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Biodiesel de girassol e análise do efeito corrosivo em aço
Tipologia: Teses (TCC)
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Natal/RN 2016
Bernardo Bruno Dias Baracho
Obtenção de biodiesel de girassol e avaliação de sua ação corrosiva
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como parte integrante dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Bacharel em Química do Petróleo pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Orientador: Ademir Oliveira da Silva Co-Orientadora: Maria Aparecida Medeiros Maciel
Natal/RN 2016
Bernardo Bruno Dias Baracho
Obtenção de biodiesel de girassol e avaliação de sua ação corrosiva
Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação apresentado ao Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito necessário para a obtenção do título de Bacharel em Química do Petróleo.
Aprovado em 20 de Dezembro de 2016.
Prof. Dr. Ademir Oliveira da Silva Orientador - UFRN
Prof. Dra Maria Aparecida Medeiros Maciel Co- Orientadora - UFRN
Prof. Jackson da Silva Santos Colaborador - IFRN
Primeiramente, à Deus.
A minha mãe, pelo amor, carinho e paciência. Ao meu pai, por ser minha fonte de inspiração e por todo suporte que me foi dado. E a minha irmã, Bárbara, por ser meu ponto de equilíbrio e porto seguro.
Ao Prof. Dr. Ademir Oliveira da Silva pelas oportunidades e orientação.
A Profa. Dra. Maria Aparecida Medeiros Maciel pelas orientações e pela oportunidade de conhecer melhor o mundo científico.
A UFRN e seus professores, pela capacitação como pessoa e profissional.
A família LQV (Laboratório de Química Verde) e LTT (Laboratório de Tecnologia de Tensoativos) por ter aberto as portas para mim e proporcionar inúmeras experiências.
Pela contribuição em minha formação, agradeço também, ao Prof. Jackson da Silva Santos, Denise Emerenciano e Joherbson Deivid.
Agradeço ao Laboratório de Caracterização de Petróleo e Derivados (LabPetrol) da UFRN, especificamente à Profa. Dra. Luciene da Silva Santos e Keverson Gomes de Oliveira, pela parceria em algumas das análises que foram realizadas.
Aos meus amigos Pablo Matheus e Valdeir Lira por toda ajuda e incentivo durante minha graduação. À minha amiga Lorena Kelly, por estar sempre perto de mim nos melhores e piores momentos. Agradeço à Maria Clara Coutinho, por ser para mim um exemplo de companheirismo, honestidade, fidelidade e amor.
Por fim, agradeço a todos os meus amigos que participaram da minha trajetória, não só acadêmica, mas da vida.
The major causes of the global warming caused by the greenhouse effect are the emissions of polluting gases from burning of fossil fuels. In this sense, biodiesel is a fuel alternative to diesel because of its use reduces emissions of pollutants and contribute to the reduction of air pollution. This fuel type is produced on a large scale by the transesterification synthetic methodology, which consists of the reaction of a fatty material and a short chain alcohol, in the presence of a catalyst (acidic, basic or enzymatic). The objective of this work was to obtain biodiesel from sunflower oil (B100-OG) through alkaline transesterification with NaOH, by ethylic route, in order to evaluate its corrosive action. Initially, 1.5% NaOH was used in relation to the amount of oil, and the oil/alcohol ratio was 1:6, at 60 °C, for 90 minutes, with a 74 % of reaction yield. A mixture of 93% S10 Diesel and 7% of the sunflower biodiesel (B7- OG) was prepared, which was submitted to physical-chemical characterization analyzes (kinematic and dynamic viscosity, density, clogging point, pour point). For the sample B100-OG, an oxidative stability analyses was carried out wherein the biodiesel induction time was determined. The corrosion effect on AISI 1020 carbon steel was evaluated by the immersion test (mass loss coupon experiment) for the tested samples such as the commercially purchased S10 Diesel, B100-OG and B7- OG, following the standard ASTM G31. The higher corrosion rate were observed for the S10 diesel (1.318 mpy) and B100-OG (2.46 0 mpy) samples. The greater result was obtained for B7-OG (1.29 0 mpy) sample.
Keywords : Sunflower oil, Transesterification. Biodiesel. Corrosion.
B100-OG 100% de biodiesel de girassol B7-OG Mistura contendo 93% de Diesel S10 e 7% de biodiesel de girassol ANP Agência Nacional de Petróleo ASTM American Society for Testing and Materials
O biodiesel, mesmo sendo uma solução viável ao uso dos óleos vegetais, apresenta como grande desvantagem sua baixa estabilidade oxidativa. A oxidação deste combustível promove um aumento de sua acidez e da viscosidade, provocando, posteriormente, corrosão e sedimentação de produtos sólidos que danificam o motor via proliferação microbiológica (MONYEM et al., 2000).
