Arenas-Quevedo-Miguel-2014-MC-en-IQ-unlocked

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E 
INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
 
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación 
 
 
OBTENCIÓN DE BIODIESEL UTILIZANDO MATERIALES Zn-
Ca, Y EL ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES 
TERMODINÁMICAS DE MEZCLAS BIODIESEL + ALCANO O 
DIESEL 
 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
 
MAESTRO EN CIENCIAS 
EN INGENIERÍA QUÍMICA 
 
P R E S E N T A 
 MIGUEL GONZALO ARENAS QUEVEDO 
 
 
 
DIRECTORES DE TESIS 
Dr. Octavio Elizalde Solis 
Dra. María Elena Manríquez Ramírez 
 
 
México D.F, Julio de 2014
http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.estudia.com.mx/img_prod/medium_ipn.jpg&imgrefurl=http://www.estudia.com.mx/busqueda.php?q=IPN TICOMAN&usg=___uc-t98_vJ8zb-VYto_F6HMFQ6s=&h=300&w=300&sz=61&hl=es&start=10&um=1&tbnid=FVbPB511tVvzfM:&tbnh=116&tbnw=116&prev=/images?q=ipn&hl=es&um=1
A G R A D E C I M I E N T O S 
 
Al Instituto Politécnico Nacional, por todas las facilidades que se me brindaron para la 
realización de mis estudios. 
 
A la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas por la formación 
académica que me brindo durante mis estudios de Maestría. 
 
A los doctores Octavio Elizalde Solis, María Elena Manríquez Ramírez, Abel Zúñiga 
Moreno, por el apoyo que me dieron durante el desarrollo de este trabajo. 
 
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), por el apoyo económico 
otorgado durante mis estudios de Maestría. 
 
Al apoyo económico otorgado por parte del Instituto Politécnico Nacional por medio del 
Programa Institucional de Formación de Investigadores (P.I.F.I.) durante estos dos últimos 
años. 
 
A los miembros del jurado por sus valiosos comentarios que enriquecieron el manuscrito 
del presente trabajo. A los doctores Juan Ramón Avendaño Gómez, Sergio Odín Flores 
Valle, Ricardo Macías Salinas. 
 
 
 
 
 
 
 
D E D I C A T O R I A 
 
Quiero dedicar este trabajo a todos los que de alguna u otra manera están involucrados en 
éste. 
A Dios 
Por darme la fortaleza necesaria para lograr este paso más. 
 
A mi familia 
 
A cada uno de los miembros de mi familia, que fueron parte fundamental para poder lograr 
un escalón más en mi vida profesional. Por el apoyo incondicional y tan valioso que el día 
de hoy, vemos los frutos de su grandioso esfuerzo. 
 
A mis amigos del Posgrado 
A los que compartieron gran parte del tiempo en la maestría y fueron de suma importancia 
para seguir adelante. 
Diana García, Aurora Flores, Mariana Linares, Denisse Martínez, Mariana Ortega, Lucero 
Gonzales, Alejandra Ortiz, Blanca Morales, Edith N., Benjamín Rosales, Fabián Ortega, 
Aarón Quijada, Fco. Javier Verónico, Sandro Gonzales, Hugo Pérez, Saturnino Zamora, 
Rubén Pólux, José Domenzain, Juan Rafael Macías. 
 
 
 
Í N D I C E 
 
 pág. 
LISTA DE FIGURAS I 
LISTA DE TABLAS IV 
NOMENCLATURA VI 
RESUMEN VIII 
ABSTRACT IX 
INTRODUCCIÓN X 
CAPÍTULO I. Antecedentes 1 
1.1. Introducción a la Química Sustentable. 1 
1.2. Catálisis Heterogénea. 2 
1.3. Catalizadores. 3 
1.3.1 Propiedades de los Catalizadores. 3 
1.4. Oxido CaO/ZnO como catalizador Heterogéneo. 3 
1.5. Síntesis de biodiesel. 4 
1.6. Aplicaciones industriales de los productos de reacción. 5 
1.6.1. Ésteres metílicos de ácidos grasos. 5 
1.6.2. Glicerina. 6 
1.7. Reacción de Transesterificación. 7 
1.7.1. Transesterificación en Aceites Vegetales. 8 
1.8. Importancia de la Viscosidad en las Propiedades del Combustible. 9 
1.9. Importancia de la Densidad en las Propiedades del Combustible. 11 
1.10. Índice de refracción. 12 
1.11. Humedad. 12 
1.12. Índice de cetano. 13 
1.13. Potencial de Hidrogeno (pH). 14 
1.14. Estado del Arte. 14 
 
CAPÍTULO II. Caracterización de Materiales y Propiedades (p, , , T) 17 
2.1. Técnicas de Caracterización de Materiales. 17 
2.1.1. Difracción de Rayos X. 17 
2.1.2. Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) 18 
 pág. 
2.1.3. Espectrometría de Resonancia Magnética Nuclear (RMN). 18 
2.1.4. Espectroscopia (RAMAN). 19 
2.1.5. Espectroscopia de Fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS). 20 
2.2. Métodos Experimentales para Propiedades de Transporte. 21 
2.2.1. Viscosímetro Ubbelohde. 22 
2.3. Métodos Experimentales para Propiedades Volumétricas. 22 
2.3.1. Densímetro de Tubo Vibrante (DTV). 23 
 
CAPÍTULO III. Metodología y Equipo Experimental 26 
3.1. Reactivos. 26 
3.2. Preparación de catalizadores. 26 
3.3. Sistema de reacción. 28 
3.4. Reacción de Transesterificación. 29 
3.5. Etapas de separación y purificación. 29 
3.6. Cantidad de Humedad. 31 
3.7. Densidad. 31 
3.8. Viscosidad. 32 
3.9. Índice de refracción. 33 
3.10. Potencial de hidrógeno (pH) 35 
 
CAPÍTULO IV. Resultados y Discusión 36 
4.1. Espectroscopia de Fotoelectrones Emitidos por Rayos X (XPS). 36 
4.2. Espectroscopia RAMAN. 41 
4.3. Difracción de Rayos X. 42 
4.4. Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). 43 
4.5. Desorción a Temperatura Programada (TPD). 45 
4.6. Resonancia Magnética Nuclear para Biodiesel. 45 
4.7. Calidad para cada Biodiesel. 49 
4.7.1. Peso Molecular. 49 
4.7.2. Índice de Refracción. 52 
4.7.3. Humedad. 54 
4.7.4. Potencial de Hidrógeno (pH) 55 
4.7.5. Densidad. 56 
4.7.6. Viscosidad. 58 
4.7.7. Índice de Cetano. 59 
4.8. Sistema Biodiesel + Dodecano: Propiedades Termodinámicas y de 
Transporte. 61 
4.8.1. Densidad. 61 
 pág. 
4.8.2. Volumen Molar en Exceso. 63 
4.8.3. Coeficiente de Expansión Volumétrica. 65 
4.8.4. Volumen Molar Parcial. 68 
4.8.5. Viscosidad. 71 
4.9. Sistema Biodiesel + Diesel: Propiedades Termodinámicas y de Transporte. 75 
4.9.1. Densidad 75 
4.9.2 Volumen molar en exceso 76 
4.9.3 Coeficiente de Expansión Volumétrica 78 
4.9.4. Volumen Molar Parcial. 80 
4.9.5 Viscosidad. 82 
CONCLUSIONES 86 
RECOMENDACIONES 87 
BIBLIOGRAFÍA 88 
 
 
 
   
I 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
 Pág. 
1.1. Principales aplicaciones de los ésteres metílicos de ácidos grasos. 
 
 5 
1.2. Esquema general de las reacciones descritas. 7 
1.3. Representación esquemática de la reacción de transesterificación. 8 
1.4. Representación esquemática de las etapas de la reacción de transesterificación. 9 
1.5. Sistema de inyección en un motor. 10 
2.1. Esquema de la técnica de difracción de rayos X. 17 
2.2. Esquema de la técnica FTIR 18 
2.3. Esquema de la técnica RMN. 19 
2.4. Esquema de la técnica RAMAN. 20 
2.5. Esquema de la técnica XPS. 21 
2.6. Densímetro de tubo vibrante (DTV). 24 
3.1. Esquema de la síntesis del catalizador. 27 
3.2. Equipo experimental. Sistema de reacción. 28 
3.3. Etapas del proceso de obtención de biodiesel. 29 
3.4. Proceso de evaporación. 30 
3.5. Proceso de decantación. 30 
3.6. Equipo para la determinación de las densidades. 31 
3.7. Equipo para la determinación de las viscosidades. 33 
3.8. Equipo para la determinación del índice de refracción. 34 
4.1. Espectro XPS para CaO-ZnO variando la concentración de ZnO. 38 
4.2. Espectro XPS general para CaO. 38 
4.3. Espectro XPS para la especie CaO. 39 
4.4. Espectro XPS para la especie ZnO. 39 
4.5. Espectro XPS para la especie de oxígeno. 40 
4.6. Espectro XPS para la especie Carbono. 40 
4.7. Espectro Raman para la especie ZnO. 41 
4.8. Espectro Raman para CaO-ZnO variando la concentración de ZnO. 42 
4.9. Espectro general DRX para CaO-ZnO. 43 
4.10. Espectro general FTIR para los catalizadores. 44 
4.11. Espectro FTIR para biodiesel con diferente catalizador. 44 
4.12. TPD para los catalizadores. 45 
4.13. Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-0%. 46 
4.14. Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-5%. 47 
4.15. Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-10%. 47 
4.16. Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-15%. 48 
4.17. Espectro de Resonancia Magnética Nuclear para biodiesel utilizando ZnO-20%. 48 
4.18. Índice de refracción en funciónde la temperatura. 53 
4.19. Cantidad de humedad. 54 
4.20. Potencial de hidrógeno en cada biodiesel. 55 
II 
 
