LABORATORIO N° 4 BIODIESEL 1. OBJETIVOS Obtener el biodiesel a partir de aceites quemados. 2. INTRODUCCIÓN El proceso de transesterificación consiste en combinar el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol, y deja como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras. La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de colza, ya que es una especie con alto contenido de aceite, que se adapta bien a los climas fríos. Sin embargo existen otras variedades con mayor rendimiento por hectárea, tales como la palma de aceite (Elaeis guineensis), Jatropha Curcas, camelina etc. También se pueden utilizar aceites usados (por ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso la materia prima es muy barata, y además se reciclan lo que en otro caso serían residuos.
3. MATERIALES Y REACTIVOS Mezcla: Aceite de cocina usado; por ejemplo, aceite de freidora. Metanol (CH3OH) con una pureza del 99% o más. Hidróxido de sodio (NaOH, sosa cáustica, lejía); debe estar seco. Valoración: Alcohol isopropílico Agua Solución de
con
una
pureza destilada fenoftaleína, o
del papel
99%
o
más.
tornasol.
Lavado: Agua y Vinagre. 4. PROCEDIMIENTO 1. Reposa y filtra el aceite para quitarle los restos sólidos y caliéntalo para quitarle el agua (opcional). 2. Haz la valoración para determinar cuánto catalizador es necesario. 3. Prepara el metóxido de sódio. 4. Calienta aceite, y viertelo dentro del metóxido mientras agitas. 5. Deja que sedimente, separa la glicerina. 6. Lava y seca el producto final.
7.
Comprueba
su
calidad.
Este proceso se llama transesterificación, y es similar a la saponificación. ¿Te suena? La saponificación forma jabón. Para hacer jabón se mezclan triglicéridos (aceite, grasa) con una disolución de hidróxido de sodio (NaOH, sosa cáustica, lejía) en agua. En esta reacción las cadenas de estér, también llamadas lípidos, se separan de la glicerina y se unen al sodio para formar jabón. Uno de sus extremos es atraído por moléculas polares como el agua, y el otro es atraído por moléculas apolares como el aceite. Esa es la característica que hace útiles a los jabones. En la transesterificación la sosa cáustica y el metanol se unen para formar metóxido de sodio (Na+ CH3O-). Cuando se mezcla el metóxido con aceite, rompe las uniones de la molécula de aceite, liberando glicerina y ácidos grasos. Estos últimos se unen al metanol formando biodiesel, y un poco de jabón a veces. ¡Pero no te asustes! No hace falta ser químico para prepararlo! A continuación tienes todas las instrucciones detalladas para hacerlo tu mismo sin necesidad de ayuda. 5. REPOSADO, FILTRADO Y EXTRACCIÓN DEL AGUA RESIDUAL Filtra el aceite para quitarle los restos de comida. Puede que tengas que calentarlo hasta 35º C, aproximadamente, para que esté más fluido y pase bien por el filtro. Puedes usar un paño o un filtro de café (5-10 micras). Para extraer el agua que pueda contener, podemos calentar el aceite usado a 100º C mientras removemos para que no nos salpique el vapor de agua cuando se condense y ascienda hasta la superficie. Si lo preparas con tiempo, puedes ahorrar energía y esfuerzos simplemente dejando reposar el aceite entre 6 y 8 semanas (a mayor temperatura ambiental, menor tiempo). Con esto conseguirás que los restos sólidos y el agua se depositen en el fondo. Aunque no estará de más un filtrado final para poder trabajar con un aceite óptimo. 6. VALORACIÓN Para saber cuánta lejía (sosa cáustica) es necesaria, hay que medir la acidez del aceite con un método que se llama valoración. Es la parte más importante y más difícil del proceso. La valoración debe ser lo más exacta posible. IMPORTANTE: La lejía tiene que estar seca. Protégela de la humedad dentro de un recipiente hermético. La sosa cáustica en granos muy pequeños es la mas recomendada por su fácil disolución. Prepara una disolución de un gramo de sosa cáustica en un litro de agua destilada asegurándote de que queda totalmente disuelta. Esta muestra sirve como valor de referencia en la valoración. Es importante que esta disolución no se contamine porque será utilizada en muchas valoraciones. Mezcla en un recipiente pequeño 10 ml de alcohol isopropílico con 1 ml del aceite
