agroindustriais) como a pirólise, gaseificação, carbonização hidrotérmica, combustão e torrefação, é um material enriquecido em carbono com atributos versáteis. Esse material pode ser empregado como eletrodo, adsorvente ou catalisador (CHI et al. 2021). Dentre os materiais utilizados como fontes de biocarvão, a casca da banana se destaca, visto que em 2019 o Brasil produziu cerca de 6.812.708 toneladas dessa fruta, em uma área de 461.751 hectares. Deste total, os resíduos do fruto representam aproximadamente 2.700.000 toneladas, demonstrando a necessidade de reaproveitamento deste material (OLIVEIRA e MENDES, 2021). Diante do grande potencial de catalisadores originados de materiais residuais, esse trabalho teve como objetivo principal o estudo da obtenção e caracterização de biodiesel utilizando as cinzas da casca de banana. Além de realizar uma avaliação na obtenção de biodiesel com o uso de catalisadores convencionais, sendo estes, o hidróxido de sódio (NaOH) e o ácido sulfúrico (H2SO4), visando assim, contribuir no processo de alteração da matriz energética mundial.e O maior rendimento foi obtido na síntese do biodiesel por catálise básica heterogênea. Os biodieseis foram caracterizados via FTIR e por análises físico- químicas como: densidade, viscosidade e ponto de fulgor
Material e métodos
Reagentes Foram empregados reagentes como ácido clorídrico (HCl) Synth (36,5%), hidróxido de sódio (NaOH) Vetec (99%), hidróxido de potássio (KOH) Synth PA, cloreto de sódio (NaCl) Dinâmica (99%), metanol (CH3OH) Vetec (99,8%), sulfato de sódio (NaSO4) Vetec (99%) e cascas de banana "pacovan" (Musa sapientum) obtidas na CEASA, Natal, Brasil. Síntese do Catalisador a Partir de Casca de Banana O catalisador verde, denominado BPC8, foi desenvolvido a partir de cascas de banana. Após secagem e queima, as cascas foram calcinadas a 800 °C. O BPC8 passou por análises por FTIR em uma faixa espectral de 500 a 4000 cm-1 no equipamento Shimadzu IRAffinity-1 (Columbia, MD, EUA) com reflexão total atenuada (ATR) e Microscopia Eletrônica de Varredura de Emissão de Campo (FESEM) com uso de um microscópio MEV-FEG AURIGA da ZEISS (Carl Zeiss, Oberkochen,BW, GER) (OLIVEIRA, 2022). Transesterificação Básica Homogênea (Método 1) Nesta etapa de reação, foi empregada uma proporção molar alcoólica em relação ao óleo de 1:6, juntamente com uma quantia correspondente a 1,5% da massa total do óleo. A transesterificação do óleo de soja ocorreu com metanol e KOH, em refluxo a 70 °C. O biodiesel resultante passou por lavagens sequenciais com uma solução aquosa de HCl 5%, solução saturada de NaCl e água destilada. Transesterificação Básica Heterogênea (Método 2) A segunda metodologia utilizou uma relação molar álcool: óleo de 1:6, acompanhada da inclusão de 2,5% da massa do óleo em questão. O biodiesel foi produzido utilizando o catalisador BPC8. O óleo foi adicionado ao metanol e catalisador já pré-aquecidos. As etapas de lavagem foram análogas ao método anterior. Transesterificação Ácida Homogênea (Método 3) A presente investigação empregou uma relação molar álcool: óleo estabelecida em 1:6, juntamente com a adição de uma parcela correspondente a 5% da massa do óleo. A transesterificação ácida foi realizada com óleo, metanol e H2SO4 a 70 °C por 8 horas. A lavagem do produto obtido foi realizada 3 vezes com água destilada, 1 vez com a solução aquosa de bicarbonato de sódio e novamente com água destilada (ROSSET, 2011). Caracterização do Biodiesel O biodiesel foi caracterizado por FTIR e análises físico-químicas, tais como, densidade e viscosidade. Os resultados foram comparados com os critérios da resolução ANP N° 7 de 19/03/2008. Formulações contendo 10% de biodiesel e 90% de diesel foram preparadas e submetidas a testes físico-químicos, incluindo densidade, viscosidade e ponto de fulgor, seguindo os parâmetros da resolução ANP N° 50 de 23/12/2013.
Resultado e discussão
Caracterização do catalisador das cinzas da casca de banana
A caracterização do catalisador obtido foi realizada por meio de FTIR, Figura 1
(m) visando a identificação de grupos funcionais presentes no material. De
acordo com os espectros, percebe-se a presença de ligações de hidroxila, pela
banda obtida em 3390 cm-1. A banda observada em aproximadamente, 670 cm-1,
mostra estiramentos vibracionais de óxido de potássio e óxido de cálcio, e no
intervalo entre 1450 a 1400 cm-1, refere-se a estiramentos vibracionais de
dobras de monóxido de carbono, presentes em carbonatos. Nota-se também, a
presença de bandas em 1040 cm-1 e 2250 cm-1, representando respectivamente,
vibrações de alongamentos de Si-O-Si e M-O-K (onde, M = Si, Mg, etc) (OLIVEIRA,
2022).
