Propriedades de Superfície do Óxido de Zinco

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EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE SUPERFICIE DEL ÓXIDO DE 
ZINC Y SU ACTIVIDAD CATALÍTICA EN LA TRANSESTERIFICACIÓN DE 
ACEITE DE PALMA CON METANOL 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEICY BARRERA DIAZ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 
BOGOTA D.C. 
2006 
IQ-2006-I-03 
 2
EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES DE SUPERFICIE DEL ÓXIDO DE 
ZINC Y SU ACTIVIDAD CATALÍTICA EN LA TRANSESTERIFICACIÓN DE 
ACEITE DE PALMA CON METANOL 
 
 
 
 
 
 
DEICY BARRERA DIAZ 
 
 
 
 
 
 
 
Proyecto de grado para optar al título de 
Ingeniera Química 
 
 
 
 
Asesores 
 
MIGUEL ÁNGEL MOLANO M.Sc. 
JUAN CARLOS MORENO PhD. 
GABRIEL CAMARGO M.Sc. 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA 
BOGOTA D.C. 
2006 
IQ-2006-I-03 
 3
 
 
 
 
 
 
 
 
A mi padre quien aunque no estuvo presente físicamente, 
siempre fue una razón para seguir adelante. 
 
A mi madre, quien siempre tuvo tiempo, dedicación, amor 
 y confianza para ofrecerme. Quien nunca me dejó caer y 
 siempre siguió creyendo en mí. 
 
 A mi hermano, quien siempre ha sido mi ejemplo, por 
apoyar cada una de mis decisiones y alegrarse con cada 
uno de mis triunfos, por permitirme explorar siempre 
 cosas nuevas. 
 
A Juan quien me ha dado siempre su amor y apoyo y quien 
ha confiado en mí y me ha ayudado en cada paso 
para realizar este proyecto. Gracias por darme siempre 
mucho más… 
 
A mis amigos por estar siempre ahí, por apoyarme, 
escucharme y compartir conmigo cada momento de 
este proyecto y de mi vida. 
IQ-2006-I-03 
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AGRADECIMIENTOS 
 
 
 Quiero expresar mis agradecimientos a Miguel Ángel Molano por sus 
conocimientos, su tiempo y su paciencia; por su confianza y por trabajar para que 
este proyecto tuviera los mejores resultados. 
 
 A Juan Carlos Moreno y Vanesa quienes aportaron sus conocimientos, tiempo y 
dedicación para llevar a cabo la ejecución de este proyecto y tuvieron la mejor 
disposición para ayudarme siempre. 
 
 A Gabriel Camargo, quien siempre ha sido una persona muy humana y con 
muchos conocimientos para aportar. Agradezco su apoyo no solo en este proyecto 
sino en muchas otras cosas a lo largo de mi carrera. 
 
 A Rigoberto Gómez, quien desde el primer día mostró su disponibilidad para 
aportarme sus conocimientos y quien en todo este proceso siempre tuvo la mejor 
actitud para proporcionarme soluciones técnicas y teóricas. 
 
 A Luis Fernando y Sandra por tener siempre una sonrisa y una gran 
disponibilidad para ayudar. Al personal de Química, a todos y cada uno de ellos, 
muchas gracias. 
 
 A las personas de Ingeniería Química que me aportaron tanto conocimientos 
como apoyo en el transcurso de mi carrera. 
 
A todos los que aportaron de una u otra forma su ayuda y siempre estuvieron 
presentes a lo largo de este proyecto. 
 
