Producción de biodiésel utilizando catalizadores híbridos orgánicos/inorgánicos funcionarizados con grupos sulfónicos

Abstract

El biodiésel se perfila como el sustituto a corto plazo de los actuales combustibles para automoción. Está compuesto por ésteres monoalquílicos de cadena larga y se obtiene a partir de la transesterificación de ácidos grasos, principalmente de origen vegetal. Es biodegradable por el medio ambiente y el CO2 derivado de su combustión es procesable, al menos parcialmente, por las plantas en su ciclo de vida. Su manipulación es más sencilla que la del diésel de automoción debido a su menor punto de ebullición, y además posee mayor lubricidad. Como contrapunto está la competición con las materias primas del mercado alimentario de elevado coste y que encarecen el precio final del biocarburante. Actualmente existen numerosas tecnologías para la producción de biodiésel, pero la más empleada a nivel industrial consiste en la transesterificación de triglicéridos procedentes de aceite vegetal empleando metanol y catalizadores básicos homogéneos, tales como NaOH o metilato sódico. Sin embargo, existen una serie de inconvenientes que limitan este proceso, como son la generación de glicerinas de baja calidad como subproducto, la necesidad de etapas de separación posteriores a la síntesis, la no reutilización del catalizador y la imposibilidad de emplear materias primas con elevado contenido en ácidos grasos libres, pues son susceptibles de sufrir saponificación en catálisis básica y su uso requeriría etapas de pretratamiento. Para paliar esta serie de problemas se está estudiando el empleo de catalizadores ácidos heterogéneos, que pueden ser reutilizados y que no requieren etapas de separación posteriores al proceso de síntesis, reduciendo de manera significativa los costes de producción. El objetivo de este proyecto es la síntesis de catalizadores híbridos orgánicosinorgánicos funcionalizados con grupos sulfónicos que combinen las características estructurales de la sílice mesoporosa ordenada modificando su carácter hidrófobo para favorecer la transferencia de las moléculas de triglicérido. Por tanto, para lograr este objetivo, se han sintetizado mediante diferentes estrategias de síntesis varios catalizadores híbridos orgánicosinorgánicos funcionalizados con grupos sulfónicos, que se emplearán en la reacción de transesterificación de aceite de palma crudo con metanol. Estos materiales incluyen: Materiales mesoestructurados con paredes híbridas de poliestireno-sílice y funcionalizados con grupos sulfónicos (ST). El método de síntesis directa empleado consiste en la formación de la estructura silícea mesoporosa tipo SBA-15 de forma simultánea a la incorporación del organosilano de estireno. En una etapa posterior se produce la sulfonación de los anillos aromáticos del precursor orgánico con el fin de obtener los centros ácidos activos. Esta síntesis se hace para tres contenidos diferentes de precursor orgánico y con dos condiciones distintas de sulfonación. Materiales tipo SBA-15 funcionalizados con grupos aril sulfónicos (SBA-15- SO3H). Esta síntesis directa consiste en la formación de la estructura silícea tipo SBA-15 y la incorporación de los anillos arílicos sulfonados como fuente orgánica. Materiales mesoestructurados con paredes híbridas orgánicas-inorgánicas y funcionalizados con grupos sulfónicos (PMO-SO3H): El método de síntesis directa empleado consiste en la formación de la estructura silícea con un bisilano como fuente de silicio y un anillo arílico sulfonado como fuente del centro ácido. Los materiales preparados presentan porosidad dentro del rango de los mesoporos, con elevadas propiedades texturales y número de centros ácidos, pero diferente ordenamiento mesoscópico. Todos ellos se han evaluado en la reacción de transesterificación de aceite de palma crudo con metanol para la obtención de biodiesel en unas condiciones de reacción optimizadas en estudios previos. Los resultados catalíticos obtenidos para los materiales tipo SBA-15 y tipo PMO funcionalizados con grupos arilsulfónico han mostrado que estos catalizadores son catalíticamente activos llegando a rendimientos a éster metílico del 80% en su primer uso y 70% en la reutilización. Al silanizarlos, tanto la estabilidad como la actividad catalítica aumentan debido al carácter hidrófobo que les proporciona la eliminación de los grupos silanoles superficiales. Los materiales poliestirensulfónicos (ST), por el contrario, no son reutilizables en esta reacción, ya que pierden su actividad en el segundo uso, debido al entramado polimérico que favorece que las moléculas de producto y reactivo se queden embebidas sobre la superficie del mismo, y por tanto, no permitan el acceso a los centros activos en las siguientes reacciones. Sin embargo, sus resultados catalíticos son mejores por centro ácido que el resto de catalizadores ensayados en el primer ciclo de reacción.