ÁREA
Química Verde
Autores
Gleciane Gomes do Nascimento Andrade, J. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE O NORTE) ; Gomes Silva, E. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE O NORTE) ; Sabrina de Lima Nunes, N. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE O NORTE) ; Queiroz e Silva, T. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN)) ; Basílio de Caland, L. (UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO GRANDE O NORTE)
RESUMO
O biodiesel é obtido a partir de óleos vegetais puros ou de óleo de residual. A utilização do óleo de fritura como matéria-prima para a produção de biodiesel é sustentável. Este estudo propõe a purificação do óleo de fritura através de adsorventes naturais, aproveitando resíduos. O objetivo central é alcançar a produção sustentável de biodiesel. Os adsorventes naturais, incluindo bagaço de cana-de-açúcar casca de banana, casca de abacaxi e casca de coco foram submetidos a processos de limpeza, secagem e carbonização. O óleo de fritura foi purificado utilizando os adsorventes naturais, além de um carvão ativado comercial para fins comparativos.Após a purificação, o biodiesel foi sintetizado por meio de transesterificação.A qualidade do biodiesel foi avaliada com base em diversos parâmetros.
Palavras Chaves
Bioadsorventes; Purificação do óleo; Biodiesel
Introdução
No cenário global de energia, a dependência excessiva de combustíveis fósseis apresenta sérios desafios, pois estes recursos não renováveis, como petróleo, carvão mineral e gás natural, podem esgotar-se ao longo do tempo. Dados da International Energy Agency (IEA, 2021) indicam que o petróleo, carvão e gás natural ainda dominam a oferta primária de energia, representando 80% do fornecimento total. No entanto, o uso intensivo desses combustíveis gera impactos ambientais e sociais significativos. O setor de transporte terrestre é um grande contribuinte para a degradação ambiental, representando 63% do consumo global de petróleo, conforme a IEA. Essa atividade emite gases poluentes, como monóxido de carbono e dióxido de enxofre, ampliando o efeito estufa. Somente o setor de transporte e responsável por cerca de 20% da emissão total dos gases poluentes na atmosfera (FEISTEL, 2016). Além disso, a poluição atmosférica contribui para mais de 3,5 milhões de mortes anuais e diversas doenças, conforme dados da Organização Mundial da Saúde (OMS, 2021). Diante disso, surge a necessidade de fontes de energia sustentáveis e de fontes renováveis. O biodiesel, por sua vez, emerge como alternativa promissora, pois é derivado de fontes renováveis, como óleos vegetais e gorduras animais. A transesterificação é a principal rota para a produção de biodiesel a partir dessas matérias-primas. No entanto, a produção em larga escala de biodiesel vegetal pode causar desmatamento, destacando a importância de fontes alternativas, como o óleo de fritura residual, que por sua vez, o processo de fritura gera resíduos de óleo, cujo descarte inadequado prejudica o meio ambiente. O biodiesel pode ser obtido a partir desses resíduos, após sua purificação, o que melhora a qualidade do óleo, em que diminui o índice de acidez e o aumento de grau de clarificação. No intuído de obter um combustível viável, limpo e que reutilize resíduos indesejáveis, o objetivo principal desse trabalho é a purificação do óleo de fritura empregando adsorventes. Esses adsorventes podem reduzir o custo do processo e aproveitar resíduos agrícolas. O estudo propõe a coleta de óleo residual de fritura e adsorventes naturais, como cascas de banana, coco, abacaxi e bagaço de cana-de-açúcar. Os adsorventes serão tratados e usados para purificar o óleo, reduzindo ácidos graxos livres e água. O biodiesel será sintetizado por transesterificação e testado em relação aos padrões da Agência Nacional de Petróleo (ANP). Devido aos dilemas causados pela má disposição do óleo residual proveniente de frituras e à considerável quantidade de resíduos agrícolas desprovidos de uma destinação adequada, este estudo encontra sua justificativa na busca por uma abordagem que permita a revalorização desses detritos. O objetivo é aproveitar esses resíduos de maneira eficaz, visando a obtenção de vantagens significativas tanto do ponto de vista ambiental quanto econômico. O biodiesel obtido deve cumprir os requisitos estabelecidos pela Agência Nacional de Petróleo (ANP). A avaliação das suas características deve ser conduzida através da análise de diversas propriedades físico-químicas, tais como o índice de acidez; o índice de iodo; densidade; viscosidade; rendimento; termogravimetria (TG); e ressonância magnética nuclear (RMN), A utilização do óleo de fritura para a produção de um biocombustível emerge como uma opção altamente promissora. Essa abordagem não apenas remove uma substância indesejada do meio ambiente, mas também se mostra economicamente viável, proporcionando uma fonte energética alternativa, renovável e de baixa poluição. Devido a esses fatores, o biodiesel obtido a partir do reaproveitamento de óleo de fritura se estabeleceu como um biocombustível de grande importância. Isso se dá pela sua capacidade de converter resíduos descartados, como o óleo de fritura, em um combustível valioso, resultando na geração de uma fonte de energia proveniente de um recurso anteriormente considerado como descartável. Esses combustíveis de origem fosseis, são recursos não renováveis, o que pode ocasionar o esgotamento dessa fonte. Além de ser uma fonte limitada, o petróleo flui, significativamente nas condições ambientais, a queima desses combustíveis gera excesso de gases poluentes, o que causa as mudanças climáticas e a poluição do ar. Diante desse contexto, e evidente que os combustíveis fosseis foram as principais fontes de energias no decorrer de todo o século XX. Porém, outros combustíveis e tecnologias vem sendo estudados, devido a tendencia do fim do petróleo.
