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Consultar: Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica

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Ttulo [PT]: Estudo da produo de biodiesel por transesterificao etlica e sua purificao utilizando processos com membranas
Ttulo [EN]: Study of biodiesel production by ethylic transesterification and its purification using membrane separation processes
Autor(es): Maria Carolina Srgi Gomes
Palavras-chave [PT]:

Biodiesel. Microfiltrao. Ultrafiltrao Glicerol. Purificao. Membranas cermicas. Transesterificao. Brasil.
Palavras-chave [EN]:
Microfiltration. Ultrafiltration. Ceramic membranes. Transesterification. Biodiesel. Glycerol. Brazil.
rea de concentrao: Desenvolvimento de Processos
Titulao: Doutor em Engenharia Qumica
Banca:
Nehemias Curvelo Pereira [Orientador] - UEM
Pedro Augusto Arroyo - UEM
Teresa Massako Kakuta Ravagnani - UNICAMP
Jesui Vergilio Visentainer - UEM
Oswaldo Curty da Motta Lima - UEM
Resumo:
Resumo: Neste trabalho, foi avaliada a aplicabilidade dos processos de micro e ultrafiltrao com membranas cermicas na separao e purificao de biodiesel produzido por transesterificao etlica de leos vegetais, utilizando hidrxido de sdio como catalisador. Na etapa de determinao das melhores condies reacionais, foram utilizados os leos de soja degomado e de canola refinado. A influncia da temperatura e da razo molar leo:lcool sobre o rendimento em steres foi avaliada utilizando um planejamento fatorial 22 e a metodologia de superfcie de resposta. Com o leo de soja degomado, que apresentou uma acidez mais elevada, os maiores rendimentos em steres foram obtidos na temperatura de 30 C e razo molar leo:lcool de 1:7,5. Com o leo de canola refinado, os maiores rendimentos foram alcanados na temperatura de 45C e razo molar leo:lcool de 1:7,5. Aps a determinao das melhores condies reacionais, a mistura produzida nesta condio tima foi alimentada em um mdulo de micro e ultrafiltrao tangencial para separao do glicerol. Foram utilizadas membranas tubulares deα- Al2O3/TiO2 com dimetros mdios de poro de 0,2, 0,1 e 0,05 μm e 20 kDa, todas com rea de filtrao de 0,005 m2. Na primeira etapa, foi desenvolvida uma metodologia de adio de gua acidificada na mistura a ser filtrada, para possibilitar a desemulsificao da mistura biodiesel/glicerol/etanol e, consequentemente, facilitar a separao do glicerol. Foram realizados experimentos utilizando a mistura obtida a partir do leo de soja degomado, com concentraes mssicas de gua acidificada de 10, 20 e 30%, diferenas de presso de 1,0, 2,0 e 3,0 bar e temperatura de 50C. O desempenho das membranas foi avaliado pela capacidade de reteno do glicerol e pelos valores de fluxos permeados aps estabilizao. Com o uso da concentrao mssica de 20% de gua acidificada, a separao foi eficiente, porm, a aglomerao da fase retida na superfcie da membrana causou um declnio acentuado do fluxo ao longo do tempo de filtrao. Os resultados obtidos com a concentrao mssica de 30% de gua acidificada demonstraram que esta quantidade de gua excessiva e, na maioria dos experimentos, a fase aquosa contendo o glicerol permeou atravs da membrana. A adio de 10% de gua acidificada, alm de reduzir o fouling na membrana, proporcionou a reteno da fase aquosa contendo o glicerol, de modo que os permeados apresentaram teor de glicerol livre abaixo de 0,02%, valor mximo especificado para comercializao. Os melhores resultados com a concentrao mssica de 10% de gua acidificada foram obtidos com as membranas de ultrafiltrao, 0,05 μm e 20 kDa, na presso de 1,0 bar. A ultrafiltrao da mistura reacional obtida a partir do leo de canola refinado no apresentou resultados satisfatrios de separao em nenhuma condio estudada. Os resultados da comparao entre o uso dos leos de soja degomado, soja refinado, canola bruto e canola refinado demonstraram que os cidos graxos livres presentes nos leos influenciam na formao dos aglomerados contendo o glicerol. A separao foi eficiente quando a mistura reacional foi produzida a partir dos leos de soja degomado e canola bruto, que apresentavam maior acidez. Assim, no estudo com o leo de canola bruto, os experimentos foram realizados com as membranas de ultrafiltrao, com diferenas de presso aplicadas atravs da membrana de 1,0, 2,0 e 3,0 bar, na temperatura de 50C. A maior quantidade de cidos graxos livres no leo de canola bruto favoreceu a formao de uma fase aquosa, contendo o glicerol, que foi retida pela membrana, alm de proporcionar as menores taxas de reduo de fluxo. A ultrafiltrao foi eficiente na remoo de glicerol, j que a maior concentrao de glicerol no permeado foi de 0,013%. Por fim, foi feita a anlise do mecanismo de fouling por meio de um modelo proposto na literatura para filtrao tangencial com membranas e presso constante. Com a concentrao de 10% de gua acidificada, tanto para o leo de soja degomado quanto para o leo de canola bruto, o mecanismo de fouling predominante foi bloqueio completo de poros. Com as concentraes de 20 e 30%, os mecanismos predominantes foram a formao de torta e o bloqueio interno de poros, respectivamente. O mecanismo de fouling em cada condio est relacionado com o tamanho dos aglomerados da fase aquosa e o dimetro de poros das membranas. Finalmente, o processo de separao do glicerol por ultrafiltrao apresenta a vantagem de eliminar a etapa de decantao, alm de reduzir a quantidade de gua utilizada na lavagem. As propriedades do biodiesel produzido, que foram avaliadas, atendem aos padres exigidos pela ANP para comercializao.

