Sistemas Catalíticos Heterogêneos para Produção de Biodiesel

A produção de biodiesel em escala industrial ocorre com o emprego de sistemas catalíticos homogêneos, comumente catalisadores básicos sendo os mais utilizados, tanto o hidróxido de sódio (NaOH), quanto o hidróxido de potássio (KOH). O emprego dos hidróxidos de sódio e potássio como catalisador no processo de obtenção em biodiesel tem grandes vantagens como o baixo custo e disponibilidade do catalisador no mercado e o emprego de temperaturas mais baixas no processo com rendimentos elevados em ésteres (biodiesel) em tempos menores de processo (Borges et al., 2014; Rashid et al., 2014). Entretanto, alguns inconvenientes da utilização do processo homogêneo, tais como formação de sabões e desperdícios de tempo e água com a etapa de separação do catalisador por lavagem (Kathiele et al., 2015). Fazem com que a pesquisa científica pelo desenvolvimento de novos catalisadores para produção de biodiesel cresça a cada dia.

Uma opção catalítica para a produção de biodiesel, alternativa ao processo de catálise homogênea seria a utilização de processos com catalisadores enzimáticos os quais tem apresentado características favoráveis nos processos obtenção de biodiesel, tais como reações sob aquecimento em temperaturas mais amenas, elevada seletividade nas reações de transesterificação e esterificação, possibilidade de uso de proporção molares óleo/álcool mais brandas e biodegradabilidade das enzimas (Christopher et al., 2014; Kathiele et al., 2015), além dos benefícios associados ao processo e característica do catalisador, as enzimas conseguem transesterificar óleos com grande eficiência ao ponto de que a glicerina formada como coproduto tem algo grau de pureza podendo ser destinada a setores industriais que a utilizam como matéria-prima (Kathiele et al., 2015). Entretanto, em detrimento de todos os citados benefícios apresentados pelo uso dos catalisadores enzimáticos, o elevado custo de tais catalisadores frente aos custos dos catalisadores químicos tornam os processos enzimáticos em escala industrial inviáveis atualmente.

Assim, temos os catalisadores químicos à base de hidróxidos, uma classe de catalisadores que apresentam rendimentos satisfatórios e são economicamente viáveis, mas seu uso demanda complicações como reações secundárias como formação de sabões, além de problemas associados à impossibilidade de reuso e demanda de tempo com processos de separação por lavagem. E temos os catalisadores enzimáticos que apresentam rendimentos elevados em baixas temperaturas de reação, além de serem seletivos e biodegradáveis, mas com o inconveniente associado aos custos elevados.

Em meio a essas duas classes de catalisadores citadas, a evolução na pesquisa em catálise heterogênea aponta a possibilidade do emprego de um catalisador que apresente rendimentos satisfatórios em temperaturas brandas similarmente às enzimas, com baixo custo e facilidade de obtenção similarmente aos catalisadores básicos homogêneos, mas com uma característica que difere das enzimas ou catalisadores básicos homogêneos: a possibilidade de reuso do catalisador com manutenção do poder de conversão.

Com essas premissas de alto rendimento de ésteres (biodiesel) em temperaturas brandas, praticidade, custo baixo do catalisador e reuso, a literatura especializada tem relatado pesquisas de diversas classes de catalisadores heterogêneos e seu desempenho em reações de obtenção de biodiesel, como o uso de argilas (Aghabarari et al., 2014; Jeenpadiphat et al., 2014; Silva et al., 2014), peneiras moleculares (Liu et al., 2014a ;Wang et al. 2014a; Wang et al., 2014b), óxidos mistos do tipo magnésio e alumínio (Castro et al., 2014), contendo estrôncio e titânio (Lertpanyapornchai et al., 2015), contendo magnésio e zinco (Pasupulety et al., 2015), contendo cálcio e lantânio (Taufiq-yap et al., 2014) etc.

Com intuito de promover as condições ótimas de características estruturais, morfológicas e químicas os catalisadores heterogêneos são sintetizados e/ou aperfeiçoados por diferentes processos tecnológicos com o intuito de maximizar o seu potencial catalítico durante as reações de obtenção de biodiesel. Assim, os diferentes processos pelos quais os catalisadores heterogêneos são submetidos conferem a estes características próprias de textura, dimensão, formato etc. A Figura 9 ilustra alguns exemplos de diferentes estruturas dos catalisadores heterogêneos.

Catalisador Tipo de estrutura

Composição química Arranjo Estrutural

Zeólita CIT-5 Peneira molecular Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O Aluminato de magnésio Espinélio (AB2O4) MgAl2O4 Óxido de titânio (anatase) A2B TiO2 (anatase) Hectorita Hidróxidos duplos lamelares Na0.3(Mg,Li)3Si4O10(OH)2

Figura 9 – Exemplos de tipos de catalisadores de sistemas heterogêneos.

Como pode ser observado na Figura 9, cada tipo de catalisador heterogêneo tem um arranjo atômico específico que associado às características dos átomos envolvidos tais como eletronegatividade, raio atômico, força de ligação dentre outras, conferem uma estrutura e morfologia especifica para cada composto. No âmbito da pesquisa em catálise heterogênea a estrutura e morfologia do composto tem grande relevância. A conformação estrutural é que propicia uma maior ou menor exposição dos átomos a superfície do catalisador formado e a morfologia pode permitir uma maior densidade de contornos de grãos implicando em regiões de grande energia (Callister, 2007).

O aspecto morfológico é tão importante quanto o estrutural num catalisador heterogêneo aplicado em processo de produção de biodiesel, o formato da partícula primária, diâmetro, porosidade são características diretamente relacionada com a área superficial específica da partícula. Essa grandeza, área superficial específica, está diretamente associada à interface de contato e acessibilidade dos reagentes, no presente caso álcool e óleo, aos sítios ativos. Assim, os catalisadores heterogêneos são sintetizados com uso de técnicas que propiciem, além das características estruturais desejadas, uma área superficial específica com uma distribuição o mais uniforme possível de seus poros.

Embora catalisadores de elevada área superficial tecnicamente permitam a acessibilidade dos reagentes aos sítios ativos originários da fase cristalina dos compostos, sítios ativos secundários podem ser formados com emprego de técnicas de impregnação com a finalidade de maximizar o potencial catalítico dessas partículas de catalisadores tornando-as mais eficientes (Feyzi et al., 2014; Li et al., 2014).

Assim, dentro desse contexto a síntese de catalisadores para sistemas heterogêneos na produção de biodiesel, possibilita o desenvolvimento de catalisadores com estrutura estável, quimicamente ativos nas reações de transesterificação (Castro et al., 2014;Lertpanyapornchai et al., 2015), esterificação (Fu et al., 2015; Kaur et al., 2015) e interesterificação (Galia et al., 2014; Nandiwale et al., 2015), catalisadores com morfologia finamente granular e homogênea das partículas, ao tempo em que se porta estável quimicamente em seu reuso e que possibilita a maximização de seu potencial catalítico.