TRANSESTERIFICAÇÃO DE ÓLEO RESIDUAL DE FRITURA POR CATÁLISE BÁSICA PARA APRODUÇÃO DE BIODIESEL: INSERINDO TEMAS ATUAIS NO ENSINO DE QUÍMICA TRANSESTERIFICATION OF RESIDUAL OIL FOR FRYING BY BASIC CATALYSIS FOR BIODIESEL PRODUCTION: INSERTING CURRENT ISSUES IN TEACHING CHEMISTRY C. S. SANTOS * ; J. A. M. SANTOS; M. L. M. de ARAÚJO; M. H. de L. NETO; R. de O. SILVA; F. T. da S. ARAÚRO; F. K. D. PEREIRA; C. L. A. ALMEIDA * Aluno do curso de licenciatura em química da Universidade Federal de Campina Grande, CES campus Cuité-PB. E-mail: cosme.quimica_21@hotmail.com. RESUMO O desmedido crescimento populacional tem causado uma procura cada vez maior por recursos naturais que venham suprir várias das necessidades dos seres humanos, sendo assim, tem se estudado maneiras para que os impactos ambientais acarretados pela ação do homem diminuam. No entanto, é do saber de todos que a utilização de combustíveis fósseis é um dos maiores responsáveis pela poluição do nosso planeta, comprometendo nossas águas, terra e ar. Nesse sentido os biocombustíveis se apresentam como uma fonte promissora para o combustível do futuro, principalmente o biodiesel, que é biodegradável e obtido de fontes renováveis. A finalidade deste trabalho foi abordar a temática do biodiesel e sintetizar esse biocombustível em uma perspectiva qualitativa com alunos da terceira série do ensino médio da Escola Estadual de Ensino Médio e Inovador Orlando Venâncio dos Santos, sob orientações dos bolsistas do subprojeto de química do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência (PIBID) da UFCG.
Palavras-chave: Contextualização do ensino de química, Eixo temático, Biodiesel. ABSTRACT The excessive population growth has caused a growing demand for natural resources that will meet the various needs of human beings, therefore, has if studied ways to reduce the environmental impacts caused by human. However, it is the knowledge of all that the use of fossil fuels is one of the biggest polluters of our planet, affecting our water, land and air. Accordingly biofuels are presented as a promising source for the fuel of the future, especially biodiesel, which is biodegradable and obtained from renewable sources. The aim of this study was to approach the theme of biodiesel and synthesize this fuel in a qualitative perspective with students of third series of teaching medium the state school of teaching medium and innovator of Orlando Venâncio Santos, under the guidance of scholars of subproject of Chemistry of Scholarship Program from initiation to teaching (PIBID) UFCG. Keywords: Context of teaching chemistry, Main Topic, Biodiesel. 1. INTRODUÇÃO Atualmente várias pesquisas são desenvolvidas por pesquisadores em educação com o intuito de contextualizar o ensino de química, estas por sua vez, apresentam metodologias que possibilitam ao professor formas instigantes de ensinar, levando o aluno a sentir necessidade do conhecimento químico, perceber sua importância e gostar desse conhecimento. Nesse sentido, uma tendência que tem se destacado é o uso de temas, pois, de acordo com QUADROS (2004), muitas propostas sobre ensinar química através de eixos temáticos têm sido apresentadas nos vários encontros de ensino de química realizados pelo nosso país e publicadas em revistas especializadas. Desta maneira, ao analisar os objetivos dessaspesquisas, levando em consideração o ensino, em especial de química no Brasil, sente-se indiscutivelmente a necessidade de mudanças em nosso sistema de educacional. Tendo em vista ao exposto, levando em consideração o crescimento cada vez maior de pesquisas em áreas ambientais, econômicas e sociais, compete ao professor
essencialmente a abordagem de temas e a realização de experimentos que estejam em sintonia com as pesquisas recentes envolvendo novos desafios tecnológicos. Esta é uma maneira de proporcionar aos alunos, em especial do ensino médio, a aplicação de seus conhecimentos, despertando o interesse científico e tecnológico nos mesmos. Uma vez que os problemas ambientais estão em debate, a introdução em sala de aula de temas a partir de uma prática interdisciplinar, como energia renovável, biocombustível, principalmente biodiesel, tendo em vista que o Brasil se destaca na produção deste último, é fundamental para que os educandos compreendam as questões relacionadas com esta fonte de energia, além de fornecer aos alunos subsídios para que estes possam perceber a importância e a contribuição da química no desenvolvimento de novas tecnologias. 1.1.Busca por novas fontes de combustíveis Hoje, sabe-se que os combustíveis fósseis, não renováveis, irão se esgotar, pelo aumento do consumo de petróleo, entretanto as reservas petrolíferas, comercialmente exploráveis, crescem em taxas proporcionalmente menores que o consumo, indicando um esgotamento das reservas de petróleo estimadas para o ano de 2046 (PIRES, 2004). Nesse sentido, a busca por combustíveis alternativos vem ganhando destaque nas últimas décadas. A substituição dos combustíveis fósseis tem sido motivada por fatores ambientais, econômicos e sociais, uma vez que toda a sociedade depende de seu uso. Nesse contexto, uma alternativa que se tem destacado é o uso de biocombustíveis. É importante ressaltar que o uso de biocombustíveis (em especial o biodiesel) não é somente uma alternativa economicamente vantajosa, mas também envolve aspectos sociais e ambientais: o biodiesel é biodegradável; é produzido a partir de matérias-primas renováveis; não contém enxofre; diminui a emissão de particulados; as emissões de CO 2 são quase completamente absorvidas durante o cultivo das oleaginosas; o biodiesel não contém carcinogênicos existentes no diesel; não é considerado um material perigoso; aumenta a vida útil do motor graças à sua capacidade superior de lubrificação (VASCONCELOS e LIMA, 2010). Nesse sentido o biodiesel é uma alternativa com potencial, não apenas para substituir o diesel de origem fóssil, mas minimizar as emissões de gases poluentes, tendo em vista que estudos realizados pela Agência de Proteção Ambiental Americana comprovam que a substituição total do diesel de petróleo pelo biodiesel tem como
resultado a diminuição das emissões na ordem de 48% de monóxido de carbono, 67% de hidrocarbonetos não-queimados e 47% de material particulado. Apesar de suas propriedades possibilitarem a substituição do diesel, a composição química do biodiesel é bem diferente da do diesel. O óleo diesel é um combustível obtido a partir do refino do petróleo por destilação fracionada em temperaturas na faixa de 150 a 400 o C. É constituído basicamente por hidrocarbonetos, apresentando em baixas concentrações átomos de enxofre, oxigênio e nitrogênio. A cadeia de hidrocarbonetos que forma o óleo diesel varia, podendo chegar até vinte e oito átomos de carbono. (OLIVEIRA, et. al, 2008). Já o biodiesel, por sua vez, é definido como uma mistura de ésteres de ácidos graxos com mono-álcoois de cadeia curta, como o metanol ou o etanol (SUAREZ e COLS., 2007). Esse biocombustível pode ser obtido a partir da esterificação ou transesterificação de óleos vegetais e gorduras animais e ainda, segundosuarez e COLS., (2007); COSTA NETO e COLS. (2000), esse biocombustível pode ser produzido a partir de óleos residuais de frituras e de sebo bovino, reduzindo, assim, os riscos de poluição ambiental causados por esses materiais, além do baixo custo e por envolver reciclagem de resíduos. O esquema a seguir mostra a transformação de triglicerídeos em biodiesel a partir da transesterificação. Segundo OLIVEIRA et. al (2008), a estequiometria geral da equação requer três mols do mono-álcool para cada mol de triacilglicerídio e a reversibilidade da reação torna necessário um excesso de álcool no meio reacional para promover um aumento no rendimento em mono-álcoois. Figura 1: esquema da reação de transesterificação de triglicerídeos (SANTOS e PINTO, 2009)
Não se pode usar álcool comercial (mais de 2 ml/100 ml de álcool) porque a quantidade de água que está presente neste favorece a reação de hidrólise do triglicerídeo (reação de saponificação) em presença de base, formando-se sabão e glicerol. Diminuindo de maneira drástica o rendimento do biodiesel (SANTOS e PINTO, 2009). No Brasil, o Congresso Nacional aprovou a lei n 11.097, em 13/01/2005, que tornou obrigatória a adição de 2% de biodiesel ao diesel (B2) até 2008 e a adição de 5% (B5) até 2013 (GERIS e COLS., 2007). De acordo com a Agência Nacional do Petróleo Gás Natural e Bicombustíveis (ANP), o Brasil está entre os maiores produtores e consumidores de biodiesel do mundo, com uma produção anual, em 2010, de 2,4 bilhões de litros e uma capacidade instalada, no mesmo ano, para cerca de 5,8 bilhões de litros (ANP, 2009). 1.2.Biodiesel: possibilidades de discussões no ambiente escolar No momento em que são discutidos problemas ambientais, como o aquecimento global; econômicos, fazendo referência a o preço dos combustíveis e sociais, a exemplo da dependência da sociedade com relação aos combustíveis, a introdução em sala de aula de eixos temáticos como biocombustíveis, é de fundamental importância para que o educando compreenda as questões tecnológicas relacionadas com essa promissora fonte de energia. Essa temática poderá ser trabalhada associada a diversos conteúdos de química. De acordo com PRADO et al. (2006), nas primeiras aproximações do tema biodiesel, nas aulas de química, podem ser abordados os seguintes tópicos: A necessidade de fontes alternativas de energia; Definição, forma de obtenção e aplicações do biodiesel; Questões ambientais pertinentes ao tema combustíveis; Comparações entre o impacto ambiental gerado entre o diesel convencional e o biodiesel; Outros combustíveis alternativos; Produção do biodiesel a partir de óleos vegetais, gorduras animais e óleos residuais de fritura; Diferenças entre reações: esterificação, transesterificação e saponificação.
Alem dessas abordagens, o uso dessa temática permite um nexo entre vários conceitos de química entre eles podemos citar: funções orgânicas, principalmente álcool e éster; ácidos e bases, uma vez que o biodiesel é catalisado por base ou por ácido; separação de misturas, pois na síntese deste biocombustível há a formação do glicerol que precisa ser separado; estequiometria, já que a obtenção do mesmo depende da estequiometria de reação. Além disso, pode-se discutir a diferença entre óleos e gorduras que são as matérias primas para obtenção do biodiesel. Aproveitando a transversalidade do tema biodiesel e seu potencial de unificarvários conceitos, sedo uma forma de motivar boas discussões pertinentes ao tema no ambiente escolar, foi realizado um experimento de síntese deste biocombustível. A obtenção do biodiesel foi feita por alunos do terceiro ano do ensino médio da Escola Estadual de Ensino Médio e Inovador Orlando Venâncio dos Santos situada na cidade de Cuité-PB, sob orientações dos bolsistas do subprojeto de química do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação à Docência (PIBID) da UFCG. Uma vez quese busca contextualizar o ensino de química, esse estudo teve o objetivo de obter o biodiesel a partir de óleo residual de friturascomo uma proposta de experimentação no ensino de química orgânica para a terceira série do ensino médio, como uma maneira de abordar temáticas atuais na disciplina de química. 2. METODOLOGIA Inicialmente realizaram-se aulas expositivas, que foi a maneira inicial de se abordar a temática do biodiesel e os conceitos pertinentes à mesma. Em um segundo momento, os alunos foram para o laboratório da escola, onde fizeram uma caracterização dos materiais e reagentes que seriam utilizados na síntese do biodiesel. Na oportunidade, foram abordadas normas de segurança e de conduta em laboratório, posteriormente o procedimento experimental foi mostrado e discutido com os alunos. Uma vez que os alunos já estavam familiarizados com o tema e também com os materiais que iriam utilizar, reservou-se um tarde no laboratório da escola para a obtenção do biocombustível. Como o procedimento é demorado e para economizar os reagentes foi feita uma única síntese, onde todos os alunos da turma participaram das várias etapas envolvidas na obtenção do biodiesel. Na realização da atividade experimental foi utilizado óleo residual de fritura, álcool etílico anidro, hidróxido de sódio, glicerina, cloreto de sódio (NaCl), sulfato de
sódio (NaSO 4 ) e água destilada. Além de termômetro, funil, argola, erlenmeyer, funil de separação, cadinhos, bastão de vidro, béqueres, papel filtro, filtro de café, chapa aquecedora e balança semi-quantitativa. Alguns destes materiais não eram disponíveis no laboratório da escola, no entanto, os bolsistas do PIBID conseguiam através de uma parceria com a UFCG no campus de Cuité. Primeiramente foi feito, um pré-tratamento do óleo, onde as várias amostras de óleo adquiridas pelos próprios alunos em suas residências foram misturadas formando uma única amostra. Essa amostra foi transferida para béqueres e aquecida em uma chapa aquecedora na faixa de 50ºC. Isso foi necessário para que amostra, inicialmente com uma característica pastosa, fique totalmente líquida, facilitando a etapa posterior que é uma filtração simples, feita com o óleo ainda quente, utilizando um funil simples e um papel filtro de café, por ser mais acessível. Depois do pré-tratamento do óleo, foram utilizados 100 ml deste para a produção do biodiesel. Essa quantidade de óleo foi aquecida, utilizando a chapa e um béquer, até a temperatura de 100 C para eliminação da umidade presente. Para ganhar tempo, enquanto o óleo era aquecido, preparou-se uma solução dissolvendo em um béquer 1g de hidróxido de sódio (NaOH) em 50ml de etanol (CH 3 CH 2 OH), com o objetivo de formar o catalisador (etóxido de sódio) que acelera a reação de transesterificação. Quando o óleo atingiu a temperatura de 100ºC, esta foi diminuída para 60º C, em seguida se adicionou a solução preparada ao óleo, onde o sistema permaneceu por uma hora à mesma temperatura e sob agitação manual, com um bastão de vidro. Posteriormente, toda a mistura reacional resultante desse processo foi deixada resfriar até a temperatura ambiente, sendo em seguida transferida para o funil de separação, onde é adicionado 10ml de glicerina para facilitar a separação do biodiesel do glicerol formado durante a reação. Como o glicerol formado é mais denso que o biodiesel, estese decanta e quando uma linha nítida divide o biodiesel do glicerol, o mesmo é retirado do funil, restando apenas o biodiesel. Feito todo esse processo, se iniciou a purificação do biodiesel, sendo este lavado com 100ml de água destilada a 80º C, onde a água foi despejada levemente sob as paredes do funil, homogeneizando o sistema. Esse processo foi repetido por mais duas vezes e fez-se o mesmo procedimento utilizando uma solução saturada de cloreto de sódio (NaCl), sem aquecimento, para remover o excesso de etanol, catalisador e glicerol.
Depois do referido procedimento de lavagem do biodiesel, o colocamos em um frasco de erlenmeyer e adicionamos, com auxilio de uma espátula, pequenas quantidades desulfato de sódio (NaSO 4 ), uma sal que serve para remover a umidade ainda presente no biodiesel. Em seguida, agitamos e esperamos cerca de uma hora. Após esse tempo, separou-se o biodiesel do NaSO 4 realizando uma filtração simples obtendo finalmente o biodiesel, onde verificou-se o volume obtido. Após a obtenção do biocombustível, foi realizado um teste de combustão, utilizando cadinhos de porcelana contendo pedaços de algodão umedecidos com óleo de soja, biodiesel, etanol. Para que outras pessoas tivessem acesso as discussões referentes à temática do biodiesel, este foiexposto na feira de ciências da escola, onde o acesso é abertotanto para a comunidade escolar, assim como o público em geral. Esse experimento foi apresentado por um grupo de alunos da turma (figura 1), onde os mesmos receberam orientações dos bolsistas do PIBID sobre o que abordar para o público presente. Figura 1: Exposição do experimento do biodiesel na feira de ciências da escola. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A introdução em sala de aula de metodologias que buscam alternativas para contextualização dos conteúdos estudados é muito significativo, tanto para o professor, que passa a dispor de meios de tornar suas aulas mais interessantes, quanto para os alunos, que saem da monotonia de uma aula tradicional, passando a vivenciar aulas diferentes. Nessa visão, a afinidade de estudantes do ensino médio com estudo de pesquisas atuais como os biocombustíveis, principalmente o biodiesel por ter a
possibilidade de ser obtido na escola, para aplicação em um problema real, como minimizar os impactos ambientais, é muito importante. Dessa maneira os alunos passam a apresentar uma visão diferente a respeito dos conteúdos estudados, uma vez que os educandos percebem suas aplicações, onde o que é estudado ganha significado. No presente trabalho, a forma inicial de se abordar a temática do biodiesel foi através de aulas expositivas (figura 2), onde foram discutidos tópicos importantes como: problemas ambientais (aquecimento global e efeito estufa); necessidade de energia renovável para o nosso planeta; biocombustíveis; conceito de biodiesel, seus benefícios para o meio ambiente e formas de obtenção, além dos benefícios econômicos; comparação dos impactos ambientais causados pelo diesel de petróleo e o biodiesel; diferenciar as reações de esterificação, transesterificação e saponificação. Além disso, foram discutidos vários conceitos de química relacionados à obtenção do biodiesel, por exemplo: funções orgânicas; ácidos e bases; separação de misturas e estequiometria de reação. Figura 2: Realização das aulas expositivas. As discussões de cunho ambiental foram importantes para que os alunos compreendessem a problemática existente e suas possíveis causas. Já os conceitos químicos, que foram discutidos antes e durante a obtenção do biodiesel, foram fundamentais, pois permitiram que os estudantes compreendessem os fenômenos que ocorreram na síntese deste biocombustível. Os alunos tinham a noção que o óleo residual poderia ser utilizado para a produção de sabão, mas não para a produção de um biocombustível e durante sua síntese algumas questões surgiram. Os alunos perguntavam o intuito da agitação e do
aquecimento durante a reação de transesterificação. Isso é necessário, pois de acordo com (SANTOS e PINTO, 2009), a taxa de conversão da reação de transesterificação é influenciada pelo tempo de reação e pela temperatura, assim como o uso de alcoóis diferentes. Quando se utiliza metanol, após 1 hora de reação, sob temperatura de 45-60 C, consegue-se 93-98% de conversão. Já o etanol anidro, no entanto, proporciona uma velocidade reacional menor em relação ao metanol, atingindo-se 80% de conversão. Dessa maneira, partindo apenas da quantidade de óleo utilizado(100ml) na reação para a obtenção do biodiesel, o rendimento obtido a partir do óleo residual de fritura com etanol anidro foi de 70 ml de biodiesel. Durante o procedimento para obtenção do biodiesel, quando a mistura reacional foi transferida para o funil de separação e iniciou-se o procedimento de lavagem do biodiesel, os alunos indagaram o motivo da formação das fases (figura 3). Nesse momento sentiu-se a necessidade de discutir conceitos de polaridade com os alunos, sendo mostrado que as fases são visualizadas devido à polaridade e densidade dos componentes da mistura, onde o biodiesel é um composto apolar e a água utilizada para lavagem é polar e para remoção de constituintes polares utiliza-se a água em sua lavagem. Figura 3: Procedimento de lavagem do biodiesel, sendo observada a formação das fases
Com relação ao teste de combustão, os alunosobservaram que o biodiesel recémpreparado apresentou reação de combustão rápida, cuja chama rica em fuligem negra apresentou uma chama totalmente amarelada, diferentemente do observado para o metanol, cuja chama apresentou uma tonalidade azul. O óleo de soja, por sua vez, resistiu ao máximo à reação de combustão sendo, praticamente, um líquido não inflamável. 4. CONCLUSÃO Tendo em vista que busca-se contextualizar a forma de estudar conteúdos de química, a presente proposta mostrou-se significativa, pois através desse estudo, podemse abordar questões ambientais, assim como contextualizar vários conteúdos de química pertinentes ao tema biodiesel. Um dos aspectos positivos notados foi o interesse dos alunos ao realizar o experimento de obtenção do biodiesel. Outro benefício foi mostrar aos educandos a contribuição da química para o desenvolvimento de novas tecnologias. Dessa forma a produção de biodiesel a partir do óleo residual de fritura apresentou-se como uma proposta viável para professores do ensino médio inserir temas atuais no ensino de química, e transformar as aulas de química orgânica mais atraentes, através da contextualização dos conteúdos e incentivar os alunos à pesquisa. 5. AGRADECIMENTOS A CAPES pela bolsa de Iniciação a docência, no âmbito PIBID/UFCG/CES, vigência 2011-2013. A Escola E.E.F.M. Orlando Venâncio dos Santos pelo espaço e o fornecimento de alguns materiais para a realização do experimento.
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