(asegúrate de que es exactamente 1 ml) y agítalo. Añade dos gotas de fenolftaleína, que es un indicador de PH. La solución cambiara de color, comprueba a que numero corresponde el color obtenido y sabras que nivel de PH tiene tu aceite reciclado. Con aceites con un nivel de PH inferiores a 5, es mejor descartarlos. Para nuestro proposito conseguiriamos muy poco biodiesel por cada litro debido al muy alto contenido en triglicéridos. Pero por ese mismo motivo, será ideal para producirnos un magnifico jabon casero apto para uso humano. IMPORTANTE: La fenolftaleína se conserva bien durante un año nada más. Se degrada fácilmente con la luz y empieza a dar medidas erróneas después de un tiempo. Con un cuentagotas graduado (que permita medir décimas de mililitro), o algún otro instrumento calibrado (como una jeringuilla), pon en la disolución de aceite/isopropílico/fenolftaleína gotas de la solución de sosa cáustica, muy despacio. Después de cada gota agita vigorosamente la disolución y vuelve a comprobar el color. ¡no pongas más gotas de las necesarias! El objetivo de la valoración es averiguar el número de ml de solución de sosa cáustica necesarios para alcanzar un pH de entre 8 y 9. Dependiendo del tipo de aceite, de la temperatura que alcanzó en la freidora, de los alimentos que fueron cocinados en él y del tiempo de uso, la cantidad de disolución de lejía necesaria en la valoración varía normalmente entre 0,5ml (aceites muy poco usados) y 2.5ml (aceites muy usados). También sirven el papel tornasol y los medidores de pH digitales en sustitución de la fenolftaleína. 7. CÁLCULO El siguiente paso es calcular la cantidad de lejía necesaria para la reacción. Hacen falta 3,5 gr de lejía por cada litro de aceite cocinado que se vaya a transesterificar y a esa cantidad hay que añadir la misma cantidad de ml de disolución de lejía empleada en la valoración. Por ejemplo: Si has usado 1,8ml de disolución de lejía. Entonces: 3,5gr + 1,8gr = 5,3gr de sosa cáustica necesaria para la reacción. Normalmente hacen falta entre cinco y seis gramos de lejía por cada litro de aceite. 8. METÓXIDO DE SODIO Las primeras veces que hagas esto, y también cuando vayas a procesar grandes cantidades de aceite, debes hacer pequeñas pruebas de un litro. 9. ADVERTENCIA Trata el metóxido de sodio con extremo cuidado! ¡No respires sus vapores! Si te cae sobre la piel te quemará sin que tú lo notes porque mata los nervios. Hay que lavar la zona con muchísima agua. Cuando manipules metóxido de sodio ten siempre cerca agua corriente. El metóxido de sodio también es muy corrosivo para las pinturas. La lejía reacciona con el aluminio, el estaño y el zinc. Utiliza recipientes de vidrio, de acero inoxidabe, o esmaltados. Los mejores son los de acero inoxidable. Empieza mezclando la lejía y el metanol. Con ello conseguirás el metóxido de sodio. Por
cada litro de aceite a procesar: mezcla 200ml (0.2litros) de metanol con la cantidad de sosa cáustica que hemos obtenido en la valoración anterior. Los utensilios deben estar secos. Cuando se forma el metóxido el recipiente se calienta un poco. Agítalo hasta que las perlitas de sosa cáustica estén totalmente disueltas. Es importante que te asegures de ello, así como de que los pesos y los volúmenes sean precisos. Puedes tardar alrededor de una hora, y es muy recomendable dejar la mezcla reaccionando durante 24 horas y utilizarla al día siguiente. 10. TRANSESTERIFICACIÓN, REPOSO Y SEPARACIÓN Calienta el aceite a una temperatura de unos 45ºC. Vierte el metóxido en el aceite mientras se bate, y sigue agitando la mezcla durante 50 ó 60 minutos. La reacción suele completarse en media hora, pero es mejor batir durante más tiempo. Ten en cuenta que el metóxido se evapora a 62ºC y que la transesterificación tambien produce algo de calor, así que ajusta bien la temperatura del aceite para que cuando empieces a mezclarlo no sobrepase la temperatura limite, o sería peligroso y podría faltar metóxido para completar la reacción. Para procesar grandes cantidades puedes usar un taladro, firmemente sujeto, que haga girar una hélice o un mezclador de pintura. Un exceso de revoluciones produce salpicaduras y burbujas y perjudica al resultado final. Para conseguir un buen resultado ajusta la velocidad, la forma de la hélice o su tamaño. 