Óleo de soja, etanol e hidróxido de sódio: verificaçÃo da exequibilidade do preparo de biodiesel em sala de aula



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ÁLCOOL, ÓLEO DE SOJA E “SODA”: ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE O PREPARO DE BIODIESEL EM SALA DE AULA
Cristiane Rasera1, Francilene Mancini2, James Rogado3, Lucimara Fernanda da Veiga4, Quézia Geane Silva de Souza5
1, 2, 4, 5Licenciatura em Química, UNIMEP

3Núcleo de Educação em Ciências, UNIMEP
Resumo: O biodiesel é um combustível biodegradável que pode ser produzido a partir de gorduras animais ou de óleos vegetais, estes últimos os mais utilizados. No Brasil há abundância de espécies que produzem óleos que podem ser empregados no processo, como mamona, dendê, girassol, babaçu, amendoim, algodão, soja, dentre outras. Em tempos de escassez de combustíveis fósseis e de busca de combustíveis que minimizem o aquecimento global, o biodiesel constitui-se em temática de relevância e atualidade para o ensino de Química. Nessa perspectiva, considerando-se o crescente incentivo de alguns autores para que os professores da Educação Básica desenvolvam aulas práticas relacionadas à produção do biodiesel em suas aulas, este trabalho objetivou verificar as facilidades e dificuldades de atividade experimental envolvendo a produção de biodiesel em sala de aula e suas contribuições ao ensino de Ciências/Química. O trabalho envolveu adequada revisão bibliográfica seguida levantamento de dados em laboratório realizados por licenciandos em Química e Matemática, em suas aulas regulares, e análise desses dados, confrontando-os com uma das propostas de inserção do tema em aulas práticas do Ensino Médio. Os resultados revelaram limitações metodológicas para as atividades prático-experimentais, que concomitante, ao professor detentor de conhecimento necessário, podem se constituir como geradores de dúvidas e inquietações que possibilitam ampliação de entendimentos.

Palavras-chave: experimentação; educação científica; biodiesel.

Objetivo: Verificar as facilidades e dificuldades de atividade experimental envolvendo a produção de biodiesel em sala de aula e suas contribuições ao ensino de Química.

Introdução: Nos últimos anos, o consumo de derivados de petróleo vem crescendo rapidamente e, dentre os combustíveis derivados de petróleo, o diesel é o que mais se destaca no consumo brasileiro. A demanda por esse combustível é enorme, sendo preciso importar 5% do diesel consumido no país.

Alternativas vêm sendo buscadas. A reciclagem de óleos vegetais industriais vem ganhando espaço cada vez maior, não simplesmente porque os resíduos representam matérias primas de baixo custo, mas principalmente porque os efeitos da degradação ambiental decorrente de atividades industriais e urbanas estão atingindo níveis cada vez mais alarmantes. (FIGUEIREDO, 1995).

Os óleos vegetais são produtos naturais constituídos por uma mistura de três ésteres ligados a uma molécula de glicerina, cujos ácidos graxos contêm cadeias de 8 a 24 átomos de carbono com diferentes graus de insaturações. (MIRANDA, 2007).

Os primeiros relatos do uso de óleos vegetais como combustíveis para motores remontam a 1900, quando Rudolph Diesel os utilizou pela primeira vez. Em seus experimentos, Diesel utilizou óleo de amendoim para fazer funcionar seu motor de ignição e compressão, prevendo o futuro dos biocombustíveis. (PARENTE, 2003).

A produção nacional de biodiesel, mistura de ésteres metílicos ou etílicos de óleos vegetais ou gorduras animais, poderia levar à auto-suficiência de diesel no país: o material é miscível em óleo diesel e apresenta qualidade energética comparável a este.

Segundo a Lei 11.097/2005, o biodiesel é um “biocombustível derivado de biomassa renovável para o uso em motores à combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento, para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustível de origem fóssil”.