Ao realizar a caracterização do catalisador utilizando FESEM, Figura 1 (a-j),
para o BPC8, observou-se que o este não possuía uma morfologia com
características uniformes, atribuindo isso, às muitas fases observadas no
difratograma do material (OLIVEIRA, 2022).
Rendimentos e caracterização dos biodieseis obtidos
Na Figura 1 (l), observa-se os resultados do FTIR para os três métodos de
síntese do biocombustível, sendo B1 relativo ao método 1, B2 ao método 2 e B3 ao
método 3. Conforme o espectro, observa-se similaridade entre os três biodieseis,
com bandas encontradas em 2700 e 2900 cm-1, associadas às vibrações de
estiramento ou alongamento das ligações de carbono-hidrogênio (C-H) assimétricos
e simétricos, respectivamente. Já o aparecimento de bandas em 1700 cm-1 e 1250
cm-1, remetem, respectivamente, ao alongamento de ligações C=O e estiramentos de
ligações C-O, provenientes de ésteres (OLIVEIRA, 2022). Os biodieseis obtidos
por meio dos métodos 1, 2 e 3 apresentaram rendimentos de eficiência de 75%,
90,4% e 75%, respectivamente, acompanhados de uma faixa de pH entre 6 e 7 para
os dois primeiros métodos, e um pH de 7 para o terceiro método. Os resultados
obtidos, encontram-se na Tabela 1 da Figura 2. Na tabela 2 da Figura 2, pode-se
observar o resultado de testes físico-químicos de viscosidade/densidade,
comparado com os valores da resolução da ANP N° 7 19/03/2008 (ANP, 2008). Nota-
se que todos os valores de densidade se mantiveram dentro dos limites exigidos
pela resolução, enquanto os valores de viscosidade apresentaram diferenças de
acordo com o tipo de síntese empregada para a obtenção do biodiesel. O biodiesel
produzido pelo método 3 ultrapassou um pouco o limite máximo exigido pela
resolução, o obtido por catálise básica homogênea (método 1) apresentou
resultados dentro dos limites exigidos, porém com valor próximo ao limite
máximo, enquanto o biodiesel sintetizado pelo método 2 obteve um resultado
dentro da especificação. Desta forma, o biodiesel produzido por este método foi
utilizado em mistura ao diesel S500, por apresentar uma rota mais verde e
sustentável, para determinação de sua eficácia ao comparar com os valores
exigidos na resolução ANP N° 50 23/12/2013 (ANP, 2013) relativa a essa mistura.
Na Tabela 3 da Figura 2, observa-se os valores relativos às propriedades de
densidade, viscosidade e ponto de fulgor do diesel S500 e do diesel B10 (10% v/v
de biodiesel). Os resultados obtidos se enquadram nos parâmetros de qualidade
especificados pela ANP N° 50 23/12/2013 (ANP, 2013), indicando a viabilidade do
uso de um catalisador verde produzido à base de resíduos agroindustriais para a
produção de um biodiesel de alta eficiência.
(a) FESEM; (b-j) imagens de mapeando e (k) espectro \r\nEDX para BPC8 (l) FTIR dos biodieseis (m) FTIR para \r\nBCP8
(1) rendimentos(2)testes de viscosidade e \r\ndensidade(3)testes físico-químicos de mistura com \r\ndiesel s500
Conclusões
O catalisador, das cinzas da casca da banana, obtido neste trabalho tem um método de preparação que pode ser considerado simples e de baixo custo uma vez que é oriundo da queima da casca da banana. Conforme os resultados apresentados, percebeu-se que o catalisador sintetizado, gerou bons resultados na obtenção de biodiesel. Em sua caracterização foi observado a presença de diferentes compostos do potássio, óxidos e carbonatos, e ao ser adicionado junto com o metanol, promove a catálise da reação. A reação realizada com o catalisador originado das cinzas da casca da banana, se destacou em relação ao rendimento, quando comparado às demais reações, ácida e básica, apresentando um rendimento de 90,4%. Os resultados dos testes físico-químicos mostraram que ao utilizar o catalisador residual, o biodiesel obteve boa qualidade, atendendo as exigências da ANP. Além disso, a mistura de óleo diesel/biodiesel também foi estudada, e mostrou-se dentro dos padrões requisitados. Logo, percebe-se que, o catalisador das cinzas da casca de banana possui características que promovem bons resultados na obtenção de biodiesel. Contribuindo assim, com a pesquisa e desenvolvimento, tanto para a redução de resíduos sólidos oriundos do setor da alimentação, quanto na obtenção de energia renovável.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio fornecido pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte, bem como à Central Analítica/IQ e ao LABTEN. Esse estudo foi financiado pelo CNPq.
