I ENCONTO REGIONAL DE QUÍMICA: Ciência, Tecnologia e Sociedade

Transcrição

1 Governo do Estado do Rio Grande do Norte Secretaria de Estado de Educação e Cultura SEEC UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RI O GRANDE DO NORTE UERN Faculdade de Ciências Exatas e Naturais FANAT DEPARTAMENTO DE QUIMICA - DQ I ENCONTO REGIONAL DE QUÍMICA: Ciência, Tecnologia e Sociedade TÍTULO: Caracterização físico-química do óleo de mamona extraído por diferentes métodos e cultivado em diferentes condições, visando á produção de biodiesel. Patrick Nunes Farias*, Daniele da Silva Oliveira; Anne Gabriella Dias Santos, Luiz Di Souza, Katia Escorcese. Universidade do Estado do Rio Grande do Norte, Departamento de Química, Mossoró/RN * patrick.quimica_uern@hotmail.com Resumo No presente trabalho foi realizado o estudo das características físico-químicas do óleo de mamona cultivados em diferentes condições, extraído por dois métodos: método a frio por prensa mecânica e a quente por sistema soxhlet, visando o seu uso na produção de biodiesel. Foram determinados os teores de óleo por cada método e feitas às seguintes análises físico-químicas para verificar a qualidade do óleo: índice de acidez, densidade, tensão superficial, água e sedimentos, ponto de fulgor, ponto de combustão e viscosidade cinemática. Os resultados indicam que as propriedades variam com o método de extração, sendo em geral maiores para a extração a frio. A maioria das propriedades se encontram acima das recomendadas para a fabricação do biodiesel e provavelmente em função disso produzirão biodiesel de baixa qualidade. Abstract In this study we present a study of the physicochemical characteristics of castor oil grown in different conditions, drawn by two methods: Method by cold mechanical pressing and hot for soxhlet system, aiming at its use in biodiesel production. The contents of oil for each method and made the following physical and chemical analysis to check the oil, acid value, density, surface tension, water and sediments, flash point, flash combustion and kinematic viscosity. The results indicate that the properties vary with the method of extraction, being generally higher for the cold extraction. Most properties are above those recommended for the manufacture of biodiesel and probably because it will produce biodiesel from low quality. Palavras-Chave: óleo de mamona, extração, propriedades físico- químicas.

