Producción de biodiesel por catálisis heterogénea, Diseño y aplicación de catalizadores, orientados a su aplicación industrial en plantas modulares

Abstract

El biodiesel es una mezcla de ésteres metílicos de ácidos grasos que se obtienen generalmente a través de la de transesterificación de aceites. La mayor parte los procesos industriales de síntesis de biodiesel utilizan catalizadores homogéneos. Aunque efectivos, éstos generan inconvenientes que dificultan la operación, aumentando los costos de producción. En consecuencia, la búsqueda de una solución tecnológica ha impulsado el estudio de catalizadores heterogéneos. En los últimos años gran cantidad de sólidos porosos han sido estudiados como catalizadores heterogéneos para la síntesis de biodiesel o como soportes de otros catalizadores. Sin embargo, los catalizadores heterogéneos actualmente descriptos en la literatura requieren tiempos de reacción prolongados y condiciones de reacción exigentes (altas temperaturas y presiones) para alcanzar tasas de conversión altas. Adicionalmente, la reutilización del catalizador debe ser ampliamente estudiada. En este marco, se estudió la síntesis de nuevos catalizadores heterogéneos porosos y su aplicación para la transesterificación de aceite de girasol en biodiesel, basados en tres tipos de materiales: sólidos microporosos de alta superficie (zeolitas A y F)), catalizadores basados en estructuras inorgánicas de tipo laminar (hidrotalcitas Mg-Al sintetizadas en medio sódico y potásico) y materiales mesoporosos (SBA-15, compósito SBA-15/hidrotalcita y productos derivados de carbonato de magnesio mesoporoso). Se aplicaron diversos tratamientos post síntesis (calcinaciones, rehidrataciones e impregnaciones con K2CO3 y KOH) con el fin de estudiar su influencia en las propiedades catalíticas de los sólidos sintetizados. En total, se realizó la síntesis de 17 catalizadores. La estructura y propiedades fisicoquímicas de dichos catalizadores fueron analizadas mediante la aplicación de diversas técnicas de caracterización (DRX, SEM, EDAX, FTIR). La evaluación catalítica se realizó en ensayos de síntesis de biodiesel, en condiciones suaves de temperatura y presión (65 °C y presión autogenerada). El análisis de los resultados obtenidos fue realizado aplicando técnicas cromatográficas. Si bien algunos de los compuestos zeolíticos estudiados fueron activos para catalizar la transesterificación de aceite de girasol, en este grupo no se encontraron materiales con propiedades superiores a las presentadas en la bibliografía actual. Por el contrario, dentro del grupo de catalizadores derivados de hidrotalcitas, se obtuvieron materiales altamente activos. Los mejores resultados fueron obtenidos con hidrotalcitas impregnadas con K2CO3, con las que se obtuvieron conversiones de aceite en biodiesel del orden del 90 % en 4 h de reacción. Además, estos materiales pudieron ser reutilizados, manteniendo buenos niveles de conversión durante varios ciclos de reacción. La sílice mesoporosa SBA-15 no presentó actividad catalítica. Ésta fue combinada con una hidrotalcita Mg-Al para obtener un compósito de alta superficie. Aunque su aplicación directa no dio buenos resultados para catalizar la reacción estudiada, la impregnación de la SBA-15 y el compósito con K2CO3 generó materiales altamente activos, con los que se alcanzaron conversiones del 80 % y 94 % respectivamente, luego de 4 h de reacción. Finalmente, se estudió la síntesis de materiales derivados de MgCO3 mesoporoso. A través de impregnaciones con KOH y tratamientos térmicos a temperatura controlada, se obtuvo un catalizador que logró conversiones del 98 % después de 30 min de reacción. Este resultado se encuentra entre los mejores reportados en la literatura para esta reacción usando catalizadores heterogéneos bajo condiciones de reacción moderadas.