 Pág. 
4.21. Densidad experimental de cada biodiesel. 57 
4.22. Viscosidad cinemática experimental de cada biodiesel. 59 
4.23. Índice de cetano para cada biodiesel. 60 
4.24. Densidad experimental del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la 
temperatura. 62 
4.25. Densidades experimentales del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en función de la 
fracción mol del biodiesel. 62 
4.26. Volumen molar en exceso del sistema biodiesel (1) + dodecano (2). Las líneas 
representan los valores calculados con la ecuación de Redlich-Kister. 64 
4.27. Residuales para volumen molar en exceso entre los valores experimentales y los 
calculados con R-K obtenidas a cada composición del sistema biodiesel (1) + 
dodecano (2). 65 
4.28. Coeficiente de expansión volumétrica del sistema biodiesel (1) + dodecano (2). (a) 
En función de la fracción mol del biodiesel, (b) En función de la temperatura. 67 
4.29. Volumen molar parcial de biodiesel ( 1V ) en el sistema biodiesel (1) + dodecano (2) 
en función de la fracción molar de biodiesel. 70 
4.30. Volumen molar parcial de dodecano ( 2V ) en el sistema biodiesel (1) + dodecano (2) 
en función de la fracción molar del biodiesel. 70 
4.31. Volumen molar real e ideal de la mezcla, volumen molar ideal de la mezcla y 
volúmenes molares parciales de biodiesel y dodecano en el sistema biodiesel (1) + 
dodecano (2) como función de la fracción mol de biodiesel a 293.15 K. 71 
4.32. Viscosidad dinámica experimental del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en 
función de la temperatura. 72 
4.33. Viscosidad dinámica experimental del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) en 
función de la fracción mol del biodiesel. 73 
4.34. Desviación en viscosidad ( ) para el sistema biodiesel (1) + decano (2) en un 
intervalo de temperatura de 293.15 a 363.15 K. 74 
4.35. Densidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la 
temperatura. 75 
4.36. Densidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la 
fracción mol del biodiesel. 76 
4.37. Volumen molar en exceso del sistema biodiesel (1) + diesel (2). Las líneas 
representan los valores calculados con la ecuación de Redlich-Kister. 77 
4.38. Residuales de volumen molar en exceso entre los valores experimentales y los 
calculados con 
R-K del sistema biodiesel (1) + diesel (2). 
78 
4.39. Coeficiente de expansión volumétrica del sistema biodiesel (1) + diesel (2): (a) en 
función de la temperatura, (b) en función de la fracción mol del biodiesel. 79 
4.40. Volumen molar parcial del biodiesel ( 1V ) para la mezcla biodiesel (1) + diesel (2) 
en función de la fracción mol del biodiesel. 81 
4.41. Volúmenes molares parciales del diesel ( 2V ) para la mezcla biodiesel (1) + diesel 
(2) en función de la fracción mol de biodiesel. 81 
III 
 
 Pág. 
4.42. Volumen molar real e ideal de la mezcla, volumen molar ideal de la mezcla y 
volúmenes molares parciales de biodiesel y diesel en el sistema biodiesel (1) + diesel 
(2) como función de la fracción mol de biodiesel a 293.15 K. 82 
4.43. Viscosidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la 
temperatura. 83 
4.44. Viscosidad experimental del sistema biodiesel (1) + diesel (2) en función de la 
fracción mol del biodiesel. 84 
4.45. Desviación en viscosidad ( ) para el sistema biodiesel (1) + diesel (2) en un 
intervalo de temperatura de 293.15 a 363.15 K. 85 
 
 
 
IV 
 
LISTA DE TABLAS 
 
 Pág. 
1.1. Aceites vegetales como materia prima para la producción de ésteres metílicos. 4 
1.2. Ventajas del biodiesel. 6 
1.3. Aplicaciones de la glicerina. 7 
1.4. Variables que influyen en la reacción de transesterificación para la síntesis de 
biodiesel. 
14 
1.5. Densidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura. 15 
1.6. Densidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas 
en la literatura. 
15 
1.7. Viscosidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura. 16 
1.8. Viscosidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel 
publicadas en la literatura. 16 
3.1. Características de los reactivos empleados 26 
4.1. Conversión de biodiesel utilizando ZnO-0%. 46 
4.2. Conversión de biodiesel utilizando ZnO-5%. 47 
4.3. Conversión de biodiesel utilizando ZnO-10%. 47 
4.4. Conversión de biodiesel utilizando ZnO-15%. 48 
4.5. Conversión de biodiesel utilizando ZnO-20%. 48 
4.6. Componentes y peso molecular del aceite de palma. 49 
4.7. Peso molecular de cada biodiesel obtenido. 50 
4.8. Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-0%. 50 
4.9. Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-5%. 51 
4.10. Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-10%. 51 
4.11. Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-15%. 52 
4.12. Peso molecular del biodiesel utilizando ZnO-20%. 52 
4.13. Índice de refracción ( ) experimental de cada biodiesel en función de la 
temperatura. 53 
4.14. Cantidad de humedad en cada biodiesel. 55 
4.15. Potencial de hidrógeno para cada biodiesel. 55 
4.16. Densidad experimental de cada biodiesel. 56 
4.17. Viscosidad cinemática ( ) experimental de cada biodiesel en función de la 
temperatura. 58 
4.18. Índice de cetano en los biodiesel puros. 60 
4.19. Densidades del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) a temperaturas de 293.15 a 
363.15 K. 61 
4.20. Volumen molar en exceso (
EV ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) 63 
4.21. Coeficiente de expansión volumétrica ( ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) 66 
4.22. Volumen molar parcial de biodiesel ( 1V ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2). 69 
4.23. Volumen molar parcial de dodecano ( 2V ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) 
 
69 
V 
 
 Pág. 
4.24. Viscosidad dinámica ( ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) a temperaturas 
de 293.15 a 363.15 K. 72 
4.25. Desviaciones de la viscosidad ( ) del sistema biodiesel (1) + dodecano (2) de 
293.15 a 363.15 K. 74 
4.26. Densidad del sistema biodiesel (1) + diesel (2) a temperaturas de 293.15 a 363.15 K 75 
4.27. Volumen molar en exceso (
EV ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2). 76 
4.28. Coeficiente de expansión volumétrica (a) del sistema biodiesel (1) + diesel (2). 78 
4.29. Volumen molar parcial de biodiesel ( 1V ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2). 80 
4.30. Volumen Molar parcial de diesel ( 2V ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2). 80 
4.31. Viscosidad dinámica ( ) del sistema biodiesel (1) + diesel (2) a temperaturas de 
293.15 a 363.15 K 83 
4.32. Desviaciones de la viscosidad ( ) del sistema biodiesel (1) + diesel 293.15 a 
363.15 K. 84 
 
 
 
VI 
 
N O M E N C L A T U R A 
 
 Descripción 
iA Coeficiente para Redlich-Kister. 
B Parámetro de la ecuación del DTV. 
% C Porcentaje de conversión. 
 Energía de activación 
EG Energía de Gibbs en exceso. 
K Parámetro de la ecuación del DTV. 
0 1 2K ,K ,K Parámetros de correlación para calcular densidad. 
N Numero de dobles enlaces. 
m Masa. 
iM Peso molecular del componente i. 
promM Peso molecular promedio. 
P Presión. 
pH Potencial de hidrógeno. 
R Constante universal de los gases. 
T Temperatura. 
 Tiempo. 
 Volumen ideal 
 Cambio de volumen 
0
iV Volumen molar parcial de la especie i pura. 
iV Volumen molar parcial de la especie i en la mezcla. 
V Volumen molar de la mezcla. 
idV Volumen molar ideal de la mezcla. 
EV Volumen molar en exceso. 
w Fracción masa. 
 Fracción mol del componente. 
 
Letras Griegas 
 Coeficiente de expansión volumétrica. 
 Índice de refracción. 
 Velocidad de deformación. 
 Número de cetano. 
 Viscosidad dinámica. 
 Viscosidad cinemática. 
VII 
 
 Densidad Absoluta. 
 Esfuerzo cortante. 
 Periodo de vibración del densímetro. 
 
Abreviaturas 
ASTM American Society for Testing Materials. 
BPiBioodiesel a diferente concentración. 
CAS Chemical Abstracts Service. 
DRX Difracción de rayos X. 
DTV Densímetro de Tubo Vibrante. 
FAEEs Esteres etílicos de ácidos grasos. 
FAME Esteres metílicos de ácidos grasos. 
FTIR Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier. 
IR Rayos infrarrojos. 
PVT Propiedades Volumétricas. 
RAMAN Espectroscopia RAMAN. 
RMN Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear. 
R-K Ecuación de Redlich-Kister. 
XPS Espectroscopia de Fotoelectrones Emitidos por rayos X. 
 
Subíndice 
i Especie i. 
exp Experimental. 
cal Calculada. 
EST Éster. 
 
Superíndice 
E Propiedad en exceso. 
0 Propiedad como compuesto puro. 
id Valor ideal. 
 Valor a dilución infinita. 
 
 
VIII 
 
R E S U M E N 
 
Actualmente se requiere como alternativa la utilización de biocombustibles con el objetivo de 
reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, impulsar la descarbonización de los 
combustibles de transporte y diversificar las fuentes de su abastecimiento. En este aspecto el 
biodiesel es un combustible renovable proveniente de aceites vegetales o grasas de origen 
animal, usado total o parcialmente para reemplazar el combustible diesel de los motores de 
ignición sin requerir una modificación sustancial de los mismos. Las materias primas más 
frecuentes para la producción de biodiesel son los aceites de las oleaginosas de producción 
mundial, tales como colza, girasol, soya y palma. 
La importancia de este trabajo de investigación es el empleo de catalizadores heterogéneos 
básicos CaO-ZnO para la obtención de biodiesel por la reacción de transesterificación de 
aceites, en presencia de un alcohol de cadena corta en este caso metanol. Debido a su bajo 
precio comparado con otras materias primas se seleccionó aceite de palma como materia prima. 
El método de precipitación se utilizó para la síntesis de los catalizadores con una solución 1 M 
de NaOH. La preparación de catalizadores se realizó en un reactor discontinuo con agitación a 
343.15 K. Los catalizadores se caracterizaron por FTIR, Raman, XPS, DRX, AFM y TPD. 
La reacción de transesterificación se realizó a 333 K en un reactor discontinuo. Para evitar la 
lixiviación del catalizador, se utilizó el óxido metálico el cual presenta una adecuada 
estabilidad catalítica. 
Variando la concentración de óxido de Zinc de los catalizadores utilizados CaO-ZnO (ZnO-0%, 
ZnO-5%, ZnO-10%, ZnO-15%, ZnO-20%), se obtienen mejores resultados con el catalizador al 
100% de CaO con respecto a la conversión de ésteres metílicos. Sin embargo con el catalizador 
ZnO-5%, exhiben mejores resultados de estabilidad catalítica. 
Para establecer la calidad del biocombustible producido, se determinaron diferentes 
propiedades; estas fueron: humedad, peso molecular, índice de refracción, pH, predicción del 
índice de cetano, viscosidad cinemática y densidad. Las propiedades del biodiesel cumplen con 
las normas establecidas en la ASTM y Europeas. 
Las propiedades termodinámicas para los sistemas binarios biodiesel + (dodecano o diesel) 
obtenidas con datos experimentales de densidad y viscosidad fueron representados 
adecuadamente con las ecuaciones de ajuste correspondientes. 
 
