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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Síntese de biodiesel metílico via esterificação utilizando nanopartículas magnéticas funcionalizadas com lignina sulfonada como catalisadores heterogêneos
Author: Varão, Leandro Henrique Ribeiro
First Advisor: Pasquini, Daniel
First coorientator: Morais, Luís Carlos de
Second member of the Committee: Assunção, Rosana Maria Nascimento de
Third member of the Committee: Melo, Patrícia Gontijo de
Summary: A esterificação representa uma rota alternativa importante para a obtenção de biodiesel, pois possibilita o aproveitamento de matérias-primas lipídicas de baixo custo com alto teor de ácidos graxos livres (AGL). Sendo normalmente desenvolvida em fase homogênea na presença de catalisadores ácidos minerais, como o H2SO4, os quais apresentam sérios inconvenientes que afetam a produção e aumentam os custos do biocombustível, como corrosividade, difícil remoção do meio reacional e impossibilidade de reuso do catalisador. Assim, o desenvolvimento de novas rotas que superem esses problemas torna-se importante para o processo. Neste sentido, insere-se a catálise heterogênea ácida. Neste trabalho, biodiesel metílico foi sintetizado via esterificação do ácido oleico utilizando como catalisadores heterogêneos nanopartículas magnéticas (NPMs) de ferritas de cobalto (CoFe2O4) e manganês (MnFe2O4) funcionalizadas com lignina sulfonada (LS). A LS foi obtida a partir da sulfonação de lignina de bagaço de cana-de-açúcar empregando H2SO4 (98%) e anidrido acético. Foram empregadas duas proporções diferentes de reagentes, obtendo-se os sólidos LS5 e LS7,5 – posteriormente incorporados às NPMs. Nos ensaios de esterificação foram avaliados os catalisadores CoFe2O4-LS5; CoFe2O4-LS7,5; MnFe2O4-LS5; e MnFe2O4-LS7,5, considerando-se as seguintes variáveis de processo: razão molar metanol/ácido oleico 10:1; massa de catalisador a 5% em relação ao ácido graxo (m/m); tempos de 4 e 6 horas; e temperaturas de 80 e 100 °C. A Análise Elementar revelou que LS5 e LS7,5 possuem 2,68% de teor de enxofre em massa e as seguintes fórmulas moleculares mínimas: C9H10,52O5,62(SO3H)0,18 e C9H10,52O5,62(SO3H)0,17. A eficiência do processo de funcionalização das NPMs com LS foi determinada por Difratometria de raios X (DRX) e Análise Termogravimétrica (TGA). Os resultados evidenciaram que esta etapa foi bem sucedida, pois os difratogramas exibiram nitidamente para CoFe2O4-LS5 e CoFe2O4-LS7,5 a presença do amplo halo amorfo típico da lignina em 2θ (10-30°), algo, contudo, pouco evidente para MnFe2O4-LS5 e MnFe2O4-LS7,5. Adicionalmente, os termogramas evidenciaram que todas as NPMs funcionalizadas exibem percentuais de LS incorporada superiores a 50%, sendo os melhores resultados observados para CoFe2O4-LS5 (79,5%) e CoFe2O4-LS7,5 (78,5%). Os dados de Cromatografia Gasosa acoplada ao Espectrômetro de Massas (GC-MS) e Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) revelaram que as melhores condições reacionais considerando os fatores tempo de reação e temperatura foram 6 h e 100 °C. Ademais, CoFe2O4-LS5 e MnFe2O4-LS7,5 exibiram os melhores desempenhos na esterificação, observando-se conversões máximas do ácido oleico em ésteres de aproximadamente 80%. Tais resultados evidenciam que os sólidos sintetizados neste trabalho exibem potencial para utilização na produção de biodiesel via esterificação, especialmente empregando matérias-primas lipídicas de baixo custo com altos teores de AGL.
Abstract: Esterification represents an important alternative route for biodiesel production, since it allows the use of low-cost lipid feedstocks with a high content of free fatty acids (FFA). Esterification is usually developed in homogeneous phase in the presence of mineral acid catalysts such as H2SO4, which present serious drawbacks that affect biodiesel production and increase its costs such as corrosivity, difficult removal of the reaction medium and impossibility of catalyst reuse. Thus, developing new routes that overcome these problems becomes important to the process. In this sense, heterogeneous acid catalysis is inserted. In this research, methylic biodiesel was synthesized via esterification of oleic acid using as heterogeneous catalysts sulfonated lignin (SL) and cobalt (CoFe2O4) and manganese (MnFe2O4) ferrites magnetic nanoparticles (MNP) functionalized with SL. SL was obtained through sulfonation of sugarcane bagasse lignin employing H2SO4 (98%) and acetic anhydride. Two different proportions of reactants were adopted, obtaining the solids SL5 and SL7.5 – later incorporated into the MNPs. In the esterification reactions were valuated the catalysts CoFe2O4-SL5; CoFe2O4-SL7.5; MnFe2O4-SL5; and MnFe2O4-SL7.5, considering as process variables: methanol/oleic acid molar ratio 10:1; catalyst mass of 5% relative to the fatty acid (w/w); reaction times of 4 and 6 hours; and temperatures of 80 and 100 °C. Elemental Analysis revealed that SL5 and SL7.5 has 2.68% sulfur content by mass and the following minimal molecular formulas: C9H10,52O5,62(SO3H)0,18 and C9H10,52O5,62(SO3H)0,17. The results evidenced that this stage was successful, since the diffractograms clearly exhibited the presence of the lignin typical broad amorphous halo at 2θ (10-30°) for CoFe2O4-SL5 and CoFe2O4-SL7.5, however something lower evident for MnFe2O4-SL5 and MnFe2O4-SL7.5. In addition, the thermograms showed that all functionalized NPMs exhibit percentages of incorporated SL greater than 50%, with the best results observed for CoFe2O4-SL5 (79.5%) and CoFe2O4-SL7.5 (78.5%). Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) revealed 6 h and 100 °C as the best reaction conditions considering time and temperature factors. In addition, CoFe2O4-SL5 and MnFe2O4-SL7.5 exhibited the best performances in the esterification experiments, presenting maximum conversions of oleic acid into fatty acid methyl esters of approximately 80%. The results evidence that the solid catalysts synthesized in the present work shows potential for use in the biodiesel production via esterification reaction, especially by using low-cost lipid feedstocks with high FFA content.
Keywords: Lignina
Lignin
Sulfonação
Sulfonation
Nanopartículas Magnéticas
Magnetic Nanoparticles
Esterificação
Esterification
Biodiesel
Biodiesel
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Biocombustíveis
Quote: VARÃO, L. H. R.Síntese de biodiesel metílico via esterificação utilizando nanopartículas magnéticas funcionalizadas com lignina sulfonada como catalisadores heterogêneos. 2017. 73 f. Dissertação (Mestrado em Biocombustíveis) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017.
Document identifier: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2017.101
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/20310
Date of defense: 24-Nov-2017
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