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etanol para biodiesel

Usar etanol para fabricar biodiesel

Afrontémoslo, conseguir metanol no siempre es tan fácil e imaginamos que si utilizamos etanol (alcohol etílico) tendremos acceso a el de forma más rápida y fácil a costa de pagar un poco más.

Afrontemos también que eso no es así.

Como sabe todo aquel que lea este blog y haya comprado Fabrica biodiesel en el jardín de tu casa, el agua es enemiga del biodiesel y el etanol trae bastante consigo. Debido que etanol y agua forman una mezcla azeotrópica, no es fácil obtener etanol puro. Se comercializa y se puede encontrar pero a un precio desorbitado para nuestros intereses.

Dicho esto, que el etanol viene mezclado con agua, también tenemos que tener en cuenta que la del etanol (2 átomos de carbono) es una molécula más grande que la de metanol (1 átomo de carbono) y en nuestro caso, cuando aumenta el tamaño de una molécula disminuyen sus posibilidades para reaccionar.

Representación de una molécula de etanol
Molécula de etanol

Caben menos moléculas alrededor del punto de reacción del aceite y hay menos posibilidad de que una molécula de etanol reaccione allí. Porque hay menos moléculas para reaccionar.

La cinética de las reacciones químicas es muy compleja, esto que estoy contando aquí es una simplificación muy burda para conseguir que todos los que leen este blog (que no son químicos) puedan hacerse a la idea de lo que estamos hablando. Digo esto porque también hay muchos otros detalles a tener en cuenta.

A estas dos contras debemos sumar no una que nos impone la naturaleza si no una que han hecho los hombres. La legalidad del etanol es complicada, ya que forma parte de las bebidas alcohólicas y por eso está sujeta a impuestos y restricciones. Su posesión y comercio requieren permisos y auditorías que el fabricante de biodiesel casero no está en condiciones de cumplir.

Como podemos ver, fabricar biodiesel en casa a partir de etanol no es tan ventajoso como uno podría creeer, ya que deberíamos tener en cuenta que:

  1. Aumentamos la cantidad de agua en la mezcla, y el riesgo de formar emulsiones
  2. Aumentamos el tiempo de reacción, las reacciones serán más lentas
  3. Son necesarios permisos y licencias específicos para el manejo de etanol

En todo caso, es posible fabricar biodiesel con etanol, recalculando la cantidad de reactivo ya que serán necesarios más litros que los que se usan de metanol.

Veamos cuantos litros de etanol tendríamos que usar por cada litro de metanol que reemplacemos:

Las densidades son prácticamente iguales,  791 kg/m3 para el metanol y 789 kg/m3 para el etanol por lo que, para simplificar, consideraremos que sus densidades son iguales.

En 1 litro de metanol hay 791 g de metanol, que son 24,6 mol de metanol

Para reemplazar la misma cantidad de moléculas de metanol por etanol, deberíamos agregar 24,6 mol de etanol, por tanto:

24,6 mol de etanol representan 1,1373 kg de etanol y 1,441 litros.

Por tanto, como podemos ver, a la hora de reemplazar metanol por etanol en nuestra “receta” deberemos multiplicar por 1,441 la cantidad de litros de metanol. Así conseguiremos el mismo resultado.

Estos cálculos tienen en cuenta que el etanol utilizado es anhidro. En caso de usar etanol de 96º, el volumen debería ser un poco mayor, pero ya que es el reactivo que se agrega en exceso el error es mínimo. Pueden usarse estos valores sin ningún problema.

fabricar biodiesel usando potasa

Usar potasa como catalizador

El catalizador más usado por quienes fabrican biodiesel en su casa es el hidróxido de sodio, también llamado sosa, de nomenclatura química NaOH. El hidróxido de sodio es barato, fácil de conseguir y, teniendo en cuenta algunos consejos, relativamente seguro.

Pero este compuesto presenta algunos problemas que han hecho que los productores se planteen cambiarlo: es higroscópico, es decir absorbe la humedad (dando como resultado un bloque compacto de sosa) y para eliminar las aguas de lavado que son alcalinas y ricas en sodio es necesario neutralizarlas, habitualmente con ácido sulfúrico.

Como resultado de esa neutralización se obtiene sulfato de sodio, un producto que tiene utilidad en la industria pero que de cara al productor casero representa un inconveniente. Para evitar esa “inutilidad” del sulfato, el NaOH puede reemplazarse con KOH (hidróxido de potasio, o potasa) ya que también es soluble en metanol y a la hora de neutralizar las aguas residuales del proceso se fomaría sulfato de potasio, que si tiene utilidad para el productor casero ya que se trata de un fertilizante inorgánico.