 
IX 
 
A B S T R A C T 
 
Nowadays, the use of alternative biofuels is needed with the aim of reducing greenhouse 
emissions, avoiding the use of fossil fuels and looking for diversifying fuel sources. Therefore, 
biodiesel is a renewable fuel that is obtained from vegetable oil or animal fats; it can be used 
total or partially to replace fossil diesel from petroleum in vehicle motors without great 
modifications in the system engine. The most frequent feedstocks for the production of 
biodiesel are oilseeds produced around the world such as: rape, sunflower, soy and palm. 
The importance in this project is the use of heterogeneous basic catalyst CaO-ZnO to obtain 
biodiesel by means of vegetable oil transesterification, in the presence of a short chain linear 
alkanol such as methanol. Palm oil was selected as our feedstock since it has a low cost 
compared with other vegetable oils. 
Catalysts were synthesized at different concentrations by the precipitation method with a 
solution 1 M NaOH in a discontinuous reactor under stirring at 343.15 K. These catalysts were 
characterized by the following techniques: FTIR, Raman, XPS, DRX, AFM and TPD. 
Transesterification reaction was performed at 333 K in a discontinuous reactor. A metallic 
oxide with a suitable catalytic stability was used to avoid lixiviation of the material. 
The synthesized catalyst at different concentrations of zinc oxide (ZnO-0%, ZnO-5%, ZnO-
10%, ZnO-15%, ZnO-20%) performed better results at 100% of CaO based on the methyl-ester 
conversion. However, the catalyst at ZnO-5% allowed better catalytic stability. 
Different parameters were evaluated in the produced biofuel to determine the quality as fuel 
which are based on international methods suggested by ASTM and EN-ISO. These were: 
humidity, refractive index, pH, cetane index, kinematic viscosity and density. According to 
these results, our produced biodiesel fulfill the mentioned methods. 
Thermodynamic properties for the binary systems biodiesel + (dodecane or diesel) calculated 
from experimental density and viscosity data were satisfactory represented using the 
corresponding equations. 
 
X 
 
I N T R O D U C C I Ó N 
 
Actualmente el petróleo cubre casi el 80% de la demanda mundial de energías primarias, todos 
los aspectos relativos a su explotación incurren en numerosos impactos ambientales. Después 
del carbono e hidrógeno, el azufre es el elemento químico más abundante en el crudo, 
oscilando entre el 0.05 y 5% en peso. Por otro lado, la calidad del crudo está disminuyendo, a 
medida que se van agotando los mejores yacimientos, extrayéndose crudos con mayores 
contenido de azufre. Hoy en día los combustibles fósiles toman hasta un 80% de la energía 
primaria consumida en el mundo, de los cuales el 58% solo es consumido por el sector del 
transporte. La fuente de estos combustibles fósiles se está agotando además que tienen una 
mayor contribución a la emisión de gases de efecto invernadero. 
Es por ello que el agotamiento progresivo de los combustibles fósiles y el aumento de gases de 
efecto invernadero han llevado un cambio hacia alternativas de energías renovables, 
sustentables, eficientes y rentables con menores emisiones de gases de efecto invernadero. 
Con el propósito de reemplazar el porcentaje de dependencia energética del mundo de los 
combustibles fósiles por biocombustibles, se están produciendo biodiesel como posible 
reemplazo del combustible convencional de acuerdo a estándares requeridos, para promover la 
alta calidad a nivel mundial, teniendo en cuenta la necesidad optima del motor y el rendimiento 
del vehículo, además de la durabilidad y el funcionamiento de tecnologías limpias amigables 
con el medio ambiente. 
El biodiesel hoy en día sigue teniendo un gran auge en la comunidad científica y tecnológica 
por las ventajas que ofrece, sobre todo a nivel ambiental. Las aportaciones científicas son 
innumerables, sin embargo es posible mejorar varias líneas, como lo son las materias primas en 
el uso de ácidos grasos no comestibles y su purificación; una de las ventajas en la obtención de 
biodiesel mediante catálisis heterogénea y consiste en hacer reaccionar los ácidos grasos con un 
alcohol utilizando catalizadores sólidos ácidos o básicos, a baja temperatura y presión. 
La reacción de transesterificación de aceites vegetales con alcoholes ligeros se llevará a cabo 
con un catalizador homogéneo o heterogéneo, tanto acido como básico
 [1]
.
 
La reacción de 
transesterificación llevada a cabo bajo un catalizador homogéneo básico es más rápida que un 
catalizador ácido y requiere condiciones de operación más moderadas.
 
Debido a estas razones, 
y considerando que los catalizadoresbásicos son menos corrosivos que los ácidos, los procesos 
industriales normalmente utilizan catalizadores básicos, como el hidróxido de sodio o hidróxido 
de potasio. 
Sin embargo, los catalizadores básicos presentan el problema de formar jabones por 
neutralización de los ácidos grasos libres presentes en el aceite o por saponificación de los 
triglicéridos del aceite. La formación de jabones consume parcialmente el catalizador, 
disminuye el rendimiento de la reacción y dificulta las etapas de separación y purificación
 [2]
. 
XI 
 
Además que los catalizadores heterogéneos, como los homogéneos ácidos, no producen 
jabones por neutralización de los ácidos grasos libres. Sin embargo estos catalizadores 
requieren condiciones extremas de operación y tiempos de reacción muy elevados, además que 
las conversiones son muy bajas. 
La purificación con este método es muy sencilla y consiste el filtrar los productos de reacción y 
después separar el biodiesel de la glicerina, posteriormente son secados y purificados con 
métodos sencillos y baratos dejando ambos productos de buena calidad para su posterior 
aplicación de manera industrial. La catálisis básica en la industria ha sido poco utilizada, sin 
embargo en los últimos años se ha incrementado de manera gradual, sobre todo en la 
producción de biodiesel. 
Dentro de los catalizadores básicos se encuentra el CaO, el cual posee buenas propiedades 
básicas y ha sido ampliamente utilizado para la obtención de biodiesel. Por otro lado el ZnO 
presenta una dualidad de sitios ácidos y básicos, su ambiente cambia dependiendo con el medio 
de reacción, si interacciona con CaO, es posible que el ZnO se comporte como un ácido y 
ocasiona una disminución de la fuerza básica del CaO. Es por ello, que este trabajo busca 
determinar el efecto del ZnO sobre la conversión para la obtención de biodiesel, empleando 
CaO/ZnO y su caracterización morfológica, sobre todo haciendo énfasis en las propiedades 
básicas determinadas por varias técnicas, como lo son FTIR y Raman. 
La conversión fue monitoreada por resonancia magnética nuclear de hidrógeno. Una vez 
obtenido y purificado el biodiesel se utilizó para determinar las propiedades volumétricas y su 
interacción con alcano, diesel, suponiendo que el biodiesel no será adicionado al tanque como 
sustancia pura, sino en mezcla de biodiesel-alcano o biodiesel-diesel para aumentar su 
eficiencia. 
 Las medidas de densidad, viscosidad y otros parámetros fisicoquímicos son parámetros que 
miden su calidad como combustible, además la viscosidad y densidad son de las propiedades 
de los combustibles más importantes ya que afecta el rendimiento del combustible y el sistema 
de inyección. El efecto de la viscosidad y densidad se refleja en la calidad de la combustión y 
atomización del motor. 
Los ésteres metílicos de ácidos grasos en general ha mejorado la lubricidad, sin embargo el alto 
nivel de viscosidad y densidad tiende a formar grandes gotas en la inyección que causan una 
mala combustión y aumentar el escape de gases de efecto invernadero en determinadas 
condiciones de funcionamiento. Es por ello que este trabajo se ha enfocado en obtener biodiesel 
por catálisis heterogénea mediante la síntesis de catalizadores básicos a base de CaO-ZnO 
variando el contenido de ZnO, para ver el efecto y conversión a biodiesel y su posterior estudio 
de las propiedades fisicoquímicas que midan su calidad como combustible y finalmente 
también mezclando con decano y diesel y con ello estudiar la mejora del combustible. 
XII 
 
En el capítulo I, se presentan un estudio de los antecedentes acerca de la catálisis heterogénea y 
la síntesis de catalizadores básicos, así como las propiedades de las materias primas en la 
reacción de transesterificación para la obtención de ésteres metílicos; al final se presenta una 
revisión bibliográfica sobre datos de densidad y viscosidad de biodiesel puro y en mezcla. 
El capítulo II está dedicado a la descripción general de los métodos experimentales reportados 
en la literatura para llevar a cabo la caracterización de los materiales básicos, al igual que los 
métodos de medición de las propiedades volumétricas y de transporte. 
En el capítulo III se presentan los reactivos utilizados así como una descripción detallada de la 
metodología y equipo experimental empleada para las mediciones realizadas en este trabajo. 
En el capítulo IV se reportan los resultados obtenidos para la caracterización de los 
catalizadores, la conversión de biodiesel en la reacción de transesterificación. También se 
reportan las propiedades fisicoquímicas que permiten evaluar la calidad del biodiesel como 
biocombustible. Se reportan las propiedades volumétricas y de transporte para los sistemas 
binarios biodiesel + (dodecano y diesel). 
 Al final de este trabajo, se presentan las conclusiones del trabajo realizado así como algunas 
recomendaciones para ser tomadas en cuenta en futuros trabajos. 
 