IQ-2006-I-03 
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TABLA DE CONTENIDO 
 
 
 
INTRODUCCIÓN................................................................................................................13 
 
1. OBJETIVOS ...............................................................................................................15 
11..11.. OObbjjeettiivvoo ggeenneerraall.................................................................................................................................................................................................... 1155 
11..22.. OObbjjeettiivvooss eessppeeccííffiiccooss .................................................................................................................................................................................... 1155 
 
2. MARCO TEÓRICO.....................................................................................................16 
22..11.. EEsstteerreess mmeettíílliiccooss ((BBiiooddiieesseell)) ............................................................................................................................................................ 1166 
2.1.1. Reacción de transesterificación ..................................................................17 
2.1.1.1. Fundamentos de la reacción ......................................................................18 
2.1.1.2. Factores influyentes en la reacción ...........................................................19 
22..22.. CCaattáálliissiiss ............................................................................................................................................................................................................................ 2211 
2.2.1. Catálisis homogénea ..................................................................................22 
2.2.2. Catálisis heterogénea .................................................................................23 
22..33.. AAddssoorrcciióónn........................................................................................................................................................................................................................ 2244 
2.3.1. Fundamentos de adsorción ........................................................................24 
2.3.2. Isotermas de adsorción...............................................................................26 
2.3.3. Modelo BET (Branauer- Emmett-Teller) .....................................................30 
22..44.. CCaattaalliizzaaddoorreess ............................................................................................................................................................................................................ 3311 
2.4.1. Selección del catalizador ............................................................................31 
2.4.2. Catalizadores heterogéneos .......................................................................33 
2.4.3. Métodos de preparación .............................................................................34 
2.4.3.1. Impregnación ................................................................................................34 
2.4.3.2. Sol – gel .........................................................................................................36 
 
3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ............................................................................39 
33..11.. CCaattaalliizzaaddoorreess ............................................................................................................................................................................................................ 3399 
3.1.1. Impregnación ..............................................................................................39 
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 6
3.1.1.1. ZnO/γ-alúmina ...............................................................................................39 
3.1.1.2. ZnO/Faujasita Y ............................................................................................42 
3.1.2. Sol – gel ......................................................................................................45 
33..22.. ÉÉsstteerreess mmeettíílliiccooss ................................................................................................................................................................................................ 4499 
3.2.1. Reacción de transesterificación ..................................................................49 
3.2.2. Separación de productos ............................................................................51 
3.2.2.1. Filtración al vacío..........................................................................................52 
3.2.2.3. Evaporación ..................................................................................................54 
3.2.2.4.Segunda decantación ..................................................................................54 
3.2.2.5. Lavado............................................................................................................55 
 
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS.......................................................................................56 
44..11.. CCaarraacctteerriizzaacciióónn ddee llooss ccaattaalliizzaaddoorreess .................................................................................................................................... 5566 
4.1.1. Difracción de rayos X..................................................................................56 
4.1.1.1. ZnO/γ-alúmina ...............................................................................................56 
4.1.1.2. ZnO/Faujasita Y ............................................................................................64 
4.1.1.3. ZnO ruta sol-gel ............................................................................................67 
4.1.2. Espectroscopía de absorción atómica ........................................................69 
4.1.2.1. ZnO/γ-alúmina ...............................................................................................69 
4.1.2.2. ZnO/Faujasita Y ............................................................................................70 
4.1.3. Análisis termogravimétrico..........................................................................70 
4.1.3.1. ZnO/γ-alúmina ...............................................................................................71 
4.1.3.2. ZnO/Faujasita Y ............................................................................................78 
4.1.4. Caracterización de superficie. Área superficial y distribución de 
tamaño de poro…….. .................................................................................................80 
4.1.4.1. ZnO/γ-alúmina ...............................................................................................81 
4.1.4.2. ZnO/Faujasita Y ............................................................................................85 
4.1.4.3. ZnO ruta sol-gel ............................................................................................89 
4.1.5. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de ZnO/γ-alúmina.....................92 
4.1.6. Análisis de dispersión de rayos X (EDX) de ZnO/γ-alúmina ......................97 
 
 
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44..22.. CCaarraacctteerriizzaacciióónn éésstteerreess mmeettíílliiccooss .............................................................................................................................................. 9988 
4.2.1. Espectroscopía de infrarrojo .......................................................................99 
4.2.2. Cromatografía de gases ...........................................................................100 
4.2.3. Densidad - Viscosidad ..............................................................................105 
 
