Memorias del XXXIV Encuentro Nacional y III Congreso Internacional de la AMIDIQ 7 al 10 de mayo de 2013, Mazatlán, Sinaloa, México

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Texto completo

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OBTENCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE ACEITES VEGETALES USADOS Y CATALIZADORES BÁSICOS

José Adolfo Echeverría-Vizcayaa, José Hermilo Martínez-Gonzáleza, Omar Martínez-Álvarez a, José Martín Medina-Flores a, Héctor Hugo Rodríguez Santoyoa, Beatriz Ruiz-Camachoa

a Ingeniería en Energía, Universidad Politécnica de Guanajuato, Av. Universidad Norte s/n, Juan Alonso

Cortázar Guanajuato, C.P. 38483, México. beatrizr@upgto.edu.mx

Resumen

La viscosidad es una propiedad fundamental en los combustibles que se utilizan en motores diesel. En este trabajo se presenta un estudio del efecto de la temperatura (55-65°C), cantidad de catalizador (0.25-0.5 g KOH) y relación aceite/metanol (0.1-0.3) para la síntesis de biodiesel a partir de ácidos grasos de aceite de cocina usado. Inicialmente, se analizaron estos parámetros en aceites vegetales limpios. Se determinaron las propiedades fisicoquímicas como densidad (g/cm3), viscosidad (cSt) y poder calorífico (MJ/Kg) de diferentes muestras de biodiesel obtenido y se compararon con las del biodiesel comercial. Una vez optimizados estas propiedades, se prosiguió a sintetizar el biocombustible a partir de aceite vegetal usado en la cafetería de la Universidad (UPGto). El efecto de estos parámetros específicamente sobre la viscosidad, nos indica que el incremento de la cantidad de KOH tiene un efecto favorable, disminuyendo notablemente la viscosidad permitiendo su uso en un motor diesel. Si se trabajan cantidades menores a 0.3 g de KOH, no se cumple con el parámetro de viscosidad. Así, mismo es importante notar que la síntesis de biodiesel se tiene que lleva a cabo a más de 50°C para que la viscosidad este dentro de la norma. A mayores temperaturas, la viscosidad se mantiene prácticamente constante. Se encontró que es importante usar relaciones de aceite/metanol mayores a 0.2 para que el biodiesel obtenido a partir de aceite de usado cumpla con las propiedades para ser utilizado en un motor diesel.

Introducción

El biodiesel es un combustible de naturaleza renovable derivado de aceites vegetales o grasas animales y que puede ser utilizado en motores de ignición por compresión (Diesel). De hecho, el concepto de biodiesel se remonta a 1912 cuando Rudolf Diesel (el inventor del primer motor diesel), declaró que "El uso de aceites vegetales para combustibles de motor, puede parecer insignificante hoy, pero ese aceite puede llegar a ser, en el curso del tiempo, tan importante como el petróleo y los productos de los tiempos actuales" [1]. Actualmente se busca desarrollar biodiesel a partir de desechos de aceite vegetal constituido de triglicéridos [2,3-4], la obtención de este combustible se hace a través del proceso químico llamado transesterificación. En este proceso el aceite orgánico es combinado con un alcohol y alterado químicamente para formar un éster metílico, el cual toma el nombre de biodiesel. El subproducto de esta reacción es el glicerol. Las propiedades del biodiesel obtenido dependen de las condiciones de síntesis, pH, catalizador, alcohol, etc. El biodiesel ha ganado interés como combustible alternativo debido a la disminución en las fuentes de petróleo [5] y al impacto negativo que este último ha tenido sobre el medio ambiente. El biodiesel es un recurso energético procesado por el ser humano, este es un biocombustible de naturaleza renovable derivado de aceites vegetales o grasas animales y puede ser utilizado como sustituto o complemento del diesel [6] y de combustión limpia. Ante la presencia de problemas mundiales como el cambio climático y el agotamiento de fuentes fósiles de energía, es imprescindible impulsar la investigación, desarrollo e innovación de energías renovables como los biocombustibles para reducir el efecto invernadero y

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para diversificar la matriz energética nacional que en México depende en mas del 90% de recursos no renovables como el petróleo y el gas. De acuerdo a las investigaciones del departamento de energía de los Estados Unidos (USDE), el uso del biodiesel reduce las partículas contaminantes hasta un 65%, lo que a su vez reduce el riesgo de cáncer en la población hasta un 94%. La agencia de Protección ambiental de los Estados Unidos (EPA) estipula que los hidrocarbonos no consumidos, los cuales contribuyen significativamente a la destrucción en la capa de ozono, el smog y el cáncer son reducidos un 50% en la combustión del biodiesel. La viscosidad es una propiedad establecida en las normas de control de calidad de cualquier combustible líquido, de origen fósil o no. En el caso del biodiesel, esta propiedad [7] tiene una influencia importante en el proceso de combustión y atomización del combustible durante la inyección en el motor Diesel. Es por ello, que el objetivo de este trabajo fue estudiar el comportamiento de la viscosidad en función de la temperatura, concentración de alcohol y masa de catalizador en el proceso de transesterificación de ácidos grasos, utilizando muestras de aceite vegetal comestible usado.