1 
 
CAPÍTULO I 
 
A N T E C E D E N T E S 
 
1.1. Introducción a la Química Sustentable. 
La química sostenible consiste en el desarrollo de las metodologías para modificar la 
naturaleza de los productos o procesos y de esta manera reducir los riesgos que representan 
en la salud y el ambiente. En México se han desarrollado algunos esfuerzos para desarrollar 
nuevas sustancias, productos y procesos amigables con el ambiente. Sin embargo, hace falta 
una mayor coordinación y apoyo entre los diversos actores involucrados
 [3]
. 
La percepción sobre la química adquiere básicamente dos formas: en la ciencia e industria se 
percibe como la solución a los problemas y como el medio para llegar al desarrollo u origen 
de los bienes de uso diario; para la comunidad resulta peligroso y que debe evitarse. No 
obstante, ninguno de estos dos puntos de vista es completamente correcto, ya que la química 
involucra todos los aspectos de la transformación de la materia y energía. Además, una 
forma común de pensar era considerar que el desarrollo tecnológico tenía un costo ambiental 
necesario 
[3]
. El diseño de estos productos y procesos tienen como fin minimizar residuos, la 
reducción de materias primas y la reducción de energía requerida, desarrollo de tecnologías 
analíticas, las cuales se detallan a continuación. 
 Minimización de residuos: Los métodos de síntesis se diseñan para maximizar la 
incorporación de todos los materiales usados durante el proceso en el producto final, 
minimizando la formación de subproductos. 
 
 Reducción de materias primas: Muchas reacciones químicas utilizan catalizadores que 
forman parte del producto, desperdiciando tanto recursos como energía. Algunos de 
estos materiales terminan como productos secundarios o de desecho que son retenidos 
para integrarlos nuevamente al proceso. Para eliminar este problema se propone que 
tanto la síntesis química a nivel laboratorio como el diseño de reactores a nivel 
industrial tengan como objetivo común rediseñar los procesos para eliminar, o al menos 
disminuir, el uso de catalizadores que puedan causar el deterioro de la salud y del medio 
ambiente. 
 
 Reducción de energía requerida: Los requerimientos energéticos se consideran por su 
impacto medioambiental y económico, reduciéndose todo lo posible. Los métodos de 
síntesis se intentan llevar a cabo a temperatura y presión ambiente. 
2 
 
 Desarrollo de metodologías analíticas: Las metodologías analíticas son desarrolladas 
posteriormente para permitir una motorización y control en tiempo real del proceso, 
previo a la formación de sustancias peligrosas. Para alcanzar estos objetivos, la industria 
necesita tecnologías catalíticas innovadoras que ofrezcan un aumento en el rendimiento 
del producto deseado, alto riesgo y la selectividad en la obtención de isómeros, bajos 
requerimientos de tiempo y energía, así como el empleo de reactivos químicos no 
corrosivos y no contaminantes 
[4]. 
 
1.2. Catálisis Heterogénea. 
En catálisis heterogénea, el catalizador tiene un estado de agregación diferente con respecto 
a reactivos y productos. Generalmente, el catalizador es sólido, los reactivos y los productos 
están en una o más fases fluidas, y la reacción catalítica se lleva a cabo sobre la superficie 
del sólido; el catalizador provee un camino alternativo para la reacción 
[5]
. La acidez y la 
basicidad de los sólidos catalíticos son factores que afectan la selectividad, no solamente en 
las reacciones ácido-base típicas, sino también en muchas otras en donde son involucradas 
las reacciones de transformación Redox. Los sólidos ácidos son aplicados con buenos 
resultados en diversos procesos industriales incluyendo desintegración, alquilación, 
isomerización y una variedad de síntesis orgánicas. Por otro lado, los sólidos básicos han 
recibido comparativamente menor atención 
[6]
. La superficie sólida en una catálisis 
heterogénea permite influir en la temperatura y distribución del producto en una reacción. 
Además los catalizadores contribuyen en el mejoramiento de procesos de producción y en la 
eliminación o transformación de subproductos no deseados. Los catalizadores heterogéneos 
industriales deben tener gran superficie específica, buena porosidad así como estabilidad 
mecánica y térmica. 
Los procesos catalíticos heterogéneos presentan una serie de características que los 
diferencian de los homogéneos: 
 En los catalizadores heterogéneos el número de centros activos expuestos a los 
reactivos por unidad de volumen del reactor es extremadamente más elevado, por lo 
que estos procesos suelen proporcionar elevada actividad y selectividades más bajas. 
 
 Presentan una facilidad de separación de los productos, al encontrase estos en una fase 
diferente a la del propio catalizador. 
 
 Los catalizadores heterogéneos se emplean en un intervalo más amplio de condiciones 
de operación, siendo esto de vital importancia cuando el equilibrio obliga que la 
reacción se realice en condiciones extremas 
[7]
. 
 
3 
 
1.3. Catalizadores. 
Los catalizadores se clasifican como homogéneos si están presentes en la misma fase que los 
reactantes; esto significa, normalmente, que están presentes como solutos en una mezcla. 
Los catalizadores heterogéneos, están presentes en una fase diferente a los reactantes. Este 
tipo de catalizador tiene la superficie donde las sustancias reaccionan. Una reacción 
catalizada es más rápida que la modalidad no catalizada de la misma reacción, porque el 
catalizador suministra un camino de reacción diferente que tiene una energía de activación 
más baja. 
Para catálisis de reacciones de oxidación es necesario usar metales nobles como el platino, 
paladio, plata, ya que el metal debe ser resistente a oxidación y a la temperatura de reacción. 
Diversos óxidos son también excelentes catalizadores para reacciones de oxidación, para 
reacciones de desulfurización es necesario el uso de sulfuros metálicos. 
 
1.3.1. Propiedades de los Catalizadores. 
Aunque es importante el aumento de la velocidad de una reacción catalítica, también es 
necesario producir la cantidad mínima de productos secundarios y que la vida del catalizador 
sea larga. A continuación se describen algunas propiedades fundamentales de los 
catalizadores. 
Selectividad: La selectividad de un catalizador da una proporción alta del producto deseado 
con las mínimas cantidades de productos secundarios. En la industria está muy incentivado 
económicamente el desarrollo de catalizadores selectivos. La falta de selectividad del 
catalizador ocasiona un aumento en el consumo del reactante, por lo que se necesita diseñar 
catalizadores más selectivos. Es posible ignorar la selectividad solamente en unas cuantas 
reacciones inorgánicas simples 
[8]
. 
Oxidación y Reducción: Los complejos metálicos se utilizan frecuentemente para la 
oxidación catalítica de sustratos orgánicos; además en el ciclo catalítico, el átomo metálico 
alterna entre dos estados de oxidación. Los catalizadores que contienen iones metálicos se 
utilizan en procesos a gran escala para la oxidación de hidrocarburos 
[8]
. 
 
1.4. Oxido CaO/ZnO como catalizador Heterogéneo. 
La catálisis heterogénea es una forma de catálisis en la que el catalizador y reactivo se 
encuentran diferentes fases. En la mayoría de los casos, el catalizador heterogéneo es sólido, 
mientras que los reactivos son gases o líquidos. La superficie total del sólido tiene un efecto 
4 
 
importante en la velocidad de reacción. EL tamaño de las partículas del catalizador se 
correlaciona negativamente con el área de la superficie. 
Los catalizadores básicos heterogéneos contienen comúnmente sitios básicos de Lewis o 
Brönsted ampliamente usados en reacciones de transesterificación de triglicéridos. Los 
materiales más usados son óxidos de metales alcalinotérreos, hidróxidos y alcóxidos. El 
catalizador heterogéneo es normalmente apoyado por un segundo material, que actúa ya sea 
para mejorar la eficacia o para reducir costos. 
Se establece que el CaO presenta fuerte alcalinidad, principalmente el CaO se considera 
como siderúrgico, posee una estructura cristalina del tipo romboédrico. Por otra parte el ZnO 
presenta una dualidad de sitios básicos y ácidos, al interactuar con el CaO posiblemente 
actué como un ácido proporcionando estabilidad al catalizador 
[9]
. 
 
1.5. Síntesis de biodiesel. 
Las materias primas necesarias para la producción de ésteres metílicos son alcoholes y 
aceites vegetales. En cuanto a los alcoholes, estos son de cadena corta entre los que se 
encuentran el metanol, etanol, butanol, 2-propanol. La utilización de metanol se debe a dos 
factores: 
1) El tamaño de la molécula de metanol es menor con respecto al butanol; lo cual facilita el 
ataque simultáneo del metanol sobre la molécula de triglicérido. 
2) También debido a la polaridad del anión metóxido que es mayor que la del anión 
bióxido se favorece la reacción de transesterificación
 [10]
. 
Respecto al aceite, tiene varias procedencias y cuya diferencia radica en la composición de 
la molécula de triglicérido; el tipo de ácido carboxílico unido al esqueleto carbonado del 
glicérido y en la cantidad de ácidos grasos libres. Sin embargo, se hace una clasificación en 
función de la procedencia como se muestra en la tabla 1.1.
 
Tabla 1. 1. Aceites vegetales como materia prima para la producción de ésteres metílicos 
[11]
. 
 
Aceites vegetales convencionales % utilizado para la síntesis de biodiesel 
Aceite de girasol 13 
Aceite de colza 84 
Aceite de soja 1 
Aceite de Coco 1 
Aceite de Palma 1 
 
5 
 
Las materias primas convencionales son los excedentes de producción de aceites de semillas 
oleaginosas (girasol, colza, soja y coco) y de frutos oleaginosos (palma). El principal 
problema de estos aceites es su elevado costo. Los aceites alternativos son aceites como, por 
ejemplo, el obtenido a partir de Básica caminata que es una semilla oleaginosa, de la familia 
de la colza, que contiene un alto contenido en ácido erúcico, y por lo tanto no se utiliza en la 
alimentación. 
Además de los aceites vegetales, las grasas animales, y más concretamente el sebo de vaca 
se utiliza como materia prima para la transesterificación. El sebo tiene diferentes grados de 
calidad respecto a su utilización en la alimentación, siendo los de peor calidad para el 
consumo humano; su consumo genera problemas cardiovasculares, es por ello que estas 
grasas son más adecuadas, desde un punto de vista económico, para la producción de 
biodiesel 
[11]
.
 
