Uso de cenizas volantes secas modificadas obtenidas de residuos de la industria papelera como catalizador heterogéneo para la producción de biodiesel a partir de aceite usado de cocina
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Abstract
La mayor parte de la energía mundial es abastecida por combustibles fósiles lo que
contribuye a la contaminación ambiental por la emisión de gases de efecto invernadero,
razón por la cual la obtención de biocombustibles se ha convertido en una de las fuentes
de energía alternativas que reduzcan el impacto ambiental y sean económicamente
rentables. Dentro de esta nueva alternativa se encuentra el biodiesel el cual se puede
obtener a partir de aceites vegetales o grasas animales. En la presente investigación se
evaluó la producción de biodiesel a partir de aceite usado de cocina (AUC) y metanol
usando como catalizador heterogéneo cenizas volantes secas obtenidas en los procesos
de combustión de la industria papelera portuguesa, estas cenizas fueron impregnadas con
Ácido Sulfúrico (H2SO4) y posteriormente, se calcinaron con el fin de llevar a cabo las
reacciones de esterificación y transesterificación simultáneamente. En primer lugar, se
realizó la caracterización de la materia prima determinando algunas propiedades
fisicoquímicas del aceite tales como: valor ácido, porcentaje de acidez, índice de
saponificación, viscosidad, densidad y humedad; mientras que el catalizador se caracterizó
por medio de diferentes técnicas como Difracción de Rayos X (DRX), Microscopía
Electrónica de Barrido (SEM), Espectrometría de Dispersión de Energía de Rayos X (EDX),
Espectroscopía Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR), método BET (área
superficial especifica BET), método BJH (diámetro y volumen de poro) e Indicadores
Hammett (sitios ácidos y sitios básicos). Las reacciones se llevaron a cabo en un reactor
Batch en vidrio de 250 mL a una temperatura de 60 °C, 600 revoluciones por minuto, un
tiempo de reacción de 3 horas y una concentración de catalizador del 10% w/w respecto al
aceite utilizado teniendo en cuenta dos niveles y tres factores: relación molar metanol:aceite
(6:1 y 12:1), tipo de carga oleosa (AUC-1 y AUC-2) y concentración de ácido sulfúrico en el
catalizador (0.025 y 0.050 molar). Posteriormente, se cuantificó el rendimiento a ésteres
metílicos de ácidos grasos (FAMEs) a través de cromatografía de gases y se evaluó la
conversión de ácidos grasos libres (AGL) por medio del índice de acidez; adicionalmente,
se estudió la pérdida en la actividad catalítica debido a la reutilización del catalizador en
tres ciclos. Los resultados obtenidos mostraron que el máximo rendimiento a FAMEs fue
del 5.96% utilizando el aceite usado de cocina con menor valor ácido (AUC-1), las cenizas
volantes secas sulfonadas calcinadas (CVS-SC-0.050) y una relación molar metanol:aceite
de 6:1 para todos los factores y niveles evaluados obteniendo una conversión de AGL del
90.62%. El catalizador evaluado en los ciclos de reuso mostró una alta actividad catalítica
obteniéndose rendimientos a FAMEs de 66.66% y 63.98%.
Summary in foreign language
Most of the world's energy is supplied by fossil fuels which contributes to environmental
pollution by the emission of greenhouse gases, such obtaining biofuels has become one of
the alternative energy sources that reduce environmental impact and are economically
profitable. Within this new alternative exist the biodiesel that can be obtained from vegetable
oils or animal fats. In the present investigation the biodiesel production from waste cooking
oil (WCO) and methanol was evaluated using as a heterogeneous catalyst dry fly ash
obtained in the combustion processes of the Portuguese paper industry, these ashes were
impregnated with Sulfuric Acid (H2SO4) and subsequently it was calcined in order to carry
out the simultaneous esterification and transesterification reactions. In the first place, the
raw material characterization was determined by some oil physicochemical properties such
as: acid value, acidity percentage, saponification index, viscosity, density and humidity;
while the catalyst was characterized by different techniques such as X-ray diffraction (XRD),
scanning electron microscopy (SEM), X-ray energy dispersion spectrometry (EDX), Fourier
transform infrared spectroscopy (FTIR), BET method (BET specific surface area), BJH
method (diameter and pore volume) and Hammett indicators (acid sites and basic sites).
The reactions were carried out in a glass batch reactor of 250 mL at a temperature of 60 °C,
600 revolutions per minute, a reaction time of 3 hours and a catalyst concentration of 10%
w/w respect to the oil used taking into account two levels and three factors: methanol:oil
ratio (6:1 and 12:1), type of oil charge (WCO-1 and WCO-2) and sulfuric acid concentration
in the catalyst (0.025 and 0.050 molar). Subsequently, the yield of fatty acids methyl esters
(FAMEs) was quantified through gas chromatography and the conversion of free fatty acids
(FFA) was evaluated by acid number, additionally the loss in catalytic activity was studied
due to the catalyst reuse in three cycles. The results obtained showed that the maximum
yield to FAMEs was 5.96% using waste cooking oil with lower acid value (AUC-1), the
sulfonated dried fly ash (CVS-SC-0.050) and a methanol:oil molar ratio 6:1 for all the factors
and levels evaluated with a FFA conversion of 90.62%. The catalyst evaluated in the reuse
cycles showed a high catalytic activity obtaining yields to FAMEs of 66.66% and 63.98%.
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