2 Introdução Segundo Knothe et al.(2006), o petróleo é uma fonte de energia não renovável, e que pode se esgotar um dia, nesse pensamento há muito tempo já se procuravam fontes de combustíveis capazes de substituir o petróleo em sua utilização como combustível. Antes da crise energética já haviam pesquisas sobre novas fontes de combustíveis, tais como a utilização de óleos vegetais e gorduras animais. O uso energético de óleos vegetais no Brasil foi proposto em 1975, originando o Pró-óleo Plano de Produção de Óleos Vegetais para Fins Energéticos. Seu objetivo era gerar um excedente de óleo vegetal capaz de tornar seus custos de produção competitivos com os do petróleo. Previa-se uma mistura de 30% de óleo vegetal no óleo diesel, com perspectivas para sua substituição integral em longo prazo. Por várias razões, incluindo-se a diminuição dos preços do petróleo e o desinteresse da Petrobrás, as atividades de produção experimental de óleo vegetal, foram paralisadas. Com o envolvimento de outras instituições de pesquisas, da Petrobrás e do Ministério da Aeronáutica, foi criado o PRODIESEL em Em 1983, o Governo Federal, motivado pela alta nos preços de petróleo, lançou o Programa de Óleos Vegetais OVEG, no qual foi testada a utilização de biodiesel e misturas combustíveis em veículos que percorreram mais de um milhão de quilômetros. (Costa et al, 2002a, b). A semente de mamona é uma das várias oleaginosas que podem ser utilizadas para a produção de biodiesel, a qual tem facilidade de propagação e de adaptação em diferentes condições climáticas. No Brasil, a mamona foi trazida pelos portugueses com a finalidade de utilizar seu óleo para iluminação e lubrificação dos eixos das carroças. O clima tropical do Brasil facilitou o seu alastramento (Cangemi et al, 2010). A cultura da mamona tem chamado grande atenção devido ao incentivo à produção de biodiesel, o que exigirá grandes áreas de plantio para atender a demanda do mercado de combustíveis. Tendo assim a sua matéria prima voltada para a produção de biodiesel. A semente de mamona é constituída em média por 35% de casca e 65% de amêndoas, sendo que aproximadamente 50 % desta é óleo. O percentual de amêndoa varia de acordo com as condições edafoclimáticas de produção. A procura por semente com maior % de amêndoa torna necessária a realização de zoneamentos que indiquem os locais mais produtivos (Souza et al, 2007). O óleo de mamona é um óleo vegetal, conhecido como óleo de rícino e, internacionalmente, como castor oil; diferencia-se dos demais óleos vegetais pela grande quantidade de hidróxidos que contém especialmente o do ácido ricinoléico (ver na Fig. 1). (Conforme SAVY FILHO et al, 1999), a presença desse triglicerídeo na sua composição, é de 90%, em média, contendo três grupos altamente reativos, que permitem obter-se grandes números de reações químicas decorrentes da presença do grupo carboxila no carbono 1, uma dupla ligação no carbono 9 e a hidroxila no carbono 12 que, juntas, permitem qualidades específicas à produção de uma infinidade de produtos industriais. Embora impróprio para consumo humano, sua importância se concentra na ampla aplicação industrial como matéria-prima usada para a fabricação de uma gama de produtos (CHIERICE e CLARO NETO, 2001). O grupo hidroxila confere, a esse composto, estabilidade e alta viscosidade, que é permitida em largas faixas de temperatura, explicada pela formação de pontes de hidrogênio intermoleculares (MULLER, 1978); além de solidificarem em baixas temperaturas, possuem também estabilidade oxidativa. O grupo hidroxila também lhe confere propriedade exclusiva de solubilidade em álcool (WEISS, 1983: MOSHKIN, 1986). (Conforme BELTRÃO 2003) é o único glicerídeo feito pela natureza, solúvel em álcool; trata-se, portanto, de um dos mais densos e mais viscosos de todos os óleos vegetais e

3 animais, tendo viscosidade dez vezes maior que o óleo de girassol e outros óleos vegetais (Costa, 2006). Figura 1: Estrutura do ácido ricinoléico. Segundo Lilian et al. (2011), a alta viscosidade e massa molecular dos óleos e gorduras geram problemas devido à baixa volatilidade e atomização do combustível, tornando a combustão incompleta e formando depósitos no motor. Uma alternativa à alta viscosidade destes óleos é a produção de ésteres metílicos de ácidos graxos, mistura conhecida como biodiesel. Dessa forma, o biodiesel pode contribuir para a redução da emissão de muitas espécies poluentes para a atmosfera. Em geral, o biodiesel é produzido através da reação de transesterificação, em que óleos vegetais e gorduras animais reagem com um álcool de cadeia curta (metanol ou etanol) na presença de um catalisador ácido ou básico, formando biodiesel e glicerina. A qualidade do óleo de mamona varia de acordo com o processo de extração, com a qualidade da matéria prima, com os cuidados e a eficiência durante o processamento da semente e ainda com o óleo após a extração. Este trabalho tem como objetivo, extrair o óleo da mamona por diferentes métodos e cultivadas em diferentes condições de plantio, e analisar e comparar suas propriedades físico-químicas, no intuito de averiguar se estes apresentam boas características para a produção de biodiesel e se o método de extração influência na qualidade do óleo de um modo geral. Metodologia As sementes de mamona analisadas neste trabalho foram cultivadas pela Embrapa na cidade de Campina Grande-PB, sendo posteriormente enviadas para a Universidade do Estado do Rio Grande do Norte UERN na cidade de Mossoró-RN, para ser feita a extração do óleo e em seguida sua caracterização físico-química, as mesmas foram cultivadas em condições salinas. As sementes da Referência 1 foram cultivadas na cidade de Mossoró, em condições normais. Antes da extração, as sementes foram lavadas e secas por 24 h em uma estufa a 70º C. Para extração a frio adaptou-se um filtro prensa usando uma prensa mecânica Ribeiro de 15 ton, no qual a pressão exercida para extrair o óleo é de aproximadamente 12 ton. No processo de extração a quente via solvente, prepararam-se os saches com as sementes trituradas, que foram colocados em extratores e submetidos à extração em refluxo, por 6h, utilizando hexano como solvente (sistema Soxhlet). As propriedades como o índice de acidez, densidade, tensão superficial, água e sedimentos, ponto de fulgor, ponto de combustão e teor de óleo foram feitas segundo normas padrões da ASTM (D 445 para água e sedimentos, D 664 para acidez e D 93 para ponto de fulgor) e segundo métodos desenvolvidos ou adaptados no laboratório de normas ou técnicas padrões (teor de óleo, viscosidade cinemática); (Souza et al, 2007). Todas as medidas foram realizadas em triplicata, usando a média aritmética como resultado.