Las propiedades fisicoquímicas de biodiesel han atraído mucha atención en los últimos años. 
La composición de los ésteres metílicos de ácidos grasos (FAMEs) o ésteres etílicos de 
ácidos grasos (FAEEs) obtenidos depende de las materias primas utilizadas
 [11]
. 
 
1.6. Aplicaciones industriales de los productosde reacción. 
1.6.1. Ésteres metílicos de ácidos grasos. 
Los ésteres metílicos de ácidos grasos tienen varios usos como materia prima para la 
producción de diferentes productos químicos y un uso directo como fuente de energía de 
acuerdo a la figura 1.1. 
 
Figura 1.1. Principales aplicaciones de los ésteres metílicos de ácidos grasos 
[12]
. 
 
6 
 
Las principales aplicaciones de los ésteres metílicos como materia prima son las siguientes: 
 Alcanolamidas: tienen aplicación directa como agentes plastificantes y espesantes, su 
producción consume la mayor parte de los ésteres metílicos producidos en el mundo
 [12]
. 
 
 Alcoholes ácidos: se utilizan en la industria farmacéutica como aditivos en cosmética, en 
la fabricación de lubricantes y agentes plastificantes en función de la longitud de la 
cadena carbonada. 
 
 Ésteres isopropílicos: también se utilizan como agentes plastificantes. 
 
 Poliésteres de sacarosa: se trata de carbohidratos de ésteres metílicos de ácidos grasos 
aplicados en la producción de aceites comestibles no calóricos 
[12]
. 
Sin embargo, la aplicación más significativa, hoy en día, es su utilización directa como 
biocombustible (biodiesel)
 [13]
. En la tabla 1.2 se muestran una serie de ventajas que presenta 
el biodiesel frente al diesel tradicional de origen fósil. 
Tabla 1. 2. Ventajas del biodiesel 
[14]
. 
Alternativa a los combustibles derivados del petróleo. 
Energía renovable 
Reducción de la importación de crudos 
Combustible no toxico y biodegradable 
Reducción de las emisiones contaminantes 
Disminución del efecto invernadero 
Niveles de ingresos y empleo en el medio rural 
Utilización de los excedentes de producción agrícola. 
Utilización de residuos orgánicos 
 
1.6.2. Glicerina. 
La glicerina es un subproducto de la reacción de transesterificación que tiene un valor 
agregado en el proceso de transformación de los ácidos grasos a ésteres metílicos. En la 
tabla 1.3. Se muestran las principales aplicaciones de la glicerina
 [15]
. 
 
 
7 
 
Tabla 1.3. Aplicaciones de la glicerina. 
Medicamentos Preparaciones médicas y farmacéuticas mejorando la suavidad, 
proporcionando lubricación y actuando como humectante, 
supositorios, jarabes para la tos, elixires y expectorantes. 
Cuidado Personal Humectante, disolvente y lubricante en los productos de cuidado 
personal. Pasta dentífrica, enjuagues, productos para la piel, productos 
para el pelo y jabones. 
Alimentos Humectante, disolvente, dulcificante y conservante en dulces, pasteles 
y cubiertas para quesos. En la producción de mono y diglicéridos para 
su uso como emulsores. En la producción de ésteres de poliglicerol 
para mantecas y margarinas. Como relleno en comidas bajas en 
grasas. 
Polioles La mayor materia prima en la producción de polioles para espumas 
flexibles y en menor medida para las espumas de poliuretano rígidas. 
Resinas 
alquílicas 
celofanes 
Recubrimientos y pinturas. Agente suavizante y plastificante para 
proporcionar flexibilidad y dureza. 
Explosivos En la producción de TNT (Trinitroglicerina) 
Otros En la producción de papel como plastificante, humectante y 
lubricante, aditivo en comida para mascotas, suavizador en 
detergentes como alternativas a compuestos de amonio. 
 
1.7. Reacción de Transesterificación. 
La transesterificación implica tres grupos diferentes de reacciones según el éster que 
reacciona con el alcohol (alcohólisis), con un ácido carboxílico (acidólisis) o con otro éster 
(interesterificación)
 
como se muestra en la figura 1.2 
[16]
.
 
cat
cat
cat
a)Alcoholisis
R C O O R´ R´́ O H R C O O R´́ R´O H
b)Acidolisis
R C O O R´ R´́ C O O H R´́ C O O R R C O O H
c)Interesterificación
R C O O R´ R´́ C O O R´́ ´ R C O O R´́ ´ R´́ C O O R´
 
 
 
 
Figura 1.2. Esquema general de las reacciones descritas. 
8 
 
 La alcohólisis implica la sustitución del grupo alquilo del éster por otro grupo alquilo, a 
través de la reacción del éster con un alcohol. Las reacciones se describen en términos 
del alcohol reaccionante: metanólisis, etanólisis, glicerólisis. 
 
 La acidólisis es la reacción entre un éster y un ácido carboxílico, implicando el 
intercambio o sustitución del grupo acido del éster. 
 
 La interesterificación es el intercambio entre los grupos acilo y alquilo de dos ésteres 
diferentes. 
 
1.7.1. Transesterificación en Aceites Vegetales. 
En la reacción de transesterificación (o alcoholisis) de un aceite vegetal una molécula de 
triglicérido, componente mayoritario en un aceite, reacciona con un alcohol, generalmente 
ligero, bajo la acción de un catalizador, para producir una mezcla de ésteres de ácidos grasos 
y glicerina. En la figura 1.3 se muestra el esquema general de la reacción de 
transesterificación de aceite vegetal con metanol para producir ésteres metílicos de ácidos 
grasos y glicerina. 
3
2 1
2 2
2 3
3
3 3 2
1 2
cat
2 3 CH O CO R CH OH
CH O CO R CH O CO R CH OH
Triglicérido Me tano l Esteres met
CH O CO R CH O CO R CH OH
C
íli cos de Glicerina
Ácidos Grasos
R1: Cad
H O CO
ena carbonada del ácido gra
3CH
o
R
s
OH
 
    

 
     
     
  

  
 
Figura 1.3. Representación esquemática de la reacción de transesterificación. 
 
De acuerdo a la estequiometria de la reacción, por cada mol de triglicérido transesterificado 
se necesitan tres moles de ésteres metílicos y un mol de glicerina. La reacción de 
transesterificación de aceites vegetales con alcoholes ligeros consta de tres etapas 
consecutivas reversibles; el triglicérido es convertido consecutivamente en diglicérido, 
monoglicérido y glicerina. En la figura 1.4 se muestra la secuencia de etapas que tiene lugar 
en la transesterificación de aceite vegetal con metanol. 
 
9 
 
2 1 2
cat
2 3 3 1 2
2 3 2 3
2 2
cat
2 3 3 2
CH O CO R CH OH
i) CH O CO R CH OH CH O CO R CH O CO R
CH O CO R CH O CO R
Triglicérido Metanol Éster Metílico Diglicérido
CH OH CH OH
ii) CH O CO R CH OH CH O CO R CH OH
CH
   
 
           
 
     
 
 
         
 
2 3 2 3
2 2
cat
3 3 3
2 3 2
1
O CO R CH O CO R
Diglicérido Metanol Éster Metílico Monodiglicérido
CH OH CH OH
iii) CH OH CH OH CH O CO R CH OH
CH O CO R CH OH
Monoglicérido Metanol Éster Metílico Glicerina
R : Cadena carbonad
     
 
 
       
 
   
a del ácido graso
 
2 1 2
cat
2 3 3 1 2
2 3 2 3
2 2
cat
2 3 3 2
CH O CO R CH OH
i) CH O CO R CH OH CH O CO R CH O CO R
CH O CO R CH O CO R
Triglicérido Metanol Éster Metílico Diglicérido
CH OH CH OH
ii) CH O CO R CH OH CH O CO R CH OH
CH
   
 
           
 
     
 
 
         
 
2 3 2 3
2 2
cat
3 3 3
2 3 2
1
O CO R CH O CO R
Diglicérido Metanol Éster Metílico Monodiglicérido
CH OH CH OH
iii) CH OH CH OH CH O CO R CH OH
CH O CO R CH OH
Monoglicérido Metanol Éster Metílico Glicerina
R : Cadena carbonad
     
 
 
       
 
   
a del ácido graso
 
2 1 2
cat
2 3 3 1 2
2 3 2 3
2 2
cat
2 3 3 2
CH O CO R CH OH
i) CH O CO R CH OH CH O CO R CH O CO R
CH O CO R CH O CO R
Triglicérido Metanol Éster Metílico Diglicérido
CH OH CH OH
ii) CH O CO R CH OH CH O CO R CH OH
CH
   
 
           
 
     
 
 
         
 
2 3 2 3
2 2
cat
3 3 3
2 3 2
1
O CO R CH O CO R
Diglicérido Metanol Éster Metílico Monodiglicérido
CH OH CH OH
iii) CH OH CH OH CH O CO R CH OH
CH O CO R CH OH
Monoglicérido Metanol Éster Metílico Glicerina
R : Cadena carbonad
     
 
 
       
 
   
a del ácido graso
 
Figura 1.4. Representación esquemática de las etapas de la reacción de transesterificación. 
 
1.8. Importancia de la Viscosidad en las Propiedades del Combustible.La viscosidad es una propiedad característica fundamental de todo líquido. Cuando un 
líquido fluye, tiene la resistencia interna al flujo. Por lo que se considera como una medida 
de esta resistencia al flujo o cizallamiento. La viscosidad también se denomina como una 
fuerza de arrastre y en una medida de las propiedades de fricción del líquido. Lo que se 
refiere a veces como el espesor de un fluido. La viscosidad se rige por la combinación de 
tres factores principales: 
 Forzado intermolecular: Cuanto más fuerte sea el vínculo entre las moléculas, mas 
viscoso es el fluido. 
 Tamaño Molecular: Menor flujo de moléculas unas sobre otra de mayor facilidad de 
desplazamiento. 
 Forma Molecular: Esta propiedad es complicada, en ocasiones las moléculas lineales 
tienden a fluir entre sí más allá que las moléculas ramificadas. Por otro lado, las 
moléculas lineales se apilan más fácilmente en la parte superior de las moléculas 
ramificadas, que aumentan la unión intermolecular entre moléculas lineales 
[17]
. 
10 
 
La viscosidad se expresa básicamente en dos formas o tipos diferenciados: viscosidad 
dinámica y cinemática. 
Viscosidad cinemática: con el conocimiento de la densidad a temperatura y presión 
requerida, ésta se define como: 
v



 
(1.1) 
Viscosidad dinámica o absoluta: es la fuerza tangencial por unidad de área requerida para 
deslizar una capa contra otra capa. 
En un motor se suministra combustible al cilindro a través de un sistema que está constituido 
por el tanque, tuberías, bomba, filtro e inyectores. Cuando un combustible se bombea en un 
vehículo, entra al depósito, se inyecta una pulverización fina del combustible en los cilindros 
provocando la explosión. El componente del sistema está diseñado para distribuir una 
cierta cantidad de combustible a una velocidad como se muestra en la figura 1.5 donde es 
afectada por la viscosidad del combustible 
[18]
. 
 