Apesar da síntese de biodiesel ser conhecida há décadas, apenas nos anos 90 é que se incrementou a pesquisa da viabilidade da utilização dos óleos e gorduras residuais como matéria-prima para a obtenção do biodiesel gerado na presença de um catalisador ácido ou básico. Assim, é possível reciclar um material poluente causador de grande pressão nos aterros sanitários e redes de esgotos, diminuindo os altos custos de manutenção dos aterros e tratamento de esgotos.

Com o crescimento da população consumidora e a conscientização da população sobre a importância da preservação ambiental, a busca de alternativas energéticas limpas para a contribuição do desenvolvimento sustentável é uma constante, gerando investigações sobre o reaproveitamento de resíduos diversos, como os gerados na indústria alimentícia, para a produção de biodiesel.

De acordo com Cardoso (2006), o biodiesel queima no motor de combustão interna, apresenta características ambientais interessantes: não emite material particulado, composto responsável pela chuva ácida nos centros urbanos, e produz baixas emissões atmosféricas de compostos que causam o efeito estufa (monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados, dentre outros). Contudo, ainda não foi possível a redução dos compostos nitrogenados (NOx) após a combustão.

Durante o ciclo de produção do biodiesel há seqüestro de carbono da atmosfera. Este processo ocorre tanto no ciclo de respiração do vegetal, que absorve gás carbônico em troca do oxigênio, quanto na queima do biodiesel no motor de combustão interna, que acaba por emitir menos gases que causam o efeito estufa. (Cardoso, 2006). O uso do óleo residual na produção do biodiesel inseriu na sociedade uma mentalidade ecologicamente correta, trazendo benefícios a todos.

O biodiesel pode ser produzido por meio de uma reação química denominada transesterificação de triglicerídeos, pela mistura de óleos vegetais ou gorduras das animais com álcoois de cadeia curta (metanol ou etanol), tendo a glicerina ou glicerol como um sub-produto. A reação de transesterificação é catalisada, podendo ser usado como catalisador hidróxido de potássio ou hidróxido de sódio, comumente chamada de soda cáustica. Pelo fato destes compostos serem responsáveis por somente de 1 a 3% do volume no processo, e de possuírem características semelhantes, normalmente faz-se a opção pelo composto mais barato no mercado, que varia de acordo com a região.

A molécula do óleo vegetal é formada por três ésteres ligados a uma molécula de glicerina. A transesterificação transforma o óleo vegetal em biodiesel. No processo mais simples, o óleo vegetal, novo ou usado, ou a gordura animal (depois de filtrado, desidratado e ter sua acidez reduzida) é colocado num recipiente chamado reator, aquecido e misturado com o álcool e a soda cáustica.

Depois de aproximadamente uma hora, inicia-se o processo de decantação: a mistura separa-se em dois níveis - no topo fica o biodiesel, e no fundo do recipiente fica depositado o glicerol (glicerina). Depois de drenado o glicerol, o biodiesel puro é “lavado” com água acidulada para remoção de traços do álcool e outras impurezas. Finalmente, o biodiesel é filtrado e está pronto para o uso, tanto puro como misturado ao óleo diesel, sem necessidade de modificações no motor.

Todo o processo de fabricação leva cerca de 8 horas. Porém, nesse processo há uma etapa onde a matéria-prima pode saponificar, devido à adição de produtos alcalinos (hidróxido de sódio ou soda cáustica), esse é um grande problema e desafio aos pesquisadores, que já utilizam novos processos químicos que evitem essa reação indesejada.

Na produção nacional de biodiesel utiliza-se o etanol, um álcool abundante no país e menos nocivo à saúde em relação aos demais álcoois possíveis de serem utilizados na produção do biodiesel. O etanol por ser produzido a partir de biomassa, assim como o biodiesel, constituindo-se em combustíveis renováveis e, aparentemente, menos agressivos ao ambiente.

Pelo exposto, o biodiesel evidencia-se como temática de relevância e atualidade para o ensino de Química.


Metodologia: A incitação da investigação se fez pelas reflexões proporcionadas por Rogado (2008) e Santos e Pinto (2009).

O trabalho iniciou-se então com a revisão da literatura por temas: biocombustíveis, produção de biodiesel, educação científica/química.