5. CONCLUSIONES.....................................................................................................107 
 
6. RECOMENDACIONES ............................................................................................108 
 
7. BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................109 
 
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ÍNDICE DE TABLAS 
 
 
Tabla 1. Contaminación proporcionada por el biodiesel frente al diesel tradicional ...........16 
Tabla 2. Propiedades físico – químicas Biodiesel vs. Diesel .................................................17 
Tabla 3. Soportes catalíticos de uso más frecuente y sus áreas superficiales ...................35 
Tabla 4. Factores y niveles definidos en la síntesis de ZnO/γ-alúmina .................................39 
Tabla 5. Cantidades requeridas para las soluciones de impregnación .................................41 
Tabla 6. Factor y niveles definidos en la síntesis de ZnO/Faujasita Y ..................................42 
Tabla 7. Cantidades requeridas en la síntesis de ZnO/Faujasita Y .......................................44 
Tabla 8. Volúmenes requeridos en la síntesis de ZnO/Faujasita Y .......................................44 
Tabla 9. Factores y niveles definidos en la síntesis de ZnO ruta sol-gel ..............................46 
Tabla 10. Factores y niveles definidos en la producción de biodiesel...................................50 
Tabla 11. Concentración de Zn en ZnO/γ-alúmina ...................................................................70 
Tabla 12. Concentración de Zn en ZnO/Faujasita Y ................................................................70 
Tabla 13. Análisis termogravimétrico γ-alúmina sin impregnar...............................................71 
Tabla 14. Análisis termogravimétrico ZnO/γ-alúmina. Tiempo de impregnación de 1h ......73 
Tabla 15. Análisis termogravimétrico ZnO/γ-alúmina. Tiempo de impregnación de 
12.5h .................................................................................................................................................75 
Tabla 16. Análisis termogravimétrico ZnO/γ-alúmina. Tiempo de impregnación de 
24h.....................................................................................................................................................77 
Tabla 17. Análisis termogravimétrico Faujasita Y sin impregnar............................................78 
Tabla 18. Análisis termogravimétrico ZnO/Faujasita Y ............................................................80 
Tabla 19. Áreas superficiales de ZnO sintetizado y comercial ...............................................91 
Tabla 20. Composiciones SEM ZnO/γ-alúmina 0.1M, 1h. Grano...........................................93 
Tabla 21. Composiciones SEM ZnO/γ-alúmina 0.1M, 1h. Retrofundido ...............................93 
Tabla 22. Composiciones SEM ZnO/γ-alúmina 1M, 1h ...........................................................94 
Tabla 23. Composiciones SEM ZnO/γ-alúmina 0.1M, 24h ......................................................95 
Tabla 24. Composiciones SEM ZnO/γ-alúmina 1M, 1h ...........................................................95 
Tabla 25. Composiciones SEM ZnO/γ-alúmina 1M, 24h .........................................................96 
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Tabla 26. Concentración de metiles presentes en biodiesel obtenido con 
ZnO/γ-alúmina................................................................................................................................101 
Tabla 27. Rendimiento de biodiesel obtenido con ZnO/γ-alúmina ......................................102 
Tabla 28. Concentración de metiles presentes en biodiesel obtenido con 
ZnO/Faujasita Y.............................................................................................................................102 
Tabla 29. Rendimiento de biodiesel obtenido con ZnO/Faujasita Y ...................................103 
Tabla 30. Concentración de metiles presentes en biodiesel obtenido con ZnO 
ruta sol-gel......................................................................................................................................104 
Tabla 31. Rendimiento de biodiesel obtenido con ZnO ruta sol-gel ...................................104 
Tabla 32. Rendimientos obtenidos con diferentes catalizadores .........................................105 
Tabla 33. Densidades de biodiesel obtenido con los diferentes catalizadores ..................105 
Tabla 34. Viscosidades de biodiesel obtenido con los diferentes catalizadores................106 
 
 
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ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 
 