Material e métodos
Para a realização deste trabalho, serão executadas as seguintes etapas: coleta das matérias-primas a serem utilizadas, purificação da matéria-prima, síntese do biodiesel a partir do óleo de fritura purificado e caracterização físico-química para controle de qualidade. Quanto à coleta, o óleo foi fornecido pela empresa de coleta de óleo de fritura em Macaíba-RN, a Indama. Índice de Acidez: Neste estudo, o método de titulação volumétrica com indicador visual foi empregado para avaliar o índice de acidez do biodiesel. A adaptação da metodologia de Tubino e Aricetti (2013) usou hidróxido de sódio (NaOH) como base, substituindo o hidróxido de potássio, com concentração conhecida. A análise do índice de iodo seguiu o método de Aricetti et al. (2009). Diferentes bioadsorventes, como bagaço de cana-de-açúcar e cascas de banana, coco e abacaxi, adquiridos por meio de lanchonetes locais. Para a purificação da matéria-prima, os bioadsorventes passarão por um tratamento prévio. Serão submetidos a procedimentos de lavagem, secagem e trituração com o auxílio de um moinho de jarro. Em seguida, serão submetidos ao processo de carbonização. O óleo, por sua vez, passará por uma etapa de tratamento com os bioadsorventes, a fim de reduzir a presença de ácidos graxos livres e água, evitando a formação de sabão durante a reação de transesterificação. A Espectroscopia por Transformada de Fourier no Infravermelho (FTIR) permitiu investigar a composição química das diferentes amostras dos adsorventes. Os espectros FTIR do óleo de fritura e das amostras de biodiesel, incluindo após a purificação, foram obtidos através do FTIR, utilizando um espectrofotômetro modelo IR-Prestige-21 (Shimadzu, Tóquio, Japão) e a técnica de refletância total atenuada (ATR). Estes espectros foram coletados na faixa de comprimento de onda de 700 a 5000 cm-1, com resolução de 4 cm-1 e baseados em 20 varreduras. Análise do Biodiesel por Ressonância Magnética Nuclear de Protônio (RMN ¹H) foi usada para determinar o teor de ésteres metílicos nas amostras. O cálculo da conversão dos ésteres metílicos e etílicos foi baseado na relação entre a área dos sinais dos prótons da metila ligados à carboxilada do metil éster (CH3OCO-) e a área dos sinais dos prótons metilênicos-carbonílicos (-OCOCH2-). O resultado foi ajustado pelo fator 2/3, correspondendo à quantidade de átomos de hidrogênio presentes nos ésteres metílicos.Isso permitiu a equação das áreas dos sinais dos prótons.
