Conversión de un aceite modelo con alto contenido de ácidos grasos sobre catalizadores mesoporosos Al-SBA-15

Abstract

In this thesis the feasibility of producing biodiesel using mesoporous Al-SBA-15 acid catalysts was analyzed. A model feedstock oil with high content of free fatty acids was employed in this study. The effect of the SiO2/Al2O3 (20 and 40) molar ratio and method of incorporation of aluminum in the SBA-15, on the conversion of the oil, yield and main reaction pathways, was studied. The addition of aluminum to the SBA-15 was performed in-situ, during the synthesis by the sol-gel method, and also by a post-synthesis method entitled "chemical grafting". The reaction study was conducted in a batch reactor at 175-215 °C, using a model mixture of palmitic acid (20% by weight) in glycerin tricaprylate The objective was to simulate oils with significant amounts of fatty acids and facilitating the identification of the main reactions paths. The impact of the main operating variables (temperature, methanol/oil ratio, reaction time, catalyst content and free fatty acids percentage) on the yield of the transesterification products was analyzed through a 25-1 experimental design. Finally, in order to relate the performance of these catalysts with their physicochemical properties were characterized by XRD, 27Al NMR, FT-IR of adsorbed pyridine, N2 physisorption, TEM and SEM. The analysis of the results indicate that by using Al-SBA-15 catalysts, with hexagonal mesoporous structure and strong surface acidity (Brönsted and Lewis) is possible to simultaneously promote the esterification of free fatty acids and triglyceride transesterification, leading to fatty acid methyl esters (biodiesel) from oils of lower quality. Therefore Al-SBA-15 heterogeneous acid catalysts are promising materials in the production of biodiesel from vegetable oils with high content of free fatty acids.

En esta tesis se analizó la factibilidad de producir biodiesel utilizando catalizadores ácidos mesoporosos Al-SBA-15, empleando como materia prima un aceite modelo con alto contenido de ácidos grasos libres. Se estudió el efecto de la relación molar SiO2/Al2O3 (20 y 40) y método de incorporación de aluminio en la SBA-15, sobre la conversión del aceite, rendimiento y rutas de reacción principales. La incorporación de aluminio a la SBA-15 se realizó in-situ durante la síntesis por el método de sol-gel y también por un método post-síntesis de la SBA-15 denominado “injerto químico”. El estudio de reacción se llevó a cabo en un reactor intermitente a 175-215 °C, utilizando una mezcla modelo de ácido palmítico (20% p/p) en tricaprilato de glicerina, cuyo objetivo fue simular aceites con cantidades importantes de ácidos grasos y facilitar la identificación de las reacciones principales. El impacto de las principales variables de operación (temperatura, relación metanol/aceite, tiempo de reacción, porcentaje de catalizador y contenido de ácidos grasos libres) sobre el rendimiento de los productos de transesterificación, se analizó utilizando un diseño experimental factorial fraccionado 25-1. Finalmente, para comprender y poder relacionar el funcionamiento de estos catalizadores con sus propiedades fisicoquímicas se caracterizaron mediante DRX, RMN de 27Al, FT-IR de piridina adsorbida, fisisorción de N2, TEM y SEM. El análisis de resultados indica que mediante el uso de catalizadores Al-SBA-15, con estructura hexagonal mesoporosa y con acidez superficial tanto de Brönsted como de Lewis, es posible promover simultáneamente las reacciones de esterificación de los ácidos grasos libres y transesterificación de los triglicéridos, lo cual produce metil ésteres de ácidos grasos (biodiesel) a partir de aceites de baja calidad. Por tanto, los catalizadores ácidos heterogéneos Al-SBA-15 son materiales prometedores en la producción de biodiesel a partir de aceites vegetales con alto contenido de ácidos grasos.