A interação entre o fluido, estrutura metálica e a estrutura de atomização de combustível (usualmente à alta pressão na câmara de combustão de um motor de combustão interna) pode promover uma série de danos em que se incluem os processos de corrosão, cavitação e erosão (ASI, 2006). Objetivando-se o avanço de estudo que viabilizem a minimização de perdas por deterioração de metais, se destaca a necessidade de estudos sobre os processos de corrosão causados pelo uso de biodiesel.
De maneira geral, o estudo de processos corrosivos possibilitam conhecer e caracterizar os diversos meios agressivos que são responsáveis pelas reações químicas e eletroquímicas desencadeadas em materiais de elevada importância industrial para, em uma etapa subsequente, reduzir os efeitos com agentes antioxidantes, denominados de inibidores de corrosão (ROSSI et al., 2007). A corrosão metálica representa uma das principais causas de perdas econômicas para a indústria de petróleo, considerando o aumento com custos operacionais e de manutenção da rede dutoviária afetada (NIZHEGORODOV et al., 2008).
No sistema de combustível de automóveis, materiais metálicos, como ligas de metais ferrosos, ligas não-ferrosas e elastômeros entram em contato com o combustível e, dependendo das diferentes características químicas do biocombustível quando comparadas ao diesel, ocorre agravamento da perda de materiais em função da ação corrosiva. Desta forma, alguns fabricantes de automóveis estenderam a garantia apenas para misturas com menores percentuais de biodiesel, como por exemplo o B10 (10% biodiesel e 90% diesel). Misturas superiores a este percentual são isentas de garantia (GRACIA-ESCOSA et al., 2015; HASEEB et al., 2011).
No Brasil, a lei de número 13.263, de 23 de Março de 2016, determina que em Março de 2017 será permitido o aumento da mistura do biodiesel ao óleo diesel vendido no país, dos atuais 7% para 8%, aumentando mais ainda a necessidade de estudos de corrosão provocados pelo biodiesel.
No presente trabalho, o óleo de girassol ( Helianthus annuus L.) foi escolhido para ser avaliado como fonte alternativa ao uso de diesel. Especificamente, objetivou-se o estudo comparativo do potencial corrosivo de biodiesel de girassol (B100-OG), de diesel S10 e da mistura B7-OG (7% de biodiesel de girassol e 93% de diesel S10). O ensaio de corrosão foi realizado pelo método de perda de massa, seguindo a norma ASTM G31, no qual se expressa a perda de massa por unidade de tempo.
Avaliação dos efeitos corrosivos de biodiesel de girassol (B100-OG), da mistura B7-OG (7% de B100-OG e 93% de diesel S10) e óleo diesel S10 em aço carbono 1020 através do experimento cupons de perda de massa.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Obtenção do biodiesel de girassol através da reação de transesterificação por rota etílica, em meio básico; Avaliações físico-químicas para a amostra B7-OG, assim como análise de estabilidade oxidativa para a amostra B100-OG; Realização de experimentos de cupons de perda de massa com amostras de óleo diesel S10, mistura B7-OG e biodiesel de girassol (B100-OG) para avaliação comparativa do efeito corrosivo destes combustíveis em aço carbono 1020.
Como citado anteriormente, algumas desvantagens são atribuídas ao uso de óleos vegetais como combustível. Neste contexto, vários métodos já foram utilizados na tentativa de reduzir a viscosidade de óleos vegetais, e o método da transesterificação é um dos mais utilizados e encontra-se descrito a seguir.
3.2 REAÇÃO DE TRANSESTERIFICAÇÃO
No processo de transesterificação, óleos vegetais e gordura animal reagem na presença de um catalisador (geralmente uma base) com um álcool de cadeia pequena para produzir os alquil ésteres correspondentes aos ácidos graxos presentes na fonte original (óleo vegetal ou gordura animal) (KNOTHE et al., 2006).
Figura 2: Reação de transesterificação.
Fonte: Autor.
3.2.1 Matéria prima
O biodiesel pode ser obtido através de qualquer material graxo, tais como: óleos e gorduras de origem animal e vegetal, óleos residuais de frituras e matérias graxas de esgoto.
Diversas espécies oleaginosas já foram utilizadas para produção de biodiesel, dentre elas destacam-se: óleo de soja, amendoim, coco, palma, colza, babaçu, girassol e algodão (Parente, 2003). O girassol ( Helianthus annuus L.), por exemplo, é uma planta de ciclo curto e elevada qualidade, com bom rendimento em óleo que é rico em ácidos graxos poliinsaturados/saturados (65,3%/11,6% em média), com
teor majoritário para o poliinsaturado ácido linoléico (65% em média) (EMBRAPA, 1997; SILVA; SANGOI, 1985). Por apresentar um alto índice de poliinsaturados, este óleo apresenta baixa estabilidade oxidativa. A Tabela 1 mostra a composição total de ácidos graxos presentes no óleo de girassol.