Figura 1. Ecuación general de transesterificación ....................................................................18Figura 2. Ecuación general de la transesterificación de triglicéridos .....................................18 
Figura 3. Etapas involucradas en la reacción de superficie ....................................................26 
Figura 4. Tipos de isotermas de adsorción según la IUPAC ..................................................27 
Figura 5. Ecuación de linealización modelo BET......................................................................30 
Figura 6. Reacción de hidrólisis...................................................................................................38 
Figura 7. Reacción de condensación..........................................................................................38 
Figura 8. Proceso de síntesis de ZnO/γ-alúmina .....................................................................40 
Figura 9. Impregnación ZnO/γ-alúmina ......................................................................................42 
Figura 10. Proceso de síntesis de ZnO/Faujasita Y .................................................................43 
Figura 11. Impregnación ZnO/Faujasita Y .................................................................................45 
Figura 12. Proceso de síntesis de ZnO ruta sol-gel .................................................................46 
Figura 13. Disolución en etanol en síntesis de ZnO ruta sol-gel ............................................48 
Figura 14. ZnO obtenido mediante ruta sol-gel.........................................................................49 
Figura 15. Montaje usado en la producción de biodiesel ........................................................50 
Figura 16. Esquema general de la producción de biodiesel ...................................................51 
Figura 17. Montaje filtración al vacío ..........................................................................................52 
Figura 18. Fases formadas primera decantación .....................................................................53 
Figura 19. Montaje recuperación de metanol ............................................................................54 
Figura 20. Fases formadas segunda decantación....................................................................55 
Figura 21. Lavado de ésteres metílicos......................................................................................55 
Figura 22. Difractograma γ-alúmina sin impregnar ...................................................................57 
Figura 23. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 0.1M y 1h .............................................................58 
Figura 24. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 0.1M y 12.5h ........................................................58 
Figura 25. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 0.1M y 24h ...........................................................59 
Figura 26. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 0.55M y 1h ...........................................................60 
Figura 27. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 0.55M y 12.5h......................................................60 
Figura 28. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 0.55M y 24h .........................................................61 
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 11
Figura 29. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 1M y 1h .................................................................62 
Figura 30. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 1M y 12.5h ...........................................................62 
Figura 31. Difractograma ZnO/γ-alúmina a 1M y 24h..............................................................63 
Figura 32. Difractograma ZnO comercial....................................................................................64 
Figura 33. Difractograma Faujasita Y sin impregnar ................................................................65 
Figura 34. Difractograma ZnO/Faujasita Y a 0.1M ...................................................................66 
Figura 35. Difractograma ZnO/Faujasita Y a 0.55M .................................................................66 
Figura 36. Difractograma ZnO/Faujasita Y a 1M ......................................................................67 
Figura 37. Difractograma ZnO ruta sol-gel.................................................................................68 
Figura 38. Superposición ángulos ZnO comercial y ZnO ruta sol-gel ...................................68 
Figura 39. Curva de calibración para la determinación de Zn ................................................69 
Figura 40. Termograma γ-alúmina sin impregnar .....................................................................71 