Figura 1.5. Sistema de inyección en un motor 
[18]
. 
 
Además, en el sistema de combustión, se necesita la temperatura y viscosidad del 
combustible para la mecánica de fluidos y reología, análisis termodinámico en el sistema, y 
para conocer los parámetros de transferencia de calor por convección en el sistema de 
combustión. 
En general, la viscosidad del combustible es necesaria para la ingeniería de diseño del 
motor para la fijación de las condiciones óptimas para los procesos químicos y las 
operaciones, así como para la determinación de propiedades adimensionales como el número 
de Reynolds y el número de Prandtl. La viscosidad del combustible también es importante 
11 
 
en el cálculo de la demanda de potencia para el funcionamiento de la unidad, como el diseño 
del paso de combustible, características necesarias de la bomba de atomización (gotas de 
combustible), almacenamiento, inyección y transporte. 
 
1.9. Importancia de la Densidad en las Propiedades del Combustible. 
La densidad se define como la relación que existe entre el volumen y la masa de un objeto o 
sustancia. Es una propiedad física característica de las sustancias puras y es considerada 
como una propiedad intensiva, ya que es independiente al tamaño de la muestra. 
La viscosidad y densidad del biodiesel son variables importantes que tiene una fuerte 
influencia en el sistema de inyección y atomización del motor de combustión 
[19]
. La 
presencia de biodiesel en mezclas de gasóleo afecta a las propiedades termofísicas de 
combustible; su influencia se tiene en cuenta en todas las estimaciones técnicas y cálculos, 
tales como los modelos de combustión, de atomización y la combustión de procesos 
[20]
. Por 
otra parte, se necesitan valores de viscosidad y densidad para diseñar el proceso de 
producción de biodiesel incluyendo unidades de separación, como decantadores centrífugos, 
columnas de destilación y tuberías. 
Por esa razón una herramienta de predicción capaz de estimar la densidad del biodiesel, sería 
una manera muy útil para mejorar las estrategias de producción mediante la selección de las 
materias primas antes de la producción de biodiesel. A pesar de la gran importancia práctica 
que tienen las propiedades volumétricas para ésteres metílicos, los datos son escasos y tienen 
una medida limitada para el desarrollo de modelos termodinámicos. Una de las razones es 
que estos componentes solo están disponibles en su mayoría como mezclas complejas y son 
difíciles de obtener en forma pura. 
Para la simulación de mezclas, inyección de combustible y el proceso de combustión en el 
motor, las propiedades de los componentes puros de estas sustancias biogénicas son la base 
para los cálculos termodinámicos; mientras que los datos de mezclas medidas 
experimentalmente se utilizan para la verificación de las ecuaciones de estado. Estos datos 
son utilizados tanto para los parámetros del modelo que se obtienen de componentes puros y 
para la evaluación de las ecuaciones de estado comparando los datos experimentales de 
mezclas mediadas a valores predichos 
[16,17, 21-25]
. 
Con el fin de estimar la densidad del biodiesel se utilizan normalmente dos metodologías, 
los enfoques basados teórica y empíricamente o basados en correlaciones semi-empíricas. 
Uno de los métodos empleados para la estimación de la densidad del líquido saturado es la 
ecuación de Rackett modificada
 [26]
. Poling et al.
[27]
 realizaron un resumen sobre los diversos 
métodos teóricos para los la estimación de la densidad de líquido saturado. El método de 
Thomson y Hankinson et al.
[26]
 permite la predicción de volúmenes de líquido comprimido y 
12 
 
comprende un conjunto de ecuaciones en términos de propiedades críticas, y constantes del 
factor acéntrico. Otro método importante es el método Bhirud 
[28]
 para fluidos no polares. 
Con una contribución, Elbro et al.
[29] 
 obtuvieron un método para la predicción de 
densidades de líquidos en función de la temperatura en el punto triple, hasta el punto de 
ebullición normal. 
Los modelos teóricos discutidos en los párrafos anteriores se han desarrollado para la 
estimación de la densidad de cualquier líquido, independientemente de su composición y 
origen. Un enfoque diferente es usar modelos empíricos o correlaciones específicamente 
para biodiesel. Al igual que los modelos teóricos, los empíricos utilizan composición como 
entrada; además, utiliza otra medición empírica de la composición y de los coeficientes 
derivados estructurales para mejorar la precisión de la densidad. Los modelos existentes en 
la literatura para la estimación de la densidad del biodiesel se basan generalmente en la 
composición, por lo general teniendo en cuenta la influencia de la temperatura 
[30]
. 
 
1.10. Índice de refracción. 
El índice de refracción de una sustancia o un medio transparente, es la relación entre la 
velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la sustancia o el medio 
transparente. Es una constante característica de cada medio. Como el índice de refracción es 
sensible a los cambios de temperatura y varía con la longitud de onda de la luz, deben 
especificarse ambas variables al expresar el índice de refracción de una sustancia
 [31]
. El 
equipo que se utiliza para este análisis es el refractómetro
 [32]
. En esta prueba el índice de 
refracción varía con respecto a la temperatura. 
 
1.11. Humedad. 
La medida de humedad se realiza mediante el método Karl Fisher por medio de valoraciones 
columbimétricas. La muestra previamente pesada se introduce en el recipiente de valoración 
de un equipo Karl Fisher que induce la generación de yoduro en el ánodo por oxidación 
electroquímica. Cuando se ha valorado toda el agua el exceso de yoduro se detecta mediante 
un electrodo de punto final electrométrico. De la cantidad de yoduro generado se calcula la 
cantidad de electricidad requerida de acuerdo con la ley de Faraday. El contenido de agua es 
proporcional al yodurogenerado. 
El biodiesel tiende a absorber pequeñas cantidades de agua disueltas o como gotas 
suspendidas. El agua se forma por condensación en el tanque de almacenamiento, ya que 
depende de cómo se manipule y transporte el combustible. El biodiesel es muy higroscópico 
13 
 
y absorbe hasta 40 veces más agua que el diesel. Las repercusiones sobre la presencia de 
agua en el motor son: 
1. Corrosión en los componentes del motor, generalmente herrumbre. El agua se acidifica 
y acaba atacando a los tanques de almacenamiento. 
2. Contribución al crecimiento de microorganismos. Forman lodos y limos que saturan 
los filtros. Además, algunos de estos microorganismos convierten el azufre que posea 
el combustible en ácido sulfúrico, lo que ocasiona corrosión en la superficie metálica 
del tanque. 
La norma Europea EN ISO-12937:2000 
[33]
 establece un valor máximo de 500 mg/kg. La 
norma americana equivalente es la ASTM D2709
 [34]
. 
 
1.12. Índice de cetano. 
Para expresar la calidad de encendido de los combustibles se emplea el índice de cetano. El 
índice de cetano de un combustible es el porcentaje de cetano contenido en una mezcla de 
dos hidrocarburos que presente la misma calidad de encendido (temperatura de 
autoencendido) que el combustible ensayado. Los dos hidrocarburos a que nos referimos son 
el cetano con excelente calidad de encendido y el alfa-metil-naftaleno con mala calidad de 
encendido. La escala abarca de 0 a 100, de manera que al alfa-metil-naftaleno se le asigna 
cero y al cetano 100. De esta forma, un combustible con índice de cetano 42 tendrá la misma 
calidad de encendido que una mezcla compuesta de 42% de cetano y 58% de otro 
compuesto. 
Debido a que el equipo necesario para medir el número de cetano no suele estar disponible 
en los laboratorios por su elevado costo y gran cantidad de muestra, en el caso del diesel se 
calcula un índice de cetano que si bien no es similar, permite estimar su valor
 [35]
. 
Esta propiedad no es aplicable y por lo tanto no se interpola a las mezclas. Sin embargo es 
un valor que se utiliza para reemplazar el número de cetano cuando no es posible medirlo. El 
biodiesel tiene siempre números de cetano más altos que el diesel, por lo que el índice de 
cetano aumenta al incrementar el porcentaje de biodiesel en la mezcla. No es posible 
considerar un comportamiento lineal y no interpolable con el biodiesel debido a las 
características de la curva de destilación del biodiesel
 [35]
. 
Las normas 
[36,37]
 ASTM D613-13 / EN ISO 5165 establecen el limite permisible de cetano 
en una escala arbitraria, utilizando un cilindro estándar único, de cuatro tiempos. El índice 
de cetano proporciona una medida de las características de ignición del biodiesel en los 
motores de encendido por comprensión. El índice de cetano se determina a una velocidad 
constante en un tipo de cámara de motor de prueba de encendido. 
14 
 
1.13. Potencial de Hidrogeno (pH). 
El pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la 
concentración de iones hidronio presentes en determinadas sustancias. El valor de pH se 
mide de forma precisa con un potenciómetro, un instrumento que mide la diferencia de 
potencial entre dos electrodos; un electrodo de referencia generalmente de plata y un 
electrodo de vidrio que es sensible al ion hidrógeno. Este valor depende de la materia prima 
y del proceso de refinado del aceite y de la producción del biodiesel, pero son debido al uso 
de los catalizadores ácidos y la presencia de agua después de largos tiempos de 
almacenamiento. Valores altos de acides producen corrosión en diversas partes del motor y 
aumentan la velocidad de degradación del biodiesel
 [38]
. 
 
