Preparação assistida por ultrassom de produtos de biodiesel a partir de óleos vegetais

Summary

Um método seguro de transesterificação assistida por ultrassom para óleos vegetais usando um catalisador alcalino é apresentado aqui. O método é rápido e eficiente para preparar produtos de biodiesel puro.

Abstract

Utilizando óleo vegetal como matéria-prima sustentável, este estudo apresenta uma abordagem inovadora para a transesterificação assistida por ultrassom para síntese de biodiesel. Este procedimento catalisado alcalino aproveita o ultrassom como uma potente entrada de energia, facilitando a rápida conversão do azeite de oliva extra virgem em biodiesel. Nesta demonstração, a reação é executada em um banho ultrassônico em condições ambientais por 15 min, exigindo uma proporção molar de 1: 6 de azeite de oliva extra virgem para metanol e uma quantidade mínima de KOH como catalisador. As propriedades físico-químicas do biodiesel também são relatadas. Enfatizando as vantagens notáveis da transesterificação assistida por ultrassom, este método demonstra reduções notáveis nos tempos de reação e separação, alcançando pureza quase perfeita (~ 100%), altos rendimentos e geração de resíduos insignificante. É importante ressaltar que esses benefícios são alcançados dentro de uma estrutura que prioriza a segurança e a sustentabilidade ambiental. Essas descobertas convincentes ressaltam a eficácia dessa abordagem na conversão de óleo vegetal em biodiesel, posicionando-a como uma opção viável tanto para pesquisa quanto para aplicações práticas.

Introduction

O biodiesel, derivado de óleos e gorduras comuns à base de plantas, surge como uma solução sustentável para mitigar a dependência do petróleo¹. Este substituto renovável apresenta emissões reduzidas de gases de efeito estufa, principalmente dióxido de carbono, ao mesmo tempo em que depende de recursos sustentáveis. Além disso, o biodiesel apresenta vantagens distintas sobre o diesel de petróleo, caracterizadas por sua composição livre de enxofre, natureza não tóxica e biodegradabilidade. Como alternativa aos combustíveis fósseis convencionais, o biodiesel se alinha com a política Net Zero da Organização das Nações Unidas (ONU), reduzindo nossa dependência de combustíveis fósseis não renováveis e mitigando os efeitos adversos das mudanças climáticas. O biodiesel oferece um caminho promissor para atender às necessidades atuais de energia, tornando-o uma escolha poderosa para um futuro mais verde².

O método predominante utilizado para a produção de biodiesel envolve a transesterificação, um processo químico em que os triglicerídeos encontrados em óleos e gorduras reagem com um álcool, normalmente metanol ou etanol, na presença de um catalisador sob condições de temperatura elevada 1,2,3,4. Essa reação produz ésteres alquílicos de ácidos graxos, o principal componente do biodiesel. Vários tipos de óleos vegetais servem como matéria-prima primária para a produção de biodiesel, incluindo óleos comestíveis⁵ (por exemplo, azeite de oliva extra virgem e óleo de milho) e não comestíveis ^6,7,8 (por exemplo, óleo de alcaparras), bem como óleos usados⁹. O metanol é mais comumente usado para este processo de transesterificação, pois é um álcool relativamente barato. Além disso, uma série de catalisadores, como ácido sulfúrico, ácido fosfórico, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio ou enzimas como lipase, podem ser usados para acelerar o processo de transesterificação 1,2,3,4. Tradicionalmente, a mistura de reação é aquecida sob refluxo por períodos prolongados, normalmente 30 min ou mais. O aquecimento não é tão eficiente em termos energéticos quanto o ultrassom, ao mesmo tempo em que apresenta riscos à segurança⁵. Consequentemente, há necessidade de um processo de transesterificação mais seguro, rápido e eficiente em termos energéticos.

A irradiação ultrassônica surge como uma alternativa superior às fontes convencionais de energia, como calor, luz e eletricidade, principalmente devido ao fenômeno da cavitação acústica¹⁰. Este fenômeno, caracterizado pela formação, expansão e colapso violento de bolhas, gera hotspots localizados com temperaturas que atingem aproximadamente 5000 K e pressões de 1000 atm. Tais condições extremas, juntamente com taxas rápidas de aquecimento e resfriamento (acima de 10^{a 10} K / s), fornecem a energia necessária para que uma ampla gama de reações químicas ocorra de forma eficiente à temperatura ambiente, incluindo aquelas anteriormente consideradas inatingíveis por meios convencionais¹⁰. A síntese assistida por ultrassom está ganhando terreno rapidamente em diversas áreas de pesquisa. Notavelmente, o interesse na síntese assistida por ultrassom em síntese orgânica e materiais de estado sólido é impulsionado por sua natureza ecologicamente correta, eficiência energética e tempos de reação abreviados em condições ambientais 5,11,12,13,14,15,16 . Uma técnica rápida e eficaz é introduzida aqui para transesterificação assistida por ultrassom segura de óleos vegetais usando um catalisador alcalino produzindo produtos de biodiesel puro em um curto espaço de tempo. Embora o azeite de oliva extra virgem sirva como meio de demonstração neste estudo, é imperativo observar que o método ultrassônico é aplicável a um espectro de azeites vegetais ^5,17.

Protocol

1. Fonte de óleo e preparação Adicione 2,0 mL de metanol de grau HPLC em um tubo de centrífuga de 15 mL.CUIDADO: O metanol é um líquido altamente inflamável. É tóxico se ingerido, em contato com a pele ou inalado, e causa danos aos olhos. Certifique-se de usar equipamento de proteção individual (EPI) ao trabalhar com metanol e use-o na capela de exaustão. Adicione um pellet de KOH (~0,10 g) ao tubo de centrífuga e dissolva o sólido KOH usando o limpador ultrassônico…

Representative Results

Nesta demonstração, a reação de transesterificação do azeite de oliva extra virgem e metanol, catalisada por KOH, produz biodiesel à temperatura ambiente em banho ultrassônico (Figura 1)5. Os materiais de partida no tubo da centrífuga mostram que os reagentes são imiscíveis e divididos em duas camadas, como visto na Figura 2A. A camada superior é uma mistura de metanol e KOH, enquanto a camada inferior é composta de azeite de…

Discussion

Nesta demonstração, um método assistido por ultrassom de produção catalisada por base de biodiesel é elucidado para eficácia ideal. Para obter os melhores resultados, o tubo da centrífuga deve ser colocado dentro de um copo cheio de água e, em seguida, o copo deve ser colocado dentro do banho ultrassônico. Esta configuração imersa garante a exposição completa da mistura de reação ao tratamento ultrassônico, maximizando sua eficácia. Se desejado, um rack de centrífuga também pode ser usado para substit…

Materials

Chloroform-d	Fisher Scientific	865-49-6	• Harmful if swallowed. • Causes skin irritation. • Causes serious eye irritation. • Toxic if inhaled. • Suspected of causing cancer. • Suspected of damaging fertility or the unborn child. • Causes damage to organs through prolonged or repeated exposure
Heated Ultrasonic Baths, Digital, Branson Ultrasonic	Branson	89375-492
Methanol	Fisher Scientific Company	67-56-1	Highly flammable liquid and vapor. Toxic if swallowed, in contact with skin or if inhaled. Causes damage to organs (Eyes).
Potassium hydroxide	Fisher Scientific Company	1310-58-3	May be corrosive to metals. Harmful if swallowed. Causes severe skin burns and eye damage. Causes serious eye damage
Sodium chloride	Sigma-Aldrich	7647-14-5	Not hazardous
Vegetable oils			A commonly consumed food with a long history of safe use in pesticides.