Metodología experimental

Síntesis de biodiesel a partir de aceite vegetal utilizando el método de transesteríficación.

A continuación se describen la metodología de síntesis de biodiesel utilizando el método de transesterificación de ácidos grasos a partir de aceite de cocina usado. Previamente, se realizó un estudio del efecto de la temperatura de síntesis, relación aceite/metanol y cantidad de catalizador sobre las propiedades físicas de viscosidad, densidad y poder calorífico en diferentes muestras de biodiesel obtenido.

Se utilizaron 100 mL de aceite vegetal usado, el cual se calentó a 40°C y se filtró para eliminar residuos de comida (Fig. 1-a). Posteriormente, se calienta a 100°C por 20 min para eliminar contenido de agua.

a) b)

c)

d) e)

Figura 1. Etapas del proceso de transesteríficación de ácidos grasos para síntesis de biodiesel

a) Valoración del aceite.

Se llevó a cabo la valoración del aceite a utilizar para determinar la cantidad de catalizador que se requiere de acuerdo al pH del aceite usado, para ello se mezcló 1mL de aceite con 10ml de una solución de alcohol isopropílico 0.025 M y fenolftaleína como indicador. La titulación se llevó a cabo añadiendo gota a gota una solución 1% de NaOH (Fig. 1-b), hasta obtener una coloración rosa que dure 30 segundos. La titulación se realizó por triplicado y se promedio el volumen de solución usada para la titulación. Este volumen se le suma a 0.35 g de KOH.

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b) Síntesis de biodiesel

La síntesis de biodiesel se llevó a cabo utilizando el método de transesterificación en medio básico, inicialmente se prepara una disolución de metóxido de potasio, utilizando 0.35 g de hidróxido de potasio + mL de volumen gastado de titulante con 20 mL de metanol, los cuales se mezclan con 100 mL de aceite usado a una temperatura de 60°C durante una hora (Fig. 1-c), de acuerdo a la ecuación 1.

Triglicérido + metóxido de potasio→  éster metílico (biodiesel) + glicerina (1)

c) Separación y lavado del biodiesel

La separación de las fases metil ésteres y glicerol se realizó en un embudo de decantación durante un lapso de 48 horas (Fig. 1-d). La fase metil ésteres una vez separada se sometió a un proceso de lavado con 100mL de agua destilada en una probeta y agregar 1mL de ácido acético hasta obtener un pH de 7 (Fig. 1-e). Finalmente se sometió a 100°C por 10 min para eliminar los residuos de agua.

Caracterización fisicoquímica del biodiesel

Se determinaron las propiedades fisicoquímicas de diferentes muestras de biodiesel obtenido: viscosidad (mm2/s), densidad (g/ cm3) y poder calorífico (MJ/Kg), tomando en cuenta el efecto de la temperatura (55, 60 y 65°C), la relación aceite/metanol (0.1, 02 y 0.3) y la cantidad de catalizador (0.25, 0.35, 0.45 y 0.5 g de KOH).

La viscosidad, se midió por triplicado a 40°C utilizando un viscosímetro cannon, calibre 100 y utilizando una constante de 0.01662 mm2/s2. La densidad se determinó por triplicado con un densímetro de inmersión calibrado de 0.8 – 0.9 g/ cm3 a 20°C, para ello se utilizó una muestra de 70 mL de biodiesel. El poder calorífico (Q) se calculó por triplicado (ecuación 2) calentando 100 mL de agua destilada (m) con la flama de 3 mL de biodiesel. Se midió la diferencia de temperatura alcanzada en el agua.

Q= (C)(T2 – T1)(m) (2)

 Q [J] = poder calorífico, C= capacidad calorífica del agua = 4.18 J/ g °C, T2= T alcanzada,

T1=25°C, m= 100 g.