Referências
AGÊNCIA EPBR: disponível em: https://epbr.com.br/aumento-de-biodiesel-no-curto-prazo-sera-desafio-para-transicao/. Acesso em 29/01/2023.
ATADASHI, I. M.; AROUA, M. K.; AZIZ, A. A.; SULAIMAN, N. M. N. The effects of catalysts in biodiesel production: A review. Journal of industrial and engineering chemistry, 19, 1, 14-26, 2013.
CARDOSO, T. S.; DOS SANTOS, R. A.; DA COSTA, R. T. T.; DE AVIZ, E. O.; DE ARAÚJO, J. F.; DA SILVA, A. P.; DE FREITAS, M. C. C.; CORREIA, L. M. Uma revisão da utilização de catalisadores heterogêneos para a produção de biodiesel/A review of the use of heterogeneous catalysts for the production of biodiesel. Brazilian Applied Science Review, 4, 1, 240-276, 2020.
DE FREITAS, S. G. D., FLORINDO, D. N. F., DA SILVA RODRIGUEIRO, M. M., NETO, M. M., OLIVEIRA, K. S. M., & DOS SANTOS, P. S. B. (2022). Produção de biodiesel a parir do óleo de soja, milho, girassol e canola por transesterificação: uma revisão sistemática. Research, Society and Development, 11(5), e33411527167, 2022.
DE OLIVEIRA, K. G. Produção sustentável de Biodiesel: desenvolvimento de catalisadores verdes, transesterificação de óleo de cozinha residual e conversão do Glicerol em Triacetina. 2022.
DE OLIVEIRA, K. G. Obtenção de antioxidantes naturais e aplicação em misturas de diesel de biodiesel sintetizado a partir de oleaginosas de soja e algodão. 2017.
DE OLIVEIRA, V. C.; MENDES, F. Q. Formulação de novos produtos a partir do aproveitamento de resíduos agroindustriais: uma revisão narrativa. Ciências Agrárias: o avanço da ciência no Brasil, 2. 2021.
DUARTE, V. H; VALENTINI, M. H. K.; DOS SANTOS, G. B.; NADALETTI, W. C.; VIEIRA, B. M. Biocombustíveis: Uma revisão sobre o panorama histórico, produção e aplicações do biodiesel. Meio Ambiente (Brasil), 4, 2, 2022.
EMBRAPA: disponível em: https://www.embrapa.br/busca-de-noticias/-/noticia/1473585/embrapa-pesquisa-producao-de-biodiesel-com-catalisadores-enzimaticos. Acesso em: 29/01/2023
EPE (Empresa de Pesquisa Energética) Descarbonização do Setor de Transporte Rodoviário. Nota técnica EPE/DPG/SDB/2022/03. Disponível em: https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-708/NT-EPE-DPG-SDB-2022-03_Intensidade_de_carbono_Transporte_Rodoviario.pdf. Acesso em: julho/2023.
FAO STAT. Crops and livestock products. 2021. Disponível em: <http://www.fao.org/faostat/ en/#data/QCL/>. Acesso em: 27 Jul. 2023.
GAZETA BRASIL. Governo Oficializa Aumento do Percentual do Biodiesel Sobre Diesel, Brasilia. Disponível em: https://gazetabrasil.com.br/economia/2023/03/29/governo-oficializa-aumento-do-percentual-do-biodiesel-sobre-diesel/. Acesso em: julho/2023.
KUMAR, S.; SOOMRO, S.A, HARIJAN, K., UQAILI, M.A; KUMAR, L. Avanços do Catalisador Baseado em Biochar para Melhor Produção de Biodiesel: Uma Revisão Abrangente. Energias, 16, 2, 644, 2023.
LORA, E.E.S.; VENTURINI, O.J. Biocombustíveis. 1. ed. Rio de Janeiro. Editora: Interciência, 2-6. 2012.
MUKHTAR, Ahmad et al. Current status and challenges in the heterogeneous catalysis for biodiesel production. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 157, 112012, 2022
ROCHA, B. A. B.; LIMA, F. R. DE S.; WALDMAN, R. L. Mudanças no papel do indivíduo pós-revolução industrial e o mercado de trabalho na sociedade da informação. Revista Pensamento Jurídico, 14, 1, 2020.
SALTARIN, M. J.; SILVA, M. S.; MARTINS, L. O. S.; ROCHA, A. M.; FERNANDES, F. M.; HOCEVAR, L. S.; FREIRES, F, G, M; TORRES, E. A. A logística inversa dos óleos de gorduras residuais na produção de um biodiesel sustentável: uma revisão. Revista de Gestão e Secretariado (Management and Administrative Professional Review), 14, 1, 1170-1183, 2023.
XIE, W.; LI, J. Magnetic solid catalysts for sustainable and cleaner biodiesel production: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 171, 113017, 2023.