Figura 41. Termograma ZnO/γ-alúmina a 0.1M y 1h................................................................72 
Figura 42. Termograma ZnO/γ-alúmina a 0.55M y 1h.............................................................72 
Figura 43. Termograma ZnO/γ-alúmina a 1M y 1h ..................................................................73 
Figura 44. Termograma ZnO/γ-alúmina a 0.1M y 12.5h .........................................................74 
Figura 45. Termograma ZnO/γ-alúmina a 0.55M y 12.5h .......................................................74 
Figura 46. Termograma ZnO/γ-alúmina a 1M y 12.5h.............................................................75 
Figura 47. Termograma ZnO/γ-alúmina a 0.1M y 24h.............................................................76 
Figura 48. Termograma ZnO/γ-alúmina a 0.55M y 24h ..........................................................76 
Figura 49. Termograma ZnO/γ-alúmina a 1M y 24h ................................................................77 
Figura 50. Termograma Faujasita Y sin impregnar ..................................................................78 
Figura 51. Termograma ZnO/Faujasita Y a 0.1M .....................................................................79 
Figura 52. Termograma ZnO/Faujasita Y a 0.55M ...................................................................79 
Figura 53. Termograma ZnO/Faujasita Y a 1M.........................................................................80 
Figura 54. Isoterma de adsorción γ-alúmina sin impregnar.....................................................81 
Figura 55. Linealización (BET) γ-alúmina sin impregnar .........................................................82 
Figura 56. Distribución de tamaño de poro de γ-alúmina sin impregnar ...............................82 
Figura 57. Isoterma de adsorción ZnO/γ-alúmina 1M, 24h .....................................................83 
Figura 58. Linealización (BET) ZnO/γ-alúmina 1M, 24h...........................................................84 
Figura 59. Distribución de tamaño de poro ZnO/γ-alúmina 1M, 24h......................................84 
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Figura 60. Isoterma de adsorción Faujasita Y sin impregnar..................................................85 
Figura 61. Linealización (BET) Faujasita Y sin impregnar.......................................................86 
Figura 62. Distribución de tamaño de poro Faujasita Y sin impregnar ..................................86 
Figura 63. Isoterma de adsorción ZnO/Faujasita Y, 1M. .........................................................87 
Figura 64. Linealización (BET) ZnO/Faujasita Y, 1M ...............................................................88 
Figura 65. Distribución de tamaño de poro de ZnO/Faujasita Y, 1M. ....................................89 
Figura 66. Isoterma de adsorción ZnO ruta sol-gel ..................................................................89 
Figura 67. Linealización (BET) ZnO ruta sol-gel .......................................................................90 
Figura 68. Linealización ZnO comercial .....................................................................................90 
Figura 69. Distribución de tamañode poro ZnO ruta sol-gel ..................................................91 
Figura 70. Relación de tamaño de poro entre los diferentes catalizadores..........................92 
Figura 71. SEM ZnO/γ-alúmina 0.1M, 1h. Grano ......................................................................92 
Figura 72. SEM ZnO/γ-alúmina 0.1M. 1h. Retrofundido ..........................................................93 
Figura 73. SEM ZnO/γ-alúmina 1M, 1h ......................................................................................94 
Figura 74. SEM ZnO/γ-alúmina 0.1M, 24h .................................................................................94 
Figura 75. SEM ZnO/γ-alúmina 1M, 1h ......................................................................................95 
Figura 76. SEM ZnO/γ-alúmina 1M, 24h ....................................................................................96 
Figura 77. Espectro ZnO/γ-alúmina 0.1M, 1h. Fondo .............................................................97 
Figura 78. Espectro ZnO/γ-alúmina 0.1M, 1h. Grano.............................................................98 
Figura 79. Infrarrojo de aceite de palma.....................................................................................99 
Figura 80. Infrarrojo de biodiesel producido ............................................................................100 
Figura 81. Cromatograma de biodiesel obtenido con ZnO/γ-alúmina ................................101 
Figura 82. Cromatograma de biodiesel obtenido con ZnO/Faujasita Y..............................102 
Figura 83. Cromatograma de biodiesel obtenido con ZnO ruta sol-gel..............................103 
 