Tabela 1: Composição de ácidos graxos presentes no óleo de girassol. ÁCIDOS GRAXOS ESTRUTURA VALORES DE REFERÊNCIA (%) C<14 < 0, Ácido Mirístico C14:0 < 0, Ácido Palmítico C16:0 3,0 - 10, Ácido Palmitoleico C16:1 < 1, Ácido Esteárico C18:0 1,0 - 10, Ácido Oleico (Ômega 9) C18:1 14,0 - 35, Ácido Linoleico (Ômega 6) C18:2 55,0 - 75, Ácido Linolênico (Ômega 3) C18:3 < 0, Ácido Araquídico C20:0 < 1, Ácido Eicosenoico C20:1 < 0, Ácido Behênico C22:0 < 1, Ácido Erúcico C22:1 < 0, Ácido Lignocérico C24:0 < 0, Ácido Nervônico C24:1 < 0, Fonte: ANVISA, 1999.
3.2.2 Álcool
Os alcoóis mais utilizados para produção do biodiesel são o metanol e etanol. Comparativamente, o metanol é o mais barato dos alcoóis, porém no Brasil o etanol é preferencialmente utilizado, em função da disponibilidade de matéria prima e tecnologia que permita uma produção economicamente viável (KNOTHE et al., 2006).
preferencialmente, já que a reação de transesterificação ocorre com mais velocidade, seletividade e produz maior rendimento e o biodiesel obtido apresenta menor índice de deterioração aos metais (por ser menos corrosivo). O processo catalítico ácido ocorre em temperaturas mais elevadas, o que justifica os maiores índices corrosivos observados em reatores (LEUNG et al., 2010).
3.3 BIODIESEL
De acordo com Ramos et al. (2003), o biodiesel é quimicamente definido como um éster monoalquílico de ácidos graxos derivados de lipídeos de ocorrência natural e pode ser produzido, juntamente com a glicerina, através da reação de triglicerídeos com etanol ou metanol, na presença de um catalisador ácido ou básico.
Segundo Knothe et al. (2006), o biodiesel apresenta muitas vantagens comparando com o diesel de petróleo, tais como: Provém de matérias-primas renováveis de ocorrência natural; É biodegradável; Caráter não tóxico; Menor emissão de gases poluentes (com exceção dos óxidos de nitrogênio, NOx). O biodiesel é livre de enxofre; Alto ponto de fulgor, dando mais segurança no manuseio e armazenamento; Alto número de cetano; Excelente lubricidade.
Entre as desvantagens do biodiesel, podem ser citadas seu alto custo, aumento da emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) e sua baixa estabilidade oxidativa.
A estabilidade oxidativa é um parâmetro bastante importante na qualidade do biodiesel, em função de desencadear, ao longo do tempo, uma série de problemas que reduzem a qualidade do combustível, devido a modificação de suas propriedades físico-químicas. Uma alternativa para solucionar a baixa estabilidade oxidativa de biodiesel consiste no uso de misturas biodiesel/diesel em proporções variadas (B5; B7; B10; B20) que reduzem o elevado consumo de diesel e amplia a eficiência do uso dos combustíveis B100. Também pode ser utilizadas misturas de dois biodieseis de matéria prima diferente, com estabilidades oxidativas distintas (SOUZA, 2010; SILVA, 2011; FREITAS, 2015). Outra alternativa consiste no uso de aditivos antioxidantes naturais (SANTOS et al., 2014) ou artificiais.
A estabilidade oxidativa é definida como a resistência da amostra à oxidação (ANTONIASSI, 2001). Este parâmetro pode ser medido através das seguintes metodologias: termogravimetria, índice de peróxido, índice de acidez e testes de oxidação acelerada.
No método PetroOxy, é detectado uma queda de pressão do processo de oxidação. Suas principais características são: tempo de análise (geralmente uma hora), volume de amostra necessário (5 mL), apresenta repetitividade e reprodutibilidade adequadas e a operação é automática (SILVA, 2015).
O equipamento consiste de uma câmara de ensaio hermeticamente fechada, onde a amostra é colocada. Esta câmara recebe gás oxigênio a uma pressão inicial de 700 kPa, elevando a pressão interna até um limite máximo que é registrado. O sistema é aquecido até 140 ºC, e a amostra vai sendo oxidada a partir do consumo de oxigênio, gerando uma redução da pressão interna. A estabilidade oxidativa será então é o tempo necessário para se alcançar uma queda de 10% da pressão máxima obtida na câmara, sendo obtido o período de indução (SILVA, 2015).