Resultados

En la Figura 2, se presentan las muestras de biodiesel variando los parámetros de i) temperatura, ii) relación aceite /metanol y iii) masa de catalizador. Las etiquetadas A-H corresponden al biodiesel

obtenido a partir de aceite vegetal limpio. El biodiesel etiquetado con la letra I corresponde al biodiesel obtenido con aceite vegetal usado.

En la tabla 1, se presentan los resultados de viscosidad, densidad y poder calorífico obtenido del estudio de los parámetros: temperatura de síntesis, masa de catalizador y concentración de alcohol. En la Figura 3, se muestra el cambio de viscosidad y poder calorífico del biodiesel en función de la temperatura de síntesis, manteniendo una relación de aceite/alcohol de 0.2 y una masa de 0.35 g de KOH. Se observa que al incrementar la temperatura disminuyen ambos parámetros: la viscosidad y el

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poder calorífico. Sin embargo, el cambio en la viscosidad de 6-5.7 cST cuando la temperatura aumenta de 55 a 65°C es mínimo, se mantiene prácticamente constante. Los valores de viscosidad obtenida en el rango de temperatura estudiado, se encuentran dentro de la norma ASTM 445 (1.9-6.0 cSt). Sin embargo, si se trabaja a temperaturas menores de 50°C, la viscosidad del biodiesel obtenido empieza a aumenta a más de 6.0 cSt. Es importante notar que el efecto de la temperatura sobre el poder calorífico es significativo, al aumentar 10°C la temperatura de 55 a 65°C, el poder calorífico disminuye de 51.55 a 37.42 MJ/Kg. El valor de poder calorífico reportado por el ASTM 240 indica que el poder calorífico para biodiesel puro es de 39.84 MJ/Kg. Es decir a menor temperatura es mayor la energía del biodiesel sintetizado.

Figura 2. Biodiesel obtenido a partir de aceite vegetal limpio (A-H) y usado (I) variando la temperatura, relación aceite / metanol y masa de catalizador

Tabla 1. Viscosidad, densidad y poder calorífico de biodiesel sintetizado en función de la temperatura, relación aceite/metanol y masa de catalizador.

Biodiesel T, °C Aceite/ Metanol Catalizador KOH, (g) Viscosidad cinemática 40°C (mm2/s) Densidad a 20°C (g/ cm3) Poder Calorífico (MJ/Kg) A 60 0.2 0.35 6.06 0.883 40.40 B 65 0.2 0.35 5.71 0.882 37.62 C 55 0.2 0.35 5.93 0.883 51.55 D 60 0.3 0.35 5.93 0.877 57.12 E 60 0.1 0.35 8.83 0.885 52.94 F 60 0.2 0.45 5.40 0.882 43.19 G 60 0.2 0.25 7.77 0.886 34.83 H 55 0.2 0.5 5.40 0.886 40.40

En la Figura 4 se presenta el efecto de la cantidad de KOH utilizado, sobre los parámetros de viscosidad y poder calorífico de biodiesel sintetizado manteniendo constante la temperatura a 60°C y la relación metanol/aceite de 0.2. Se observa que la cantidad de catalizador afecta notablemente la viscosidad, conforme se incrementa la cantidad de KOH, disminuye el valor de la viscosidad de 7.77 a 5.4 cSt. De acuerdo al comportamiento de la curva, al seguir incrementado la cantidad de catalizador, el cambio en la viscosidad es mínimo. Por el contrario, el efecto de la cantidad de KOH sobre el poder

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calorífico es prácticamente lineal, conforme se incrementa la viscosidad es mayor la energía obtenida del biodiesel. De acuerdo a la norma ASTM 445, si se trabaja con cantidades de catalizador menores a 0.3 g no se cumple con la viscosidad.

6 5.9 5.71 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 5 6 7 8 9 10 50 55 60 65 70 P o d e r C al o ri fi co , M J/ K g Vi sc o si d ad , c st Temperatura, °C viscosidad poder calorifico 7.77 5.93 5.4 5.4 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 5 6 7 8 9 10 0.2 0.3 0.4 0.5 P o d e r C al o fi co , M J/ K g Vi sc o si d ad , c st Catalizador, g Viscosidad Poder Calorífico

Figura 3. Efecto de la temperatura (55 a 65°C) sobre la viscosidad y poder calorífico de biodiesel obtenido por el método de transesteríficación. Masa de KOH 0.35 g y relación aceite/metanol de 0.2.

Figura 4. Efecto de la masa de catalizador (0.25, 0.35, 0.45, 0.5 g) sobre la viscosidad y poder calorífico de biodiesel obtenido por el método de transesteríficación. Manteniendo la T= 60°C y relación aceite/metanol de 0.2.