Resultado e discussão
Os valores obtidos no índice de acidez para as amostras de biodiesel produzido a
partir do óleo de fritura purificado com os adsorventes naturais e sintéticos
estão apresentados na Figura 1(A). Observou-se uma variação de (0,1194-0,4464)
mg de NaOH/g. Para o óleo de fritura sem purificação, foi observado um valor
mais elevado, de 0,7124 mg de NaOH/g. Isso indica que o tratamento de
purificação do óleo de fritura com diferentes adsorventes resultou em uma
redução significativa nos níveis de ácidos graxos livres. O biodiesel com o
menor valor de acidez foi obtido a partir do óleo de fritura purificado com o
adsorvente natural de casca de abacaxi, alcançando 0,0553 mg de NaOH/g. Já o
biodiesel com o maior valor de acidez foi produzido a partir do óleo de fritura
purificado com o adsorvente sintético, carvão ativado, atingindo um valor de
0,4464 mg de NaOH/g.. Os resultados obtidos em nossos estudos mostraram níveis
de acidez menores do que os trabalhos encontrados na literatura, mesmo
empregando adsorventes da mesma fonte natural. Os valores obtidos para o índice
de iodo, Figura 1 (B), notou-se uma variação de (87,24-123,57) g de I2/100g
para todas as amostras de biodiesel produzidas a partir do óleo de fritura
purificado com adsorventes naturais e sintéticos. O biodiesel obtido a partir do
óleo de fritura não purificado teve um índice de iodo de 114,21 g de I2/100g. O
biodiesel proveniente do óleo de fritura purificado com bagaço da cana-de-açúcar
alcançou um índice de iodo de 123,57 g de I2/100g, ultrapassando o limite
permitido pelas especificações. No entanto, as outras amostras de biodiesel
apresentaram valores para o índice de iodo dentro do padrão aceitável. Segundo a
Agência Nacional de Petróleo (ANP), o biodiesel deve ter um rendimento igual ou
superior a 80%. Através da análise dos resultados, pode-se concluir que os
valores de rendimento da reação foram iguais ou superiores a 80% para todas as
amostras de biodiesel produzido a partir do óleo de fritura purificado com
adsorventes naturais, como mostrados na Figura 1(C). O biodiesel obtido a partir
do óleo de fritura sem tratamento de purificação está dentro do parâmetro
estabelecido pela ANP, com um valor de 90,93%. O biodiesel com o maior
rendimento foi obtido a partir do óleo de fritura purificado com casca de
banana, alcançando um valor de 94,56%. No entanto, o biodiesel proveniente do
óleo de fritura purificado com carvão ativado apresentou um rendimento muito
baixo, com um valor de 45,36%. Esse valor baixo pode ser justificado pelas
dificuldades encontradas na etapa de filtração, uma vez que houve uma forte
interação entre o adsorvente e o óleo, dificultando a separação e resultando em
uma perda significativa da amostra de óleo. Os resultados do índice de acidez e
índice de iodo para o óleo de fritura não purificado e purificado com vários
adsorventes são ilustrados abaixo, figura 1, (A) e (B). O último gráfico, figura
1 (C) retrata o biodiesel metílico derivado do óleo de fritura purificado,
fornecendo uma representação significativa do processo reacional,
especificamente os rendimentos resultantes da conversão dos triglicerídeos em
monômeros metílicos.Um dos parâmetros considerados pela ANP é a transparência do
biodiesel e a ausência de impurezas. No entanto, esses aspectos não foram
observados na amostra de biodiesel produzida utilizando o adsorvente CAS, que
apresentou uma aparência turva. Portanto, o biodiesel produzido a partir do óleo
de fritura purificado com o adsorvente CAS não atende a esse critério da ANP. A
avaliação do rendimento é uma medida de extrema importância, levando diversos
autores a calcular o rendimento de suas amostras de biodiesel. Como
exemplificado por Ismaele Ali (2015), o biodiesel produzido a partir do óleo de
fritura sem purificação obteve um rendimento de 73,55%, enquanto o biodiesel
proveniente do óleo de fritura purificado com bagaço da cana-de-açúcar alcançou
um rendimento de 76,57%.
A espectroscopia na região do infravermelho foi empregada para investigar os
compostos presentes no óleo de fritura e os compostos formados após o processo
de reação de transesterificação, ou seja, em cada biodiesel produzido. Esses
compostos podem ser identificados por meio de suas bandas características.