Adiante, com a releitura de Santos e Pinto (2009), realizou-se a adequação do roteiro experimental a ser desenvolvido nas aulas práticas para a produção de biodiesel.

As atividades experimentais ocorreram no Laboratório Multidisciplinar de Ciências, campus Centro, Unimep, com a participação de estudantes do 3º semestre dos cursos de Licenciatura em Química e Licenciatura em Matemática.

Obtidos os primeiros resultados, o roteiro foi readequado, por meio de adaptação de técnica segundo o procedimento desenvolvido por Froehner, Leithold e Lima Junior (2007).

Os dados foram sistematizados, analisados e discutidos, buscando verificar as facilidades/dificuldades da realização de atividade experimental envolvendo a produção de biodiesel, buscando verificar a viabilidade metodológica e a adequação para o ensino de Ciências/Química (em sala de aula), face à Proposta Curricular para o Ensino de Química do Estado de São Paulo, e as normas de segurança às boas práticas de laboratório.


Resultados: Constitui-se em conhecimento notório que o meio mais eficiente para combater o aquecimento global é a redução do consumo de combustíveis fósseis, em especial do petróleo, que atualmente fornece cerca de quarenta por cento de toda a energia que é consumida no planeta.

Da mesma maneira, a mídia insiste em aclamar os biocombustíveis, especialmente o etanol e o biodiesel como combustíveisl verdes, limpos, ecologicamente corretos, pois seriam benéficos ao ambiente.

Rudolph Diesel, criador do motor de combustão interna de ignição por compressão (ciclo diesel), o motor diesel, no final do século XIX, utilizou em seus ensaios petróleo cru e óleo de amendoim. Buscava um motor alimentado com óleos ou gorduras que contribuísse para o desenvolvimento da agricultura nos países que os utilizassem. Contudo, o combustível preferencial nesses motores foi o óleo fóssil, devido baixo custo e alta disponibilidade de petróleo na época. Com as crises de petróleo e o desabastecimento de petróleo no mercado mundial durante a Segunda Guerra Mundial, impulsionou-se o desenvolvimento de processos de transformação de óleos e gorduras em derivados com propriedades físico-químicas mais próximas às dos combustíveis fósseis para substituição total ou parcial. Com a normalização do mercado mundial de petróleo, o biodiesel foi temporariamente abandonado, surgindo como alternativa na década de 70 com as sucessivas crises no mercado internacional do petróleo, em 90, com a preocupação ambiental que começava a tomar proporções mundiais. (SUAREZ; MENEGHETTI, 2007).

Hoje, a utilização do biodiesel misturado ao diesel se justifica principalmente por razões ambientais, pois o uso de derivados de petróleo agrava o efeito estufa. Além disso, combustíveis fósseis possuem enxofre na sua composição que, quando queimados, formam óxidos de enxofre que reagem na atmosfera com oxigênio e água, provocando a chuva ácida. O biodiesel não possui enxofre na sua composição, diminuindo, assim, o impacto ambiental do uso de motores a combustão interna. Também, o uso de biodiesel diminuiria a emissão de monóxido de carbono, hidrocarbonetos não-queimados e material particulado. (OLIVEIRA; SUAREZ; SANTOS, 2008).

Todavia, a verdade é não parece não condizer com o discurso: outros aspectos precisam ser apreciados. Tanto o álcool brasileiro, como o biodiesel não podem ser considerados combustíveis limpos, afinal, utilizá-los ainda significa a continuidade na emissão de poluentes para a atmosfera, para nossos rios, cidades, campos e florestas. Segundo Cardoso, Machado e Pereira (2008), tornando-nos um grande produtor de biocombustível, podemos enfrentar prejuízos ambientais para o país.

A alteração em algum ciclo biogeoquímico interfere no meio ambiente: o petróleo é retirado em grande quantidade das profundezas da terra e queimado na forma de um combustível: o carbono é jogado na atmosfera e se acumula - balanço positivo para atmosfera. No caso do carbono emitido para atmosfera, durante a queima do biocombustível na forma de dióxido de carbono, volta a se fixar novamente no vegetal durante o seu crescimento pelo processo da fotossíntese, e assim, estamos deixando de poluir o ambiente. (CARDOSO; MACHADO; PEREIRA, 2008).