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 13
INTRODUCCIÓN 
 
 
Más del 90% de los combustibles son sintetizados sobre un catalizador y un 80% de 
todos los productos químicos son producidos con ayuda de catálisis [1]. El objetivo 
de la catálisis industrial es hacer innovaciones concretas en la optimización de 
diferentes reacciones, que resulten en mejores procesos y en términos económicos 
más favorables. 
 
En este proyecto se hace uso de la catálisis heterogénea en la reacción de 
transesterificación para la producción de ésteres metílicos a partir de aceite de 
palma. La posición de Colombia como competidor en la producción de esta materia 
prima es muy favorable, pues ocupa el cuarto lugar como productor y es reconocido 
a nivel mundial. Con estas condiciones, fomentar el desarrollo de la oleoquímica en 
el país, se convierte en un factor fundamental para dar un valor agregado al aceite 
de palma. Adicionalmente, el balance energético del biodiesel considerando la 
diferencia entre la energía que produce y la energía necesaria para la producción 
del mismo, desde la fase agrícola hasta la fase industrial es positivo al menos en un 
30%, es decir, que desde el punto de vista energético no agota los recursos 
naturales[2]. 
 
Debido a los grandes beneficios que genera la producción de biodiesel a partir de la 
transesterificación de aceite de palma, por ser un combustible renovable y de baja 
toxicidad, éste se ha convertido en una de las alternativas más acertadas de 
sustitución energética que a la vez responde a la necesidad de proteger el medio 
ambiente. 
 
 
Uno de los principales problemas encontrados previamente en la producción de 
biodiesel [3] fue sin lugar a dudas el bajo rendimiento obtenido. Dado que el 
catalizador es uno de los mayores influyentes en el proceso de transesterificación de 
aceite de palma, éste debe cumplir con algunos requerimientos que no solo permitan 
IQ-2006-I-03 
 14
que la reacción se lleve a cabo, sino que además permitan la obtención de un 
rendimiento considerable. 
Los requerimientos principales del catalizador y por los cuales se realiza este proyecto 
de grado son: una alta área superficial y un tamaño de poro adecuado, el cual debe 
ser mayor al del triglicérido para que éste pueda ser adsorbido. La búsqueda de estos 
requerimientos se hace con el fin de proporcionar mayor área de reacción y, por lo 
tanto, mayor número de sitios activos en donde se lleve a cabo la reacción de 
transesterificación. 
 
El problema que se plantea en la preparación de catalizadores es encontrar un 
método que permita dispersar la fase activa con la mayor extensión posible sobre la 
superficie del soporte para tener mayor cantidad de sitios activos y, por lo tanto, una 
mayor eficiencia del catalizador. En este proyecto se emplean dos métodos de 
obtención, impregnación y sol-gel, del catalizador escogido, óxido de zinc, el cual es 
considerado como un catalizador ácido y, de acuerdo a estudios realizados 
previamente, permite obtener uno de los mayores rendimientos en comparación a 
otros catalizadores [4, 5, 6]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 15
1. OBJETIVOS 
 
 
11..11.. OObbjjeettiivvoo ggeenneerraall 
 
 
Sintetizar catalizadores de óxido de zinc, con una alta área superficial y un tamaño 
de poro adecuado para mejorar el rendimiento en la producción de biodiesel. 
 
11..22.. OObbjjeettiivvooss eessppeeccííffiiccooss 
 
 
• Sintetizar óxido de zinc soportado sobre γ-alúmina utilizando la técnica de 
impregnación. 
 
• Sintetizar óxido de zinc soportado sobre la zeolita Faujasita Y, utilizando la 
técnica de impregnación. 
 
• Sintetizar óxido de zinc utilizando el método Sol-Gel. 
 
• Caracterizar los catalizadores obtenidos por medio de: difracción de rayos X, 
análisis termogravimétrico y espectroscopía de absorción atómica. 
 
• Realizar una caracterización de superficie: área superficial y distribución de 
tamaño de poro para cada uno de los catalizadores obtenidos. 
 
• Evaluar la actividad catalítica en la reacción de transesterificación de aceite 
de palma y metanol en la producción de ésteres metílicos. 
 
• Evaluar el desempeño de los catalizadores en los ésteres metílicos 
producidos. 
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 16
2. MARCO TEÓRICO 
 
22..11.. ÉÉsstteerreess mmeettíílliiccooss ((BBiiooddiieesseell)) 
 
 
El biodiesel son ésteres de mono alquilo constituidos por cadenas largas de ácidos 
grasos derivados de materias primas renovables, aceites vegetales o animales, 
para ser usado como combustible. Los aceites vegetales usualmente contienen 
ácidos grasos libres (FFA), esteroles, agua y otras impurezas, por esta razón el 
aceite no puede ser usado directamente. Para superar estos problemas el aceite 
requiere modificaciones químicas principalmente transesterificación, pirolisis y 
emulsificación. Entre estos la transesterificación es la clave y el principal paso para 
producir un combustible limpio y medioambientalmente seguro a partir de aceites 
vegetales [7]. 
 
