Aspetti Sintetici nella Preparazione di un Biodiesel

Transcript

1 Aspetti Sintetici nella Preparazione di un Biodiesel

2 Outline Introduzione alle fonti energetiche rinnovabili I biocarburanti e biocombustibili Il biodiesel: proprietà e sintesi Preparazione all esperienza in laboratorio Docenti: Dario Formenti (lezione teorica + laboratorio) Alessandro Caselli (laboratorio) Dipartimento di Chimica (Sezione chimica inorganica)

3 Energie rinnovabili RINNOVABILI = CHE SI RINNOVANO IN TEMPI BREVI Che si rigenerano ad una velocità paragonabil al loro utilizzo Esempi: energia idroelettrica, geotermica, solare, eolica, marina, biomasse

4 Biomasse, biocombustibili e biocarburanti Biomassa: la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani

5 Biomasse, biocombustibili e biocarburanti Biomassa: la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani Biocarburante: combustibile derivante da una biomassa mediante vari tipi di trasformazione (chimica o fisica) LA BIOMASSA (E QUINDI I BIOCARBURANTI) SONO DI ORIGINE VEGETALE (FOTOSINTESI) E QUINDI è UNA FORMA NOBILE DI ENERGIA SOLARE

6 Biomasse: come valorizzarle?

7 Biomasse e biocarburanti: quali vantaggi Carbonio-neutrale (carbon neutral) CO 2 + H 2 O Glucosio + O 2 FONTI RINNOVABILI E modo di convertire uno scarto (la biomassa già c è, utilizziamola in modo efficiente!) Fonte democratica Contiene solo C, H, O e nessun altro atomo potenzialmente in grado di produrre inquinanti (N, S;...)

8 Biomasse e biocarburanti: quali svantaggi Competizione con l uso del suolo per fini alimentari Sfruttamento intensivo e monocoltura del suolo, deforestazione Aspetti ambientali ed energetici Sebbene le biomasse siano per definizione carbon neutral, la loro estrazione, lavorazione ed il loro trasporto consuma energia producendo inquinamento: Golfo del Messico, Brasile, USA, Malesia

9 Biomasse e biocarburanti: il futuro Biocarburanti di seconda (o terza) generazione Utilizzo di fonti biomassiche che non siano in competizione con quelle destinate all uso alimentare (lignocellulosa, rifiuti, microalghe, oli vegetali non per uso alimentare, grassi animali di scarto) Coltivazione di colture atte a biomasse in luoghi non adatti alla crescita di colture alimentari (tropici, regioni aridi o dal clima rigido)

10 Il biodiesel, cos è? É un biocombustibile ottenuto trasformando fonti rinnovabili quali oli vegetali e grassi animali che può (da solo o in miscela) sostituire il Diesel derivante da petrolio. Si presenta come un liquido relativamente viscoso trasparente di colore ambrato. Dal punto di vista chimico, è una miscela di esteri metilici o etilici di acidi grassi saturi a catena lunga. FAME Fatty Acid Methyl Ester

11 Il biodiesel, una storia antica 1893 R. Diesel fa funzionare per la prima volta un motore a ciclo Diesel 1898 Tale motore viene presentato all Esposizione Mondiale di Parigi QUESTO MOTORE ERA ALIMENTATO DA OLIO DI ARACHIDI l'uso di oli vegetali per il combustibile dei motori può sembrare insignificante oggi, ma tali oli possono diventare, nel corso del tempo, importanti quanto i derivati del petrolio e del carbone dei nostri giorni Rudolf Diesel, 1912

12 Il biodiesel, tossicità e biodegradabilità DL 50 è 10 volte minore di NaCl Alto punto di infiammabilità Non contiene S ed altre molecole cancerogene (aromatici e poliaromatici) Riduce fino al 50 % le emissioni di particolato sottile Altamente biodegradabile Degradabilità a 28 giorni: 95 % per il biodiesel 40 % per il Diesel da petrolio

13

14 La filiera del biodiesel lavorazione estrazione raffinazione trasformazione chimica distribuzione

15 La filiera del biodiesel Molto viscosi (70-80 cst vs 4-6 cst) PERCHÉ NON UTILIZZARE DIRETTAMENTE OLI GREZZI? (più economici) Presenza di impurezze (basso numero di cetano) Tendenza alla degradazione (vedere in seguito...) NECESSITANO DI UNA TRASFORMAZIONE

16 Il punto di partenza: le biomasse, quali e perché? OLI VEGETALI VERGINI (olio di colza, mais, palma, alghe) OLI VEGETALI DI SCARTO (ESAUSTO) GRASSI ANIMALI ALTRE RISORSE (alghe, lattici, )