O conceito de combustível limpo se restringe ao elemento carbono. Contudo, a ação do homem dobrou a quantidade de nitrogênio ativo no ambiente, responsável por provocar problemas ambientais locais e regionais como a chuva ácida, a contaminação de águas e ainda com grande potencial para afetar a biodiversidade de florestas naturais. O nitrogênio ativo é aquele com potencial para modificar as propriedades físicas do ambiente ou da biota, diferente do gás nitrogênio (N2), principal componente da atmosfera e inerte.

A cana-de-açúcar, direta ou indiretamente, atua na formação e dispersão de nitrogênio ativo no ambiente: parte dos fertilizantes nitrogenados adicionados ao solo por hectare em sua cultura é arrastada pela água de chuva para os rios ou transformada em gás e liberada para atmosfera; a combustão em presença de ar atmosférico gera calor para a combinação entre o nitrogênio inerte com oxigênio e gera nitrogênio ativo (NO e NO2); a queima da palha de cana, só no estado de São Paulo, emite por ano cerca de 46 mil toneladas de nitrogênio ativo para a atmosfera. (CARDOSO; MACHADO; PEREIRA, 2008).

Concordando com Machado citado por ROGADO (2008), não existe combustão ambientalmente limpa - qualquer combustível em processo de combustão afeta o meio ambiente, biocombustível ou combustível fóssil. O uso de biocombustível não contribui para o aquecimento global, mas “apenas” para a poluição local e regional. Economizar combustível é a melhor forma de minimizar efeitos no ambiente, afinal, o único combustível limpo é aquele que não foi gasto e sequer foi produzido.

Assim, fica claro que a temática biodiesel pode ser geradora de discussões interdisciplinares bastante promissoras face ao aprofundamento do tema e das relações CTSA (Ciência, Tecnologia, Sociedade e Ambiente) possibilitadas.

Por outro lado, o procedimento de produção de biodiesel na escola (laboratório/sala de aula), revelou-se limitado.

O primeiro procedimento com reação catalisada por hidróxido de sódio, fundamentado na metodologia proposta por Santos e Pinto (2009), não atingiu as expectativas:



- Após a dissolução do hidróxido de sódio no álcool etílico anidro, filtração, e mistura do filtrado com óleo de cozinha, houve separação de fases. Elevada a temperatura a 100ºC e sob agitação, a mistura mudou de cor, de esverdeada para caramelo opaco (cerca de 75ºC), caramelo translúcido (cerca de 85ºC), entrando em ebulição a cerca de 91ºC (figuras 1 e 2). Nenhuma outra alteração foi notada;

- Mantida a temperatura em 60ºC por uma hora, à medida que a temperatura tende a baixar, nota-se a formação de uma camada espessa na superfície da mistura e, em seguida, um aumento em sua viscosidade, produzindo muita espuma, formando um corpo “sólido” no interior do frasco (figuras 3 e 4), impossibilitando a continuidade do processo de biodiesel.



Figura 1 Figura 2

Figura 3 Figura 4


A reação da soda cáustica com o etanol forma o catalisador da reação, o etóxido de sódio (NaOEt) - hidróxidos não catalisam a reação diretamente, e precisam passar por um estágio prévio de preparação para formar o catalisador ativo (alcóxidos). Não se pode utilizar álcool comercial nesse processo (mais de 2 ml/100ml de álcool) sendo necessario para o experimento álcool anidro, no mínimo 99,3º INPM, pois a água favorece a reação de hidrólise do triglicerídeo (reação de saponificação) em presença de base, formando sabão e glicerol.

A etapa de preparação do catalisador é uma reação reversível de equilíbrio e todos os produtos coexistem, incluindo o hidróxido não reagido e a água liberada, ambos os materiais indesejáveis na transesterificação, pois podem ser os responsáveis pela reação de saponificação observada no experimento. Também, a soda cáustica utilizada  já estava aberta e por ser muito higroscópica, poderia estar com excesso de água ou ainda a origem da água poderia ser o álcool ou o óleo vegetal comercial utilizado.