11. REPOSO Y SEPARACIÓN Deja que la mezcla repose y se enfríe por lo menos durante ocho horas, preferiblemente un dia. Aunque al cabo de pocos minutos debería empezar a estratificarse. La glicerina formará una masa gelatinosa en el fondo y el biodiesel estará flotando encima. La glicerina semilíquida es de color marrón oscuro y el biodiésel es del color de la miel. Una vez reposado, separa las dos partes decantandolo o, en cantidades grandes, sacándolos por un agujero en el fondo del deposito a través de un tubo transparente. Mira el tubo todo el tiempo, y cuando termine de salir la glicerina y empiece a salir biodiésel cambia la salida del tubo de un recipiente a otro. Si cae algo de biodiésel en el recipiente de la glicerina es fácil recuperarlo cuando la glicerina se espesa. Una vez obtenido el biodiesel, su temperatura de combustión ronda los 150ºC, asi que es mucho menos peligroso y más estable, pero no pruebes a acercar una llama. 12. LAVADO Esta es la mejor prueba que puedes realizar para asegurarte que has conseguido un combustible de calidad (igual o mejor que el caro y contaminante diesel mineral). Considéralo también un paso indispensable, ya que con el lavado, extraeremos del biodiesel en bruto que tenemos, todas las impurezas y restos de lejia que han quedado durante el proceso de transesterificación y que tan nocivos pueden ser para nuestro motor. Mezcla 1/3 parte de agua corriente y 2/3 partes de tu biodiesel previamente reposado
y decantado. Por ejemplo: en un bidon de 75 litros de capacidad introduce 25 litros de agua y 50 litros de biodiesel. Agita la mezcla durante unos 10min (procura que las temperaturas del agua y el biodiesel sean similares, sino tendrás que emplear mas tiempo agitándolo). A continuación, déjalo reposar. Si el combustible es de buena calidad, en diez minutos o menos las dos partes quedaran visiblemente separadas. (En la foto anexa: a la derecha, separación perfecta al cabo de pocos minutos; a la izquierda, emulsión formada por exceso de lejía en el proceso de transesterificación). El agua que nos quede en el fondo, tendra un color lechoso. Déjalo reposar y repite el proceso un total de tres veces. En el último lavado, el agua nos deberá aparecer limpia. Si no nos parece lo suficientemente limpia, podemos añadir 15ml de vinagre por cada 25 litros de agua y repetir la operación. Finalmente, separa el biodiesel del agua. 13. CALIDAD Si todo ha ido bien tendrás un biodiesel con un PH 7, neutro, pero una valoración de entre 6 y 8 lo convierten en un combustible perfectamente apto para nuestro propio consumo y sin ningún riesgo para nuestro motor. También puedes hacer una valoración visual; el biodiesel tiene un color pajizo, como el del aceite vegetal, pero con un matiz marrón. Déjalo reposar entre 1 y 3 semanas más (a más temperatura ambiental menos tiempo). Con los días, tu biodiesel cogerá un tono cristalino y aparecerá un posillo en el fondo que también tendremos que retirar. Acto seguido, nuestro biodiesel estará listo para ser utilizado tal que diesel mineral de gasolinera. 14. OBSERVACIONES Es importante saber que el biodiésel limpia muy bien los restos de diésel mineral del interior del motor. Por eso debes comprobar y cambiar los filtros del combustible cuando empieces a usar biodiésel. Puedes poner un filtro de plástico transparente, pequeño y barato, justo antes del filtro original. El nuevo filtro limpia en parte el combustible antes de que llegue al filtro original, que es más caro. Así es más fácil ver cuándo pasa combustible y en qué condiciones se encuentra el filtro. A modo de disuasión de rumores, cabe añadir, también, que no se nos ha informado de ningún usuario de biodiésel casero ni comercial al cual se le hayan obturado los filtros del vehiculo por su uso regular.
15. RESULTADOS TIEMPO (min)
T° C
3 6 9
60 65 55
VISCOSIDAD (mm^2/s) 6.06 5.71 5.93
DENSIDAD (g/cm^3) 0.883 0.882 0.883
12 15 18 21 24
60 60 60 60 55
5.93 8.83 5.40 7.77 540
0.877 0.885 0.882 0.886 0.886
16. 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. 17. BIBLIOGRAFÍA http://www.gnc.org.ar/downloads/Hidrocarburos.pdf http://infowarehouse.com.ve/pugoz/fluidos/fluidos_lab_viscosidad.pdf
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE PROCESOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
LABORATORIO N° 4 BIODIESEL
AREQUIPA – PERÚ 2015