17 Come vengono lavorate le biomasse grezze? ESTRAZIONE Meccanica (spremitura) Chimica (solventi) DEPURAZIONE Rimozione di sostante estranee (filtrazione e /o sedimentazione) RAFFINAZIONE Neutralizzazione o deacidificazione Decolorazione, deodorazione

18 La reazione di transesterificazione

19 La reazione di transesterificazione È UNA REAZIONE DI EQUILIBRIO Come spostare l equilibrio? Alcol in eccesso Separazione del biodiesel dal glicerolo L AGGIUNTA DI CATALIZZATORE NON MODIFICA LO SPOSTAMENTO DELL EQUILIBRIO (termodinamica) MA SOLAMENTE UN AUMENTO DELLA VELOCITÁ DELLA REAZIONE (cinetica)

20 La reazione di transesterificazione R'OH = CH 3 OH, CH 3 CH 2 OH Perché questi due alcoli? Viscosità e densità del biodiesel ottenuto Costi e disponibilità Biometanolo, bioetanolo FAME Fatty Acid Methyl Ester Per piccole produzioni (domestiche): Sebbene la reazione con etanolo richieda condizioni più drastiche, esso è meno tossico del metanolo e viene di conseguenza raccomandato.

21 Ciclo integrato biomassa-biometanolobiodiesel Produzione industriale metanolo Produzione metanolo da biomasse: il biometanolo

22 Ciclo integrato biomassa-biometanolobiodiesel CO 2 + H 2 O fotosintesi Trigliceridi grezzi bio-ch 3 OH Biodiesel combustione CO 2 + H 2 O CO + H 2

23 La reazione di transesterificazione: il catalizzatore Acidi METODI CATALITICI OMOGENEI ETEROGENEI HCl, H 2 SO 4 Basici KOH, NaOH Solidi basici: TiO 2, MgO, ZrO 2

24 La reazione di transesterificazione La presenza di esteri insaturi porterebbe alla formazione di un biodiesel più soggetto a deteriorazione (sia termica che fotochimica) data dalla peculiare reattività dei doppi legami C=C. Biomasse contenenti trigliceridi insaturi possono essere idrogenate catalticamente.

25 Il rovescio della medaglia: il glicerolo Circa il 10 % della massa di prodotto ottenuto non è biodiesel! 700 Mton di biodiesel 70 Mton di glicerolo COSA CE NE FACCIAMO? NON POSSIAMO FARCI SOLO SUPPOSTE...

26 Il rovescio della medaglia: il glicerolo

27 Aspetti tecnologici nella produzione del biodiesel Dove viene/può essere prodotto il biodiesel? In impianti chimici "convertiti" (BIORAFFINERIE). In tal modo non viene spesa energia per costruirne di nuovi.

28 Aspetti tecnologici nell utilizzo del biodiesel Il biodiesel è utilizzabile direttamente in un normale motore a ciclo Diesel? No, ma è possibile miscelarlo al Diesel "normale" fino ad un certo quantitativo ( 5 % in volume) In alcuni veicoli prodotti prima del 1992, il biodiesel potrebbe provocare danni a giunture in gomma e/o altre parti.

29 Esperienza di laboratorio: procedura 1. Porre 20 ml di etanolo in una beuta 2. Aggiungere, sotto agitazione, 350 mg di NaOH all etanolo (la soluzione tenderà a scaldare) 3. Una volta completata la solubilizzazione, aggiungere 20 ml di olio vegetale e scaldare a 40 C per 30 minuti 4. Trasferire la miscela di reazione in un provetta e lasciare decantare per una notte (la miscela già decantata verrà fornita dai docenti)

30 Esperienza di laboratorio: procedura 5. Si verranno a formare due fasi liquide immiscibili tra di loro: quella superiore è il biodiesel sintetizzato, quella inferiore è il glicerolo (sottoprodotto) 6. Utilizzando una pipetta trasferire il biodiesel in beaker 7. Utilizzando una cartina indicatrice valutarne il ph 8. Neutralizzare con acido acetico 0.1 M (aggiungere goccia a goccia fino a ph neutro) BIODIESEL GLICEROLO

31 Alcuni libri interessanti Prof. Vincenzo Balzani (Socio Accademia dei Lincei) Dr. Nicola Armaroli Dipartimento di Chimica G. Ciamician - Università di Bologna e Consiglio Nazionale delle Ricerche (ISOF, Bologna)