Abstract: This study investigated the efficiency of micro- and ultrafiltration with ceramic membranes in separating and purifying biodiesel produced by ethylic transesterification of vegetable oils, using sodium hydroxide as a catalyst. The influence of temperature and oil:alcohol molar ratio on ethyl esters yield was evaluated by the application of a 22 factorial design and response surface methodology. According to the results, with the use of degummed soybean oil, which presented a higher acidity, maximum yield of esters was obtained at a temperature of 30 C and an oil:alcohol molar rate of 1:7.5. Using refined canola oil in the reaction, the highest esters yield was obtained at 45 C and 1:7.5. After the determination of the optimum conditions for the production of ethyl esters, the reaction mixture, produced in the optimum condition, was directly fed in a tangential micro- and ultrafiltration module to separate glycerol. Experiments were carried out with α-Al2O3/TiO2 tubular ceramic membranes with average pore size of 0.2μm, 0.1μm, 0.05 μm, and 20 kDa, and filtration area of 0.005 m2. In the first step, it was developed a methodology of acidified water addition to the reaction mixture, to promote demulsification of the mixture and, thus, the glycerol retention by the membrane. Micro- and ultrafiltration runs, with the reaction mixture produced from degummed soybean oil, were performed in batch mode with water addition of 10, 20, and 30 wt.%, at 1.0, 2.0, and 3.0 bar transmembrane pressures and 50 C. Membrane performance was evaluated based on the capacity of glycerol retention and on the permeate flux values. With the use of 20 wt.% water concentration, the separation was efficient, but the aqueous phase retained on the membrane surface caused a sharply flux decline. Results showed that 30 wt.% water concentration is excessive and, in almost all runs, the aqueous phase containing glycerol permeated through the membrane. The addition of 10 wt.% water, not only reduced the membrane fouling, but also promoted the glycerol retention, to that, the permeates presented glycerol content lower than 0.02 wt%, the specification limit of free glycerol in biodiesel. The best results, with 10 wt.% water addition, were obtained with the ultrafiltration membranes, 0,05 μm e 20 kDa, at 1.0 bar transmembrane pressure. Ultrafiltration of reaction mixture produced from refined canola oil was not satisfactory in removing glycerol, under all evaluated conditions. The comparison among the use of degummed soybean oil, refined soybean oil, crude canola oil, and refined canola oil, demonstrated that, free fatty acid presented in the oils influence the formation of droplets containing glycerol. The separation was efficient when reaction mixture was produced from degummed soybean oil and crude canola oil, both with a higher acidity value. In the next step, using crude canola oil, the runs were performed at 1.0, 2.0, and 3.0 bar transmembrane pressure and temperature of 50 C. The highest free fatty acid content in the crude canola oil, not only favored the formation of an aqueous phase containing glycerol, which was retained by the membrane, but also resulted in the lowest flux decline rates. The ultrafiltration was efficient in removing glycerol, since the highest glycerol content in the permeate was 0.013 wt.%. Finally, it was conducted the analysis of fouling mechanisms using a model proposed in the literature applied to cross-flow filtration and constant pressure. Using 10 wt.% water concentration, for both degummed soybean oil and crude canola oil, the predominant fouling mechanism was the complete pore blocking. With 20 and 30 wt.% water, the predominant fouling mechanisms were cake filtration and internal pore blocking respectively. The fouling mechanism dominant in each experimental condition is dependent upon the size of aqueous phase droplets and the membrane pore diameter. This novel refining process of biodiesel showed the advantage of not requiring previous decantation to separate the two phases obtained after transesterification and the reduction in the amount of water used in the washing steps, thus minimizing the environmental impact of the biodiesel production process. The properties of the biodiesel produced, which were evaluated, meet the ANP biodiesel standards required for marketing.
Data da defesa: 28/02/2012
Cdigo: vtls000207891
Informaes adicionais:
Idioma: Portugus
Data de Publicao: 2012
Local de Publicao: Maring, PR
Orientador: Prof. Dr. Nehemias Curvelo Pereira
Co-Orientador: Prof. Pedro Augusto Arroyo
Instituio: Universidade Estadual de Maring . Centro de Tecnologia . Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica
Nvel: Tese (doutorado em Engenharia Qumica)/
UEM: Departamento de Engenharia Qumica

Responsavel: beth
Categoria: Aplicao
Formato: Documento PDF
Arquivo: Tese-verso final CD.pdf
Tamanho: 7837 Kb (8024687 bytes)
Criado: 17-09-2013 15:39
Atualizado: 17-09-2013 16:02
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