Pero para utilizar KOH en la reacción deben reformularse las cantidades necesarias:

1 mol NaOH = 40 g

1 mol de KOH = 56 g

Por tanto, por cada gramo de NaOH que se reemplace deben agregarse 1,4 g de KOH. Es decir, si el proceso habla de 5 g de NaOH, éstos deberían ser reemplazados por 7 g de KOH.

Es posible que la reacción sea un poco más lenta debido al mayor tamaño del ión potasio pero debería llevarse a cabo sin mayores diferencias respecto al NaOH ya que en realidad el ión que actúa como catalizador es el metóxido en los dos casos: CH3O-

En el caso del NaOH:

CH3OH + NaOH –> CH3O- Na+ + H2O

Y para el KOH:

CH3OH + KOH –> CH3O- K+ + H2O

Unido a este cambio de NaOH a KOH suele darse también el cambio de metanol por etanol, donde sí veremos algunas diferencias más sustanciales:

  • La reacción será más lenta
  • El combustible obtenido será más caro
  • Si se no utiliza etanol absoluto, se aumenta la cantidad de agua en el reactor
  • El reactivo es de manipulación más segura

Sobre el cambio de metanol por etanol me gustaría escribir un artículo algo más extenso en las próximas semanas, intentando comparar estos cuatro aspectos. Pero por ahora dejaré éste de catalizadores esperando que sea de interés y que te apuntes al boletín para recibir un correo cuando se publiquen nuevos post.

Barril

Usar metóxido como catalizador

La fórmula más conocida, y usada, para preparar biodiesel incluye: aceite de cocina, metanol e hidróxido de sodio (NaOH).

El uso del NaOH como catalizador es, digamos, indirecto ya que lo que ocurre en realidad es que se crea un ión metóxido y una molécula de agua.

NaOH + CH3OH –> CH3O-NA+ + H2O

Y es el ión metóxido (CH3O-) que se genera al disolver el hidróxido de sodio en metanol el que cataliza la reacción.

Como puede verse en la reacción de más arriba, en el proceso de disolución de la sosa (NaOH o hidróxido de sodio) se forma una molécula de agua. Esta molécula de agua generada representa humedad no deseada en los reactivos. Recordemos que el agua dificulta el proceso de fabricación de biodiesel.

Si tenemos en cuenta que para 100 litros de aceite usado se utilizan aproximadamente 20 litros de metanol y 500 gramos de NaOH, en la reacción de disolución se generan:

500 g NaOH = 12,5 mol NaOH

que generan:

12,5 mol H2O = 225 g de agua que es aproximadamente el 0,2% del volumen total.

Puede parecer una cantidad pequeña, que lo es, pero si trabajamos con aceite muy dañado y húmedo será suficiente para darnos algún quebradero de cabeza. Hay que recordar que el aceite de cocina que se ha usado mucho posee altas concentraciones de ácidos grasos libres que se unirán al sodio (Na+) y al agua para formar una emulsión muy difícil de romper.

Si nuestro interés es mantener las materias primas lo más secas posible, deberíamos evitar también esta generación de agua propia de la disolución del catalizador.

Teniendo en mente esto, la solución que pude probar hace algún tiempo y con mucho éxito pasa por reemplazar el hidróxido de sodio (NaOH, o sosa) por metóxido de sodio. El metóxido de sodio se vende deshidratado, en solución de metanol al 30%, de esta manera usaríamos el mismo catalizador pero sin el agua asociada.
La ventaja es evidente, podremos utilizar aceites más dañados con menor riesgo de emulsiones.

Para llevar a cabo la reacción hay que cambiar las proporciones de la siguiente manera: reemplazaremos el NaOH por su equivalente de CH3ONa.

500 g de NaOH = 12,5 mol NaOH

12,5 mol CH3ONa = 675 g CH3ONa

El metóxido de sodio es sólido, pero muy inestable y por eso se distribuye disuelto en metanol al 30% por tanto:

675 g CH3ONa = 2,25 litros de solución de CH3ONa/CH3OH

En resumen, tendremos que cambiar los 500 g de NaOH por 2,25 litros de metóxido diluido al 30% en metanol.

También me gustaría indicar que el volúmen total de metanol agregado aumentaría (20 litros de metanol + 2,25 litros del catalizador), pero sobre este punto no es necesario actuar ya que el metanol se agrega en exceso para aumentar el rendimiento del proceso.

Debo hacer notar también, que el metóxido de sodio es bastante inestable y, para complicar más su almacenamiento, su punto de inflamabilidad se sitúa en los 33 ºC.

Un vistazo a las hojas de seguridad del producto permite hacerse a la idea de que éste es un catalizador que sólo debería utilizarse en casos estrictamente necesarios ya que su manipulación requiere que el operario tenga más protecciones que las usadas para trabajar con NaOH.

Como conclusión podríamos decir que reemplazando el NaOH conseguimos un producto mejor, al no haber posibilidad de formación de emulsiones, pero aumentamos los riesgos de accidente en la manipulación de los reactivos.