1.14. Estado del Arte. 
En este trabajo se seleccionaron las relaciones de aceite alcohol y la cantidad de catalizador 
para llevar a cabo la reacción y los parámetros óptimos en temperatura y tiempos de 
reacción para obtener una mayor pureza y conversión de ésteres metílicos. De acuerdo a 
toda esta información recabada, se decidió trabajar con catalizadores heterogéneos en la 
reacción de transesterificación. Para este caso se utilizaron catalizadores con carácter básico 
porque facilitan la reacción por los sitios básicos que presentan en la estructura morfológica. 
En la tabla 1.4 se presenta un resumen de los principales catalizadores usados en reacciones 
de transesterificación. En el presente proyecto se utilizará la mezcla CaO-ZnO porque al 
utilizar únicamente CaO produce lixiviación con el metanol y ocasiona inestabilidad en la 
reacción debido a su dualidad. El ZnO proporciona una estabilidad básica al catalizador por 
sus propiedades. 
Tabla 1.4. Variables que influyen en la reacción de transesterificación para la síntesis de biodiesel. 
Catalizador Materia 
prima 
C% tiempo 
(min) 
T 
( K ) 
Relación 
aceite-metanol 
Ref. 
KOH aceite de palma 88 60 333.15 0.01 a 6 [39] 
No catalítica aceite de palma 95.17 * 523.15 * [40] 
H2SO4 aceite de palma * 60 * 1 a 27 [41] 
KOH / Zeolita NaY aceite de palma 92.18 420 333.15 * [42] 
No catalítica aceite de palma 30 5 a 20 473.15 3 a 80 [43] 
KOH / bentonita aceite de palma 90.72 180 333.15 1 a 6 [44] 
carbonato/KOH aceite de palma 96.20 80 338.15 0.01 a 9 [45] 
*: No reportado. 
 
15 
 
En la tabla 1.5 y 1.6 se resumen las densidades de biodiesel puro y en mezclas binarias con 
otros componentes, respectivamente que se encuentran reportadas en la literatura; en su 
mayoría se observa que las experimentaciones fueron realizadas a condiciones de presión 
atmosférica. 
Tabla 1. 5. Densidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura. 
T ( K ) P (atm) Ecuación Método  u Ref. 
278 - 397 1283 Tait DTV 0.5 g/cm
3
 [46] 
278 - 338 0.81 * DTV 0.01% [47] 
353 1 * * 0.24% [48] 
333 - 353 1 * picnómetro 0.62% [49] 
288- 363 1 empírica DTV 0.00003 g/cm
3
 [50] 
*: No reportado. 
 
 
Tabla 1. 6. Densidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas en la literatura. 
T ( K ) P (atm) Ecuación Método Mezcla  u Ref 
273 a 343 1 Rackett * Biodiesel + diesel 0.125% [51] 
273 a 343 1 * DTV Biodiesel + diesel * [52] 
293 a 358 1 * DTV Biodiesel + ésteres metílicos 0.005% [53] 
293 a 373 1 empirico DTV Biodiesel + hexadecano 0.0005 g/cm
3
 [54] 
293 a 373 1 empirico DTV Biodiesel + diesel 0.0005 g/cm
3
 [54] 
*: No reportado. 
 
Las viscosidades experimentales de biodieles puro publicadas en la literatura se reportan en 
la tabla 1.7, en el caso de mezclas binarias que contiene biodiesel con otro componente se 
encuentran en la tabla 1.8; además se incluyen los diferentes métodos de medición, dentro de 
los más comunes se utilizan los de tubo capilar debido a su precisión, costo de operación, 
facilidad de operación y rapidez. Otro de los métodos más utilizados después de los de tubo 
capilar es a partir de reometría debido a que se opera a altas presiones con una buena 
precisión y a intervalos de temperatura amplios. 
 
16 
 
Tabla 1.7. Viscosidades experimentales de biodiesel publicadas en la literatura. 
T ( K ) P (atm) Modelado Método Ref. 
297.15-358.15 1400 empírica Reómetro [55] 
297.15-358.15 1 Ecuación de Vogue Capilar Canon-Fenske [56] 
313.15-373.15 1 Sandford modificada Capilar Canon-Fenske [57] 
297.15-373.15 1 empírica Capilar Canon-Fenske [58] 
293 - 393 1-1400 empírica Hilo vibrante [59] 
 
 
Tabla 1.8. Viscosidades experimentales de mezclas binarias que contienen biodiesel publicadas en la literatura. 
T ( K ) P (atm) Ecuación Método mezcla  viscu Ref. 
283 - 363 1 * capilar Biodiesel+diesel 0.35 % [52] 
293 - 358 1 * rotatorio Biodiesel +diesel 0.01% [53] 
293 - 393 140 Andrade capilar Biodiesel+diesel 0.026% [55] 
297 - 373 1 empírica capilar Biodiesel+diesel 0.1% [58] 
289 - 373 1 Andrade hidrómetro Biodiesel+alcanos 0.24% [60] 
293 - 393 1 empírica capilar Biodiesel+diesel 0.1% [61] 
*: Noreportados 
 
 
 
17 
 
CAPÍTULO II 
 
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Y PROPIEDADES (p, , , T) 
 
En este capítulo se describen los principios básicos de las técnicas experimentales utilizadas 
en este trabajo para la caracterización del catalizador, del biodiesel, así como las 
propiedades volumétricas y de transporte. 
 
2.1. Técnicas de Caracterización de Materiales. 
A continuación se describen algunas técnicas de caracterización de los catalizadores y del 
biodiesel. 
 
2.1.1. Difracción de Rayos X. 
La cristalografía de rayos X es una técnica experimental para el estudio y análisis de 
materiales, basada en el fenómeno de difracción de los rayos X por sólidos en 
estado cristalino. 
Los rayos X interactúan con los electrones que rodean los átomos por ser su longitud de 
onda del mismo orden de magnitud que el radio atómico. Como se observa en la figura 2.1, 
el haz de rayos X emergente tras esta interacción contiene información sobre la posición y 
tipo de átomos encontrados en su camino. Los cristales, gracias a su estructura 
periódica, dispersan elásticamente los haces de rayos X en ciertas direcciones y los 
amplifican por interferencia constructiva, originando un patrón de difracción. Existen varios 
tipos de detectores especiales para observar y medir la intensidad y posición de los rayos X 
difractados, y su análisis posterior por medios matemáticos permite obtener una 
representación a escala atómica de los átomos y moléculas del material estudiado como se 
muestra en la figura 2.1 
[30,62]
. 
 
Figura 2.1. Esquema de la técnica de difracción de rayos X. 
http://es.wikipedia.org/wiki/Rayos_X
http://es.wikipedia.org/wiki/Cristal
http://es.wikipedia.org/wiki/Electron
http://es.wikipedia.org/wiki/Longitud_de_onda
http://es.wikipedia.org/wiki/Longitud_de_onda
http://es.wikipedia.org/wiki/Radio_at%C3%B3mico
http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_de_la_dispersi%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Interferencia_constructiva
http://es.wikipedia.org/wiki/Difracci%C3%B3n
18 
 
2.1.2. Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR) 
Los espectrofotómetros de rayos infrarrojos (IR) convencionales con monocromador es 
difícil acceder a la región de 10 a 400 cm
-1
 (IR lejano); por consecuencia, los primeros 
espectrofotómetros de Transformada de Fourier (TF) se diseñaron para esa región. Este 
método hoy en día se ha extendido a aparatos que permiten barrer toda la región IR, y en 
particular, el IR medio que es la región de mayor interés. Actualmente los 
espectrofotómetros FTIR han desplazado a espectrofotómetros con monocromador 
(dispersivos). Un montaje básico para desarrollar una aplicación de espectroscopia por 
transformada de Fourier consta de una fuente de luz, cuyo haz es introducido en un 
interferómetro de Michelson, este no describe directamente las líneas de un espectro tal 
como se esquematiza en la figura 2.2. En lugar de ello, transporta las frecuencias espaciales 
que describen estas líneas a un interferograma. Realiza físicamente una operación 
equivalente a la transformada de Fourier. 
 
Figura 2.2. Esquema de la técnica FTIR. 
 
2.1.3. Espectrometría de Resonancia Magnética Nuclear (RMN). 
La espectrometría de resonancia magnética nuclear (RMN), es una técnica que explota las 
propiedades magnéticas de ciertos núcleos. Las aplicaciones más importantes para su uso en 
química orgánica son la espectrometría RMN de protones y la de carbono-13. En principio, 
la técnica RMN es aplicable a cualquier núcleo que posea un espín molecular y se obtiene 
demasiada información acerca del componente mediante un espectro RMN. Al igual que se 
utiliza la espectrometría de infrarrojos para identificar grupos funcionales, el análisis de un 
espectro RMN unidimensional proporciona información sobre el número y tipo de entidades 
químicas en una molécula. Cuando se sitúan dentro de un campo magnético, los núcleos 
activos de RMN (como el 
1
 H, o el 
13
C) absorben a una frecuencia característica del isotopo 
19 
 
como se muestra en la figura 2.3. La frecuencia de resonancia, la energía de la absorción y la 
intensidad de la señal son proporcionales a la fuerza del campo magnético. 
 
Figura 2.3. Esquema de la técnica RMN. 
 
2.1.4. Espectroscopia (RAMAN). 
La espectroscopia Raman es una técnica fotónica de alta resolución que proporción en pocos 
segundos información química y estructural de casi cualquier material o compuesto orgánico 
y/o inorgánico. El análisis mediante espectroscopia Raman se basa en aplicación de luz 
dispersada por un material al incidir sobre el un haz de luz monocromático. Una pequeña 
porción de la luz es dispersada inelásticamente experimentando ligeros cambios de 
frecuencia que son característicos del material analizado e independiente de la frecuencia de 
la luz incidente. Se trata de una técnica de análisis que se realiza directamente sobre el 
material a analizar sin necesitar éste ningún tipo de preparación especial y que no conlleva 
ninguna alteración de la superficie sobre la que se realiza el análisis, es decir, es no-
destructiva. La dispersión es la desviación de luz de su dirección original de incidencia. La 
interacción del vector de campo eléctrico de una onda electromagnética con los electrones 
del sistema con el que interactúa da lugar a la dispersión de la luz incidente. Tales 
interacciones inducen oscilaciones periódicas en los electrones del compuesto; por lo tanto, 
produce momentos eléctricos oscilantes. Esto lleva a tener nuevas fuentes emisoras de 
20 
 
radicación, es decir fuentes que remiten radiación en todas las direcciones como se muestra 
en la figura 2.4.
 