4 Resultados e discussão A Tabela 1 mostra os resultados obtidos neste trabalho e da Referência 1 para todas as caracterizações feitas no óleo de mamona de ambas as extrações. Nela consta também os limites permitidos na legislação para o biodiesel, considerando-se que os óleos estão sendo analisados para a sua produção e que parte destas propriedades vão ser transferidas para o combustível em grandes proporções. Tabela 1: Propriedades físico-químicas do óleo extraído a frio e a quente dos dados obtidos neste trabalho e na Referência 1. Características Óleo a frio Óleo a quente Especificações da ANP Neste Ref.1 Neste Ref.1 trabalho trabalho Teor de Óleo (%) 23,90 37,00 45,47 33,50 - Água e sedimento (%) 0,10 0,74 0,00 0,00 0,05 Densidade (g/dm 3 ) Tensão Superficial 38,50 42,40 36,10 21,60 - (mn/m) Ponto de fulgor ( C) Ponto de Com. ( C) Índice de Acidez 0,25 0,31 0,22 0,16 0,8 (mg/naoh) Viscosidade (Cst) 400,13 380,40 158,39 353,40 - Ao comparar o teor de óleo neste trabalho, percebe-se que o valor obtido com o processo a quente foi maior que no processo a frio, isso significa que as sementes têm uma maior quantidade de compostos apolares, sabendo que na extração a quente o solvente utilizado é apolar. Já os dados obtidos na Ref. 1 o teor de óleo foi maior na extração a frio, indicando que as sementes possuem uma maior quantidade de compostos polares, sendo que este método de extração é menos seletivo extraindo tanto compostos apolares como polares. Comparando os resultados deste trabalho com os da Ref. 1 pode-se perceber que na extração a frio o valor obtido neste trabalho é menor que na Ref.1, e na extração a quente ocorre o oposto. É importante lembrar que na extração a frio a pressão usada provavelmente não extrai todo o óleo e o próprio método pode causar imprecisões, já que a prensa utilizada foi adaptada para este fim. Na medida de água e sedimento, na extração a frio tanto neste trabalho como na Ref. 1 os valores obtidos estão fora dos padrões exigidos, isso ocorre pelo fato do método utilizado não ser muito eficiente, e assim permitindo que uma quantidade significativa de resíduos seja extraído juntamente com o óleo. Isso demonstra que nesse método de extração o óleo extraído, precisa passar por um processo de purificação. Para a densidade, tanto por extração a quente como a frio, os valores obtidos neste trabalho estão acima das normas estabelecidas, isso indica que ambas as extrações estão extraindo moléculas de alto peso molecular, e que as condições de plantio dessas sementes favorecem para uma maior quantidade de compostos de alto peso molecular. Já na Ref. 1 apenas o óleo obtido na extração a quente está dentro do permitido para o biodiesel, isto ocorre porque na Ref. 1 o óleo possui uma menor quantidade de