Através da análise dos espectros de infravermelho, é possível identificar as
bandas características dos diferentes grupos funcionais presentes nas amostras
de adsorventes. Por exemplo, em torno de 3000 cm-1, as bandas atribuídas ao
estiramento de alcenos (C-H) e hibridização sp2; em torno de 2855 cm-1,
referente ao estiramento de alcanos (C-H); e a banda em 1745 cm-1, que
corresponde ao estiramento da carbonila (C=O). Também são observadas as
vibrações do grupo (C-H) fora do plano, que aparecem na faixa de 900 a 690 cm-1,
com um pico em torno de 721 cm-1. Mesmo com semelhanças entre as amostras, é
possível identificar picos que diferenciam o óleo de fritura das amostras de
biodiesel, como evidenciado nas ampliações dos espectros de infravermelho
apresentados. Além disso, a análise de ressonância magnética nuclear de
hidrogênio (RMN1H) foi utilizada para quantificar a conversão dos triglicerídeos
em ésteres metílicos (biodiesel). Os espectros de RMN1H mostram os deslocamentos
químicos que diferenciam os ésteres metílicos dos triglicerídeos. Por fim, a
caracterização dos adsorventes também envolveu a análise de microscopia
eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS),
termogravimetria (TG) e espectrofotometria na região do infravermelho. Essas
técnicas permitiram identificar a morfologia da superfície, a composição
química, as variações térmicas e os grupos funcionais presentes nos adsorventes
calcinados. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é uma técnica crucial
para visualizar amostras em escala diminuta. Neste estudo, a MEV foi empregada
para caracterizar a morfologia de bioadsorventes carbonizados, como bagaço de
cana-de-açúcar, casca de abacaxi, casca de banana, casca de coco e carvão
ativado comercial. O objetivo era entender suas superfícies e texturas.
Ampliações variadas revelaram estruturas superficiais irregulares. Asperezas nas
superfícies dos resíduos agrícolas calcinados indicaram os efeitos da queima e
da epiderme externa rica em sílica. A macroporosidade provavelmente resultou da
perda de compostos orgânicos menos densos durante a calcinação. A técnica EDS,
acoplada ao MEV, complementou a análise, identificando qualitativamente e
quantitativamente a composição química dos elementos presentes. Na amostra de
bagaço de cana-de-açúcar, foram identificados oxigênio, silício, magnésio,
potássio, enxofre, fósforo e sódio. A amostra de casca de banana revelou
oxigênio e potássio, enquanto a casca de abacaxi apresentou oxigênio, carbono,
fósforo, potássio e cloro. Um alto teor de carbono (83,84%) na amostra de casca
de abacaxi indicou sua capacidade de formar uma estrutura porosa, resultando em
uma melhor purificação de óleo de fritura.
Em uma análise comparativa dos difratogramas pode se observar que as amostras
CAB, CC e CB, apresentaram perfis similares dos difratogramas, com a presença de
uma significativa região amorfa (Figura 2). Em materiais lignocelulosicos, a
cristalinidade ´e significativamente influenciada,a composição desses materiais
demonstram que as fibras de celulose apresentam baixa cristalinidade,/ em função
da amorficidade da lignina e hemicelulose (WANG et al., 2013).
Estudos mostram que a diminuição da cristalinidade resulta na melhoria
significativa das propriedades de adsorção e que, normalmente, os materiais
adsorventes são sólidos amorfos (AGUIAR; NOVAES; GUARINO, 2002). A ampliação dos
difratogramas das amostras mostra a amorficidade desses adsorventes, o que
explica a boa adsorção e purificação do óleo (Figura 2) Na análise de difração
de raios-X (DRX) dos resíduos agrícolas calcinados, poucos picos cristalinos de
baixa intensidade foram identificados.
Figura 1. Valores dos índices de acidez (A), Valores \r\ndos índices de iodo (B) e Valores dos rendimentos \r\n(C) do biodiesel produzido
Figura 2. Ampliação do DRX dos bioadsorventes \r\nestudados
Conclusões
O estudo visou criar um biocombustível a partir de resíduos para mitigar impactos ambientais. O biodiesel de óleo de fritura foi proposto e passou por purificação antes da síntese, para atender aos padrões da Agência Nacional de Petróleo. A purificação utilizou adsorventes naturais derivados de resíduos agrícolas. Após a purificação, o biodiesel foi sintetizado e tanto os adsorventes quanto o biodiesel foram caracterizados. Os resultados foram positivos: análises infravermelhas confirmaram a presença de características do biodiesel, com deslocamentos distintos entre as amostras. A Ressonância Magnética confirmou e quantificou a conversão do óleo em ésteres metílicos. A maioria das amostras apresentou conversões de biodiesel acima de 95%. Houve redução notável da acidez e índices de iodo menores em amostras de biodiesel purificado com adsorventes naturais, comparadas ao óleo não purificado. Análises microscópicas, de energia dispersiva e térmicas caracterizaram os adsorventes. O estudo empregou resíduos agrícolas para produzir biocombustível menos poluente, contribuindo para reduzir o efeito estufa e melhorar a qualidade do ar.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, a Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN), juntamente da Dra. Lilia Basilio de Caland, a parceria com o INDAMA e ao PIBITI pela oportunidade.
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