 
Figura 2.4. Esquema de la técnica RAMAN. 
 
2.1.5. Espectroscopia de Fotoelectrones emitidos por Rayos X (XPS). 
La técnica XPS analiza las energías de los electrones emitidos cuantitativa y 
cualitativamente. Como fuentes de excitación se usa las líneas K1,2 de Mg o Al que tienen 
energías de 1253.6 y 1486 eV, respectivamente. Se utiliza un tubo de rayos X y se mide la 
energía cinética de los fotoelectrones una vez que salen de la superficie de la muestra. Las 
aplicaciones más importantes de la técnica XPS se basan en el hecho de que la interacción 
de los electrones con la materia es muy fuerte y las energías de los electrones emitidos son 
relativamente bajas por lo que son detenidos muy fácilmente. Solo electrones emitidos que 
han interaccionado en la superficie de la muestra pueden alcanzar el detector par ser 
analizados. Por esto, la técnica XPS es superficial, informa sobre tres o cuatro capas de 
átomos en la superficie de la muestra. Esto se describe esquemáticamente en la figura 2.5.
 
[62]
 
21 
 
 
Figura 2.5. Esquema de la técnica XPS. 
 
2.2. Métodos Experimentales para Propiedades de Transporte. 
Existen diferentes métodos para la determinación de la viscosidad, a continuación se 
describen de manera general los más utilizados y eficientes. 
El método geológico se basa principalmente en los métodos mecánicos, además la tensión y 
alargamiento son valores mecánicos, que se determinan sobre la base de una deformación 
definida de la muestra. También en la medición simultánea, las propiedades eléctricas, 
magnéticas y ópticas cambian durante la deformación
 [63]
. 
En los viscosímetros capilares, la caída de la velocidad requerida para la medición de la 
viscosidad se construye en la forma de un flujo laminar realizando la medición dentro del 
tubo capilar bajo condiciones idealizadas. 
 Flujo laminar en condiciones isotérmicas. 
 Flujo estacionario. 
 Comportamiento de flujo Newtoniano del líquido. 
 Que la viscosidad sea independiente de la presión. 
 Incompresibilidad del líquido. 
 Adherencia del líquido en la pared. 
 
22 
 
2.2.1. Viscosímetro Ubbelohde. 
Un viscosímetro de tipo Ubbelohde o viscosímetro de nivel suspendido, es un instrumento 
de medición que utiliza un método basadoen la capilaridad para la medición de la 
viscosidad y se recomienda para soluciones de polímeros celulósicos de mayor viscosidad. 
La ventaja de este instrumento es que los valores obtenidos son independientes del volumen 
total. 
El viscosímetro Ubbelohde está estrechamente relacionado con el viscosímetro de Ostwald. 
Ambos son material de vidrio en forma de U con un depósito en un lado y una bombilla de 
medición con un capilar en el otro. El líquido se introduce en el depósito y después es 
aspirado a través del capilar y de la bombilla de medición. Se deja que el líquido regrese a 
través de la bombilla de medición y el tiempo que tarda el líquido en pasar a través de dos 
marcas calibradas es una medida de la viscosidad. El dispositivo Ubbelohde tiene un tercer 
brazo que se extiende desde el extremo del capilar y está abierto a la atmosfera. De esta 
manera la caída de presión depende de una altura fija y ya no del volumen total del líquido. 
Un viscosímetro Ubbelohde, es útil para la determinación de la viscosidad cinemática de 
líquidos newtonianos transparentes en el intervalo 0.3 a 100000 mm
2
/s. 
Un viscosímetro posee la misma constante a todas las temperaturas, esta propiedad es 
ventajosa cuando las mediciones se realizan en un intervalo diferente de temperaturas. El 
líquido es inducido a fluir solo hacia abajo de las paredes de la bombilla y por debajo del 
capilar, formando de este modo un nivel suspendido, lo que garantiza que el nivel del 
líquido inferior se fija automáticamente y coincide con el extremo inferior del capilar, 
evitando llenar el viscosímetro con un volumen definido del líquido y la aplicación de las 
correcciones para la expansión de vidrio debido a los cambios de temperatura. 
El viscosímetro se posiciona verticalmente, con el depósito debajo del capilar, para 
introducir el líquido en el tubo de llenado hasta la línea inferior. Se debe realizar con 
cuidado para evitar que el líquido no llegue por encima de la línea de llenado. El tubo en U 
se llena por completo en la parte inferior y debe de estar libre de aire, burbujas y partículas. 
Las ventajas del viscosímetro Ubbelohde son la velocidad de la medición, la precisión (
%1.0 ), pequeño tamaño de muestra y baja susceptibilidad a errores [63-64]. 
 
2.3. Métodos Experimentales para Propiedades Volumétricas. 
En los métodos directos una de las variables PvT es medida como función de las otras dos, 
generalmente un volumen de cantidad conocida de líquido es medido como función de la 
temperatura y la presión. El método estático-sintético funciona como complemento a este 
método, el cual consta de una celda variables como parte principal. La celda se carga con 
23 
 
una cantidad conocida de cada uno de los componentes, se presuriza a temperatura constante 
para diferentes cargas, diferenciándolas solamente por la composición total. Estos valores se 
introducen en un balance de masa para calcular las fracciones mol de cada fase y los dos 
volúmenes molares saturados 
[65]
. Las ventajas que tiene este método son las siguientes: las 
densidades de las mezclas binarias se conocen sin la necesidad de tomar muestras, el equipo 
tiene un arreglo experimental simple, se necesitan pequeñas cantidades de reactivo, la 
presión de la mezcla se ajusta continuamente a una composición y temperatura fija. 
En el caso de los piezómetros, el método está basado en la compresión del fluido de estudio, 
el cual se encuentra dentro de un recipiente con un volumen conocido al igual que la masa 
del fluido que se agrega al recipiente.
 
El picnómetro o botella de gravedad específica, es un frasco de vidrio con un cierre sellado 
que consta de un tapón el cual dispone de un conducto central de diámetro muy pequeño, a 
fin de que el líquido sobrante sea vertido a través de un corte superior a 45º, lo cual permite 
disponer de un volumen con un alto nivel de exactitud entre mediciones. Con la información 
anterior (usando el principio de Arquímedes) se determina la densidad de un fluido en 
referencia a otro fluido de densidad conocida como el agua o el mercurio. Los picnómetros 
de vidrio se usan para medir la densidad de los líquidos no viscosos. En el caso de líquidos 
viscosos, con sedimento o productos especiales como las pinturas, se utilizan picnómetros 
metálicos. Cuando se alcanza las condiciones deseadas se espera a que el sistema se 
encuentre en equilibrio térmico y se determina el peso del recipiente 
[66]
. 
 
2.3.1. Densímetro de Tubo Vibrante (DTV). 
En la técnica de densimetría de tubo vibrante, la densidad se deduce de la frecuencia de 
resonancia que presenta un cuerpo. Por lo general el dispositivo tiene forma de “U” como se 
muestra en la figura 2.7, el cual es un tubo hueco que contiene el fluido a medir. En este 
caso el fluido es parte del sistema vibrante, por lo que se afecta directamente su masa y su 
frecuencia de resonancia, la geometría del tubo evita el uso de ecuaciones indirectas para el 
cálculo de la densidad, siendo así el uso de ecuaciones que relacionan directamente la 
frecuencia de resonancia del densímetro en vibración. 
El DTV consta de un bloque aislante que sujeta los extremos del tubo y lo aísla de 
vibraciones externas. En la sección libre del tubo hueco están montadas dos magnetos y en 
la base del densímetro se encuentran dos bobinas que se prolongan hasta las magnetos. La 
fuente de corriente se conecta a la bobina de entrada y el frecuenciómetro es conectado a la 
bobina de salida. La operación del densímetro consiste en activar la bobina de entrada con la 
fuente de energía, con lo que se aplica una fuerza en el magneto haciendo que el tubo vibre; 
un circuito de retroalimentación optimiza el tiempo entre cada pulso. 
24 
 
 
Figura 2.6. Densímetro de tubo vibrante (DTV). 
 
El tubo vibra transversalmente y el segundo magneto se mueve entrando y saliendo de la 
bobina de salida, este movimiento induce una corriente en una frecuencia igual a la 
vibración del tubo; el frecuencímetro recibe esta señal y mide la frecuencia o periodo natural 
de vibración. Debido a que el periodo de vibración del fluido cambia en función de la 
presión y temperatura, la frecuencia de oscilación del tubo también cambia 
[67]
. 
Con el tubo vibrante de volumen interno ),( PTv y masa 0m , lleno de un fluido con 
densidad  , suspendido en un resorte con constante de elasticidad K (relacionando al 
módulo de Young, longitud, radio del tubo, coeficientes de compresibilidad y expansión 
térmica del material a la temperatura y presión para el tubo vibrante), se tendrá una 
frecuencia de oscilación; conociendo las características mecánicas del tubo, los periodos se 
convierten a densidades. La relación existente entre el periodo de vibración  y la densidad 
del fluido está expresada por la ecuación (2.1). 
B
K






 
12
 
(2.1) 
Donde K y B son parámetros característicos del tubo en U del DTV. B se asume como 
independiente de la presión y temperatura. K es dependiente de la presión y se determina 
midiendo los periodos de vibración de los fluidos de referencia de ecuación conocida, a 
través de la ecuación: 
25 
 
2
2
2
1
21),(





PK
 
(2.2) 
Donde 2121 ,,, 
 
son las densidades y periodos de vibración de fluidos de referencia, 
generalmente estas densidades se encuentran entre el límite superior e inferior de la densidad 
del fluido en estudio. Para densidades bajas el fluido de referencia utilizado comúnmente es 
el nitrógeno, y desde las condiciones de vacío. 
Este método es rápido y preciso en la determinación de densidades experimentales. Por este 
motivo, el DTV se combina con el método sintético para medir simultáneamente el 
equilibrio de fases (líquido-vapor) y sus respectivas densidades en la saturación 
[68]
. 
 
 
26 
 
CAPÍTULO III 
 
METODOLOGÍA Y EQUIPO EXPERIMENTAL 
 
En este apartado se describen a detalle las