5 compostos apolares, e assim extraindo uma menor quantidade do ácido ricinoléico. Lembrando que este ácido é apolar e rico em grupos OH que aumenta a densidade. A extração a frio é menos seletiva, e assim extraindo uma maior quantidade de composto de alta massa molecular. Para a tensão superficial, ao comparar os valores encontrados neste trabalho em ambas às extrações percebe-se, que o valor obtido na extração a frio é superior ao da extração a quente, isso se deve a presença de uma maior quantidade de compostos que apresentam uma maior capacidade de formar ligações secundárias. Na extração a quente, a tensão é menor pelo fato de ser extraída uma maior quantidade de ácido ricinoléico, lembrado que esse ácido possui uma estrutura longa, e assim ficando de uma forma menos empacotada deixando alguns espaços vazios, tendo uma maior facilidade de ocorrer a quebra da tensão superficial. Nos dados obtidos na Ref. 1 ocorre o mesmo comportamento. Na extração a frio os valores elevados, implicam que o biodiesel produzido a partir deste óleo pode apresentar maior dificuldade de queima nos motores, o que poderia refletir em maior desgastes das peças do motor, por isso, faz-se necessário a normatização desse parâmetro. Quanto ao ponto de fulgor, o do óleo obtido via extração a frio é maior que o extraído a quente, devido à possibilidade maior de formação de ligação secundaria neste, o que necessita de uma maior energia para que este se inflame. Para o ponto de combustão se observou o mesmo comportamento. No índice de acidez, o do óleo obtido por extração a frio tem seu valor maior do que na extração a quente, porque se tem maior quantidade de compostos com baixa massa molecular, que necessitam de maior quantidade de hidróxido para serem neutralizados. As únicas propriedades que apresentam todos os valores dentro dos padrões recomendados, tanto neste trabalho como na Ref. 1 em ambas as extrações, são: ponto de fulgor e índice de acidez. Para a viscosidade, o valor encontrado neste trabalho é maior na extração a frio, sendo que esta extração é menos seletiva e assim as moléculas ficam com um melhor empacotamento entre elas, o que aumenta a viscosidade. Na Ref. 1 ocorre o mesmo comportamento. Conclusões Os resultados obtidos no trabalho permitem concluir que: 1. O método de extração, e as condições de plantio influência nas propriedades do óleo; 2. Com exceção do teor de óleo, os valores das propriedades medidas para a extração a frio são maiores que os valores para a extração a quente neste trabalho, isso porque essa extração é menos seletiva, extraindo os compostos de maior e menor cadeia, assim formando um melhor empacotamento entre as moléculas; 3. Na Ref. 1 todos os valores obtidos na extração a frio são maiores que na extração a quente; 4. Os altos valores encontrados para tensão superficial, tanto neste trabalho como na Ref. 1 em ambas as extrações são prejudiciais ao motor, pois esta propriedade está ligada a volatilização do óleo, por tanto seria recomendável se estudar sua padronização; 5. Em geral conclui-se quem em ambas as extrações e condições de plantio o óleo de mamona não apresenta condições favoráveis para a produção de biodiesel, e assim produzirá um biodiesel fora dos padrões especificados pela ANP.

6 Agradecimentos Agradeço a Deus em primeiro lugar, agradeço a meus pais pela educação que me foi dada, aos meus orientadores, aos demais componentes deste grupo de pesquisa, a CNPq pelo apoio financeiro, ao departamento de química e aos meus colegas de curso. Referências 1-Manual de biodiesel/editores Gerhard Knothe, Jon Van Gerpen, Jürgel Krahl, Luiz Pereira Ramos; tradução Luiz Pereira Ramos. - - São Paulo: Edgard Blücher, p. 5-13, José Marcelo Cangemi, Antonia Marli dos Santos e Salvador Claro Neto. A revolução verde da mamona. Química e sociedade Publicado na revista Química Nova na Escola, 2010 Vol Guarieiro, L. L. N.; Vasconcellos, P. C.; Solci, M. C. Poluentes Atmosféricos Provenientes da Queima de Combustíveis Fósseis e Biocombustíveis: Uma Breve Revisão. Publicado na Revista Virtual de Química 4- Souza D. L a, Santos, A. G. D b,*, Valdir, F. V.J c, Araújo, A.S. Contribuições para definição de um zoneamento agrícola da mamona visando a produção de biodiesel Publicado na revista: Química no Brasil, 2007 Vol Costa, Ticiana Leite. Propriedades físicas e físico-químicas do óleo de duas cultivares de mamona/ Ticiana Leite Costa. Campina Grande, 2006.