En la Figura 5, se indican los valores de viscosidad y poder calorífico de biodiesel sintetizado por método de transesteríficación variando la relación aceite/metanol 01, 02 y 03, manteniendo constante la temperatura de 60°C y la masa de KOH de 0.35 g. Se observa que de acuerdo a lo establecido por la norma ASTM 445, es necesario utilizar una relación aceite/metano mayor a 0.2 para tener una viscosidad dentro de la norma, ya que al disminuir la cantidad de alcohol, la viscosidad aumenta hasta 8.83 cSt. Sin embargo, se observa que aunque se aumente la relación aceite/metanol a 0.3, la viscosidad prácticamente se mantiene en 6 cSt. El máximo valor de energía calorífica obtenida en este estudio se logra al bajar la concentración de metanol a 0.1 en relación al aceite usado.

8.83 6.06 5.93 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 5 6 7 8 9 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 P o d e r ca lo fi co , M J/ K g Vi sc o si d ad , c st

relación aceite: metanol

Viscosidad Poder calorífico

Figura 5. Viscosidad y poder calorífico de biodiesel sintetizado por método de transesteríficación variando la relación aceite/metanol. Temperatura 60°C y 0.35 g de KOH.

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Estos resultados nos indican las mejores condiciones de síntesis para obtener biodiesel a partir de ácidos grasos vegetales usados que cumplan con la viscosidad requerida para su uso como biocombustible. Tomando como referencia el menor valor de viscosidad obtenida, el cual se obtuvo con la muestra F (Tabla 1), sintetizado utilizando 0.45 g de KOH, 60°C y 0.2 como relación aceite/metanol, se preparó biodiesel a partir de aceite usado en la cafetería de la UPGto, obteniéndose los siguiente resultados (Tabla 2).

Tabla 2. Propiedades obtenidas del biodiesel sintetizado usando aceite de cocina

Biodiesel T, °C Aceite/

Metanol Catalizador (g) Viscosidad (cSt) Densidad (g/ cm3) Poder Calorífico (MJ/Kg)

I 60 0.2 0.45 5.53 0.885 41.80

Conclusiones

En este trabajo, el aceite de cocina usado se utiliza para fabricar biocombustibles. Como podemos observar se presenta un incremento de viscosidad realizando el proceso de transesterificación con muy poco metanol en el proceso, y por el lado contrario tenemos una viscosidad relativamente baja agregando más cantidad de catalizador en nuestra reacción, esto quiere decir que mientras se mantenga la temperatura entre 55° - 60°C, y   la   cantidad  de  catalizador  sea   alta  como   en   el   caso  de  la  prueba  “F”  se  llega  a  obtener  un biodiesel de buena calidad, que cumple con los parámetros de las normas ASTM.

Referencias

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2. H. A. Ali, A. Chughtai, A. Sattar, A. R. Bodla, M.   A.   Butt.   “Waste Frying Vegetable Oil As A Source Of Biodiesel”,

Pakistan Journal of Science, Vol. 63, No. 4, p. 01-08, Dec 2011.

3. Wail M. Adaileh, Khaled S. AlQdah, “Performance   of  Diesel Engine Fuelled by a Biodiesel ExtractedFrom A Waste Cocking  Oil”Energy Procedia, Vol. 18, p. 1317 – 1334, 2012.

4. Cynthia Ofori-Boateng,   Keat   Teong   Lee,   “The   potential   of   using   cocoa   pod   husks   as   green   solid   base   catalysts   for   the   transesterification  of  soybean  oil  into  biodiesel:  Effects  of  biodiesel  on  engine  performance”, Chemical Engineering Journal, Vol. 220 p. 395–401, 2013.

5. Niraj  Kumar,  Varun,  SantRamChauhan,  “Performance  and  emission  characteristics  of  biodiesel  from  different  origins:  A   review”,  Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 21, p. 633–658, 2013.

6. J.C   Bergmann,   D.DTupinamba´,   O.Y.ACosta,   J.R.MAlmeida,   C.CBarreto,   B.FQuirino.   “Biodiesel   production   in   Brazil   and  alternative  biomass  feedstocks”,  Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 21, p. 411–420, 2013.

7. Zahira   Yaakob,   MasitaMohammad,   MohammadAlherbawi,   ZahangirAlam,   Kamaruzaman   Sopian.”   Overview   of   the   production  of  biodiesel  from  Waste  cooking  oil”,  Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 18 p. 184–193, 2013.

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