Investigação de rota catalítica assistida por plasma em reações de transesterificação e avaliação de desempenho ambiental por meio de indicadores de sustentabilidade

Abstract

O interesse de desenvolvimento de combustíveis a partir de fontes renováveis é cada vez maior, como alternativa para substituição dos combustíveis fósseis. O biodiesel pode ser obtido a partir de uma reação de transesterificação de óleos vegetais, geralmente na presença de um catalisador. Métodos avançados, como o plasma, têm sido estudados para a intensificação da reação de produção de biodiesel permitindo condições mais amenas, principalmente de temperatura e tempo de reação. Rotas que utilizam a associação entre catalisadores e plasmas podem favorecer os níveis de conversão e produção de biocombustíveis. Apesar das várias rotas desenvolvidas para produção de biodiesel, é difícil avaliar qual rota de fato é mais sustentável. Indicadores de sustentabilidade são ferramentas para auxiliar na comparação de diferentes rotas de produção de biodiesel e podem auxiliar na tomada de decisão de quais tecnologias devem ser investidas por serem mais sustentáveis. O objetivo desse trabalho é avaliar a viabilidade técnica da rota catalítica assistida por plasma em reações de transesterificação, bem como, comparar a sustentabilidade da rota desenvolvida com o intuito de determinar uma rota otimizada. Um reator de plasma foi desenvolvido para atuar como meio reacional de reações de transesterificação. A reação de transesterificação de monoésteres, chamada de reação modelo, foi utilizada para investigar o efeito sinérgico dos catalisadores H3PMo e NaOCH3 com o reator de plasma. A reação modelo foi testada em diferentes tempos de reação e tensões aplicadas no plasma. A reação de transesterificação de óleo de soja foi testada com o catalisador básico NaOCH3 assistido por plasma. Foi utilizado o catalisador comercial metilato de sódio (NaOCH3) por ser aplicado industrialmente na produção de biodiesel, tornando mais acessível a obtenção de dados para a comparação com os indicadores de sustentabilidade. Tanto a reação modelo como a reação de transesterificação de óleo de soja ocorreram em temperatura ambiente e pressão atmosférica. Diferentes condições da reação de transesterificação de óleo de soja na rota catalítica assistida por plasma foram comparadas por meio dos indicadores Produtividade em Massa (PM), Teor de Resíduos (TR), Teor de Glicerol (TG), Razão de Energia (RE), Fator de Energia (FE) e Custos de Matéria-Prima (CMP). Resultados com a reação modelo mostraram que, em geral, as rotas catalíticas assistidas por plasma apresentaram maiores conversões de acetato de etila, quando comparadas às rotas sem plasma nas mesmas condições experimentais. O efeito sinérgico entre o plasma e os catalisadores proporcionou um aumento nas constantes de velocidade de reação e altas conversões de acetato de etila em tempos de reação mais curtos e em temperatura ambiente. Três condições foram testadas tanto na reação modelo, quanto na reação com óleo de soja. Foram observadas diferenças na conversão para as duas reações devido à diferença das descargas conforme o meio reacional, e também, devido à dificuldade de transferência de massa entre os reagentes óleo e metanol, pouco miscíveis. A condição que apresentou o maior teor de éster foi de 15,6 kV de tensão aplicada no plasma, 30 min de reação e teor de catalisador de 0,1$\%$ NaOCH3. Porém, a rota com 3,1 kV de tensão aplicada, 30 min de reação e 0,5$\%$ de NaOCH3 foi considerada a mais sustentável e a mais promissora para se obter uma rota otimizada. A rota catalítica assistida por plasma apresenta eficiência energética competitiva com as rotas convencionais.

Abstract: The interest in developing fuels from renewable sources is increasing, as an alternative to replacing fossil fuels. Biodiesel can be obtained from a transesterification reaction of vegetable oils, usually in the presence of a catalyst. Advanced methods, such as plasma, have been studied for the intensification of the biodiesel production reaction, allowing for milder conditions, mainly in terms of temperature and reaction time. Routes that use the association between catalysts and plasmas can favor the levels of conversion and production of biofuels. Despite the various routes developed for biodiesel production, it is difficult to assess which route is actually more sustainable. Sustainability indicators are tools to assist in the comparison of different biodiesel production routes and can help in the decision making of which technologies should be invested because they are more sustainable. The objective of this work is to evaluate the technical feasibility of the plasma-assisted catalytic route in transesterification reactions, as well as to compare the sustainability of the developed route in order to determine an optimized route. A plasma reactor was developed to act as a reaction medium for transesterification reactions. The monoesters transesterification reaction, called as model reaction, was used to investigate the synergistic effect of H3PMo and NaOCH3 catalysts with the plasma reactor. The model reaction was tested at different reaction times and applied voltages to the plasma. The transesterification reaction of soybean oil was tested with the plasma-assisted basic catalyst NaOCH3. The commercial catalyst sodium methylate (NaOCH3) was used because it is industrially applied in the production of biodiesel, making it more accessible to obtain data for comparison with sustainability indicators. Both the model reaction and the soybean oil transesterification reaction occurred at ambient temperature and atmospheric pressure. Different conditions of the transesterification reaction of soybean oil in the plasma-assisted catalytic route were compared using the indicators Mass Productivity (PM), Residue Content (TR), Glycerol Content (TG), Energy Ratio (RE), Energy Factor (FE) and Raw Material Costs (CMP). Results with the model reaction showed that, in general, the plasma-assisted catalytic routes showed higher ethyl acetate conversions when compared to the plasma-free routes under the same experimental conditions. The synergistic effect between plasma and catalysts provided an increase in reaction rate constants and high conversions of ethyl acetate in shorter reaction times and at room temperature. Three conditions were tested both in the model reaction and in the reaction with soybean oil. Differences in conversion were observed for the two reactions due to the difference in discharges according to the reaction medium, and also, due to the difficulty of mass transfer between the oil and methanol reagents, which are poorly miscible. The condition that presented the highest ester content was 15.6 kV of voltage applied to the plasma, 30 min of reaction and catalyst content of 0.1$\%$ NaOCH3. However, the route with 3.1 kV of applied voltage, 30 min of reaction and 0.5$\%$ of NaOCH3 was considered the most sustainable and the most promising to obtain an optimized route. The plasma-assisted catalytic route has competitive energy efficiency with conventional routes.