El biodiesel es considerado como un posible sustituto del combustible 
convencional, compuesto de ésteres metílicos que pueden ser obtenidos desde 
triglicéridos en aceites vegetales por medio de la transesterificación con metanol. 
Este biocombustible posee las mismas propiedades del diesel obtenido de la 
refinación del petróleo y puede ser mezclado con éste en cualquier proporción. 
 
Desde el punto de vista de inflamabilidad y toxicidad, es más seguro que el 
combustible no renovable, no es peligroso para el medio ambiente y es 
biodegradable, lo cual lo convierte en una eficiente alternativa de sustitución 
energética. La tabla 1 muestra la disminución de los principales contaminantes del 
diesel tradicional frente al biodiesel. 
 
Tabla 1. Contaminación proporcionada por el biodiesel frente al diesel tradicional [8] 
CO SO2 
MATERIAL 
PARTICULADO 
PRODUCTOS ORGÁNICOS 
AROMÁTICOS 
BALANCE DE 
CO2 
50% 
inferior 
No hay 
emisión 
65% inferior No contiene 
Reabsorbido por 
los vegetales 
 
IQ-2006-I-03 
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La tabla 2 muestra las propiedades del biodiesel frente al diesel derivado del 
petróleo. 
 
Tabla 2. Propiedades físico – químicas Biodiesel vs. Diesel [8]PROPIEDADES FÍSICO - QUÍMICAS 
BIODIESEL 
ASTM D975 
DIESEL 
ASTM D6751
Composición del combustible 
Éster metílico 
Ácidos grasos
C12 – C22 
Hidrocarburo 
C10 – C21 
Capacidad calorífica (kcal/kg) 9500 10800 
Viscosidad cinemática a 40°C (mm2/s) 1.9 – 4.1 1.9 – 6 
Peso específico (g/cm3) 0.875 – 0.9 0.85 
% de azufre 0 0.2 
Punto de ebullición (°C) 100 – 170 60 – 80 
Punto de inflamación (°C) 120 – 170 60 – 80 
Punto de nube (°C) -15 – 5 -3 – 12 
Número de cetanos 48 - 60 46 
 
 
2.1.1. Reacción de transesterificación 
 
 
La transesterificación es el desplazamiento de un alcohol desde un éster a otro, en 
un proceso similar a la hidrólisis, excepto que el alcohol es usado en lugar del 
agua [9]. En la transesterificación de diferentes tipos de aceites, los triglicéridos 
reaccionan con un alcohol, generalmente metanol o etanol, para producir ésteres y 
glicerina, para hacer esto posible es necesaria la adición de un catalizador a la 
reacción [10]. Este proceso ha sido usado para reducir la alta viscosidad de los 
triglicéridos. La transesterificación es la reacción mediante la cual es posible 
obtener biodiesel controlando algunos factores influyentes tales como relación molar 
entre el metanol y el aceite de palma y la cantidad de catalizador. La reacción de 
transesterificación se muestra en la figura 1. 
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 18
 
Figura 1. Ecuación general de transesterificación [7] 
 
2.1.1.1. Fundamentos de la reacción 
 
 
La transesterificación de triglicéridos es una reacción reversible que produce ácidos 
grasos, éster alquilo y glicerol. Los diglicéridos y los monoglicéridos son productos 
intermedios en este proceso. Cuando la transesterificación se lleva a cabo con 
metanol, la reacción recibe el nombre de metanolisis, la cual se muestra en la 
figura 2. 
 
 
Figura 2. Ecuación general de la transesterificación de triglicéridos [7] 
 
 
En esta reacción el equilibrio pueda desplazarse tanto a los productos como a los 
reactivos, sin embargo, un pequeño exceso de alcohol hace que el equilibrio de la 
reacción favorezca la selectividad. Esta relación molar, aceite:metanol, es uno de 
los factores influyentes en la transesterificación, pues de éste depende en gran 
parte que se puedan alcanzar mayores o menores rendimientos en la reacción. 
 
El alcohol escogido, metanol, ha sido el más utilizado en la producción de biodiesel, 
ya que es el más reactivo debido a su bajo peso molecular y menor impedimento 
estérico, favoreciendo así la reacción de transesterificación [8]. Adicionalmente, