Orientador: Jarbas José Rodrigues Rohwedder

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química

Resumo: No presente trabalho foram desenvolvidos novos métodos analíticos empregando espectroscopia NIR e de RMN H, visando o monitoramento on-line da reação de transesterificação de óleos vegetais para a produção de biodiesel e determinação de parâmetros de qualidade de diesel combustível através...

Resumo: No presente trabalho foram desenvolvidos novos métodos analíticos empregando espectroscopia NIR e de RMN H, visando o monitoramento on-line da reação de transesterificação de óleos vegetais para a produção de biodiesel e determinação de parâmetros de qualidade de diesel combustível através da espectroscopia de RMN H. Empregando a espectroscopia NIR foi utilizada pela primeira vez a região espectral compreendida entre 5928 e 5959 cm para a determinação on-line, por meio de um modelo de regressão multivariada, das taxas de conversão dos triglicerídeos provenientes de óleo de soja em ésteres de ácidos graxos (biodiesel). O modelo desenvolvido foi avaliado no monitoramento de duas reações de transesterificação conduzidas a 20 ± 0,2 °C e 55 ± 0,2 °C que apresentaram erros médios de previsão para um conjunto de validação de 0,6 e 1,0% de conversão, respectivamente. De maneira similar foram desenvolvidos outros 3 métodos analíticos empregando um espectrômetro de RMN H de bancada de baixo campo para a determinação das taxas de conversão dos triglicerídeos provenientes do óleo de semente colza em ésteres metílicos de ácidos graxos. O primeiro método utiliza as áreas dos picos dos prótons metoxílicos dos ésteres de ácidos graxos e dos prótons etilênicos da cadeia de ácidos graxos para a determinação direta das taxas de conversão dos triglicerídeos. Um segundo método utiliza um modelo de regressão PLS para a determinação das taxas de conversão. Finalmente, o terceiro método emprega os desvios químicos dos prótons hidroxílicos do metanol e glicerol presentes na fase oleica para determinar as taxas de conversão dos triglicerídeos em ésteres. Outro importante resultado alcançado durante o desenvolvimento do trabalho foi o entendimento da partição das moléculas dos alcoóis (metanol e glicerol) entre as duas fases que constituem o meio reacional durante o processo de transesterificação. Este fato é importante para compreender melhor o mecanismo de reação de produção de biodiesel, uma vez que a taxa de reação depende da quantidade de metanol e catalisador dissolvidos inicialmente na fase oleica. A possibilidade de identificar os valores da partição dos alcoóis ao final da reação possibilita também o desenvolvimento de técnicas de separação que permitam otimizar a recuperação de biodiesel e metanol em uma planta de produção de biodiesel, refletindo diretamente na redução dos custos. Modelos de calibração PLS empregando espectros de RNM H de baixo campo também foram desenvolvidos para a determinação de diversos parâmetros de qualidade de diesel combustível B5, como: Massa Específica, Curva de Destilação para 10%, 50%, 85% e 90% de recuperação, Número de Cetano e Ponto de Fulgor. Os espectros foram adquiridos sem qualquer tipo de preparo de amostra ou utilização de padrão interno. Todos os modelos desenvolvidos apresentaram valores de RMSEP inferiores às reprodutibilidades das técnicas analíticas empregadas atualmente como referência pelas normas ASTM e ABNT NBR. A técnica de RMN H de baixo campo foi empregada também para a determinação do Teor de Biodiesel nas amostras de diesel combustível, apresentando um erro relativo médio de 2,5% em relação a técnica analítica de referência

Abstract: The present work reports on the development of new analytical methods, based on NIR and H NMR spectroscopy, aiming at on-line monitoring of the transesterification reaction of vegetable oils to produce biodiesel, and the determination of quality parameters of diesel fuel applying H NMR...

Abstract: The present work reports on the development of new analytical methods, based on NIR and H NMR spectroscopy, aiming at on-line monitoring of the transesterification reaction of vegetable oils to produce biodiesel, and the determination of quality parameters of diesel fuel applying H NMR spectroscopy. The NIR spectral region between 5928 and 5959 cm-1 was used for the first time for on-line determination, employing a multivariate model, of the conversion ratio of triglycerides from the soybean oil into fatty acid methyl esters (biodiesel). The developed model was evaluated on the transesterification reaction monitoring of two new reactions carried out at 20 ± 0.2 °C and 55 ± 0.2 °C which showed RMSEP of 0.6 and 1.0 %, respectively. In a similar way 3 analytical methods were developed using a bench-size low-field NMR H spectrometer to determine the triglycerides (rapeseed oil) conversion ratios into fatty acid methyl esters. The first method applies the area of the methoxylic protons peak of fatty acid methyl esters and the ethylenic protons peak of fatty acid chain for direct determination of the triglycerides conversion ratios. A second method applies a PLS regression model to determine the conversion ratio. finally, a third method applies the hydroxylic protons chemical shift of methanol and glycerol present in the oleic phase to correlate the conversion ratio of triglycerides into esters. Another important result obtained during the development of this work was the comprehension of partitioning of alcohol molecules (methanol and glycerol) between the two phases that constitute the reactional medium during biodiesel production process. This fact is relevant to understand the reaction mechanism of the biodiesel production, because the reaction rate strongly depends on the methanol and catalyst amount initially dissolved in the oleic phase. Also, the possibility of identification of the alcohols partitioning values at the end of the reaction process helps in the development of new separation techniques to optimize the biodiesel and methanol recovering in a biodiesel producing plant, directly influencing the process costs. PLS regression models applying the low-field H NMR spectra were also developed for the determination of different quality parameters of diesel fuel (B5), such as: Specific Gravity, Distillation Curve (10%, 50%, 85% e 90% of recovering), Cetane Number and Flash Point. The spectra were acquired without adding any reference compound or sample pre-treatment. All regression models developed showed RMSEP values lower than the reproducibility of the analytical techniques used as reference by ASTM and ABNT NBR. The low-field H NMR technique were also used to determine the biodiesel content in diesel fuel samples, showing a mean relative error of 2.5% in comparison to the standard analytical technique