O novo procedimento, utilizado hidróxido de potássio como catalisador, adaptado de Froehner, Leithold e Lima Junior (2007), foi mais demorado, porém apresentou melhor resultado, pois não há interferência da água na reação.

Seguido à obtenção do biodiesel, este foi separado dos subprodutos da reação, por decantação. À solução foi adicionada glicerina (com leve agitação), facilitando a decantação do glicerol produzido para remoção pelo funil de decantação (figuras 5 e 6).






Figura 5 Figura 6
O biodiesel (cor amarela) ficou na fase superior devido a sua menor densidade. A glicerina com o álcool (cor branca), menos densa, ficou na fase inferior. Aberto o funil até esgotar o álcool e a glicerina, restou apenas o biodiesel, que foi lavado com uma solução saturada de cloreto de sódio (sal de cozinha). Nessa etapa, observou-se a formação de uma fase aquosa, que contém a glicerina residual. Durante o processo de transesterificação, a glicerina é removida do óleo vegetal, deixando o óleo mais fino e reduzindo sua viscosidade. A glicerina extraída tem diversas aplicações na indústria química, para fabricação de sabonetes e diversos outros cosméticos. Cerca de 20% de uma molécula de óleo vegetal é formada por glicerina.

O biodiesel do óleo de soja é um líquido de cor amarelo claro e menos denso que a água, com viscosidade inferior ao do óleo de cozinha.

Verificou-se a existência de problemas na técnica de obtenção de biodiesel utilizando hidróxido de sódio como catalisador: não se obtém o sucesso esperado, pois há possibilidade de uma reação de saponificação, devido ao excesso de água no processo. A soda cáustica utilizada já estava aberta e por ser muito higroscópica, poderia estar com excesso de água, ou ainda, água poderia ser oriunda do álcool ou do óleo utilizado.

A transesterificação que utiliza potassa cáustica (KOH) é mais adequada. Contudo, além das dificuldades experimentais, a manipulação das substâncias, especialmente as alcalinas, bastante corrosivas e tóxicas, e do etanol, inflamável, além das condições do experimento – temperatura elevada –, já são fatores preocupantes no desenvolvimento dessa prática em ambiente de laboratório. Seu desenvolvimento em sala de aula constitui-se em uma atividade de grande periculosidade, referenciado pelas normas de segurança das Boas Práticas de Laboratório.


Considerações finais: Os problemas observados na técnica de obtenção de biodiesel utilizando hidróxido de sódio como catalisador, não gera o resultado esperado: a reação de saponificação no decorrer do experimento interfere fortemente nos resultados, não atendendo as expectativas. A técnica que utiliza KOH é mais adequada, porém seu desenvolvimento com alunos da Educação Básica em ambiente laboratorial é questionável. Em ambiente de sala de aula, por conta da segurança, seria uma insensatez do docente.

Por outro lado, tanto a temática, como a reação paralela inesperada (metodologia com hidróxido de sódio) ou o procedimento mais eficaz (hidróxido de potássio), oportuniza ampliação de conhecimentos e possibilidades de aprendizagem na perspectiva interdisciplinar.


Agradecimentos: Às estudantes Michelle Oliveira da Cunha e Sônia Aparecida Lemos da Silveira Moraes, do curso de Licenciatura em Matemática da UNIMEP, que participaram do desenvolvimento deste trabalho.
Referências Bibliográficas

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FIGUEIREDO, P.J.M. A sociedade do lixo: os resíduos, a questão energética e a crise ambiental. 2. ed. São Paulo-SP: Editora da Unimep, 1995.

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MIRANDA, R.A. Biodiesel: obtenção a partir de óleos residuais utilizados na cocção de alimentos. Anais do Congresso ABIPTI. Brasília-DF, 2007.

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SUAREZ, P.A.Z.; MENEGHETTI, S.M.P. 70º aniversário do biodiesel em 2007: evolução histórica e situação atual no Brasil. Química Nova,  v. 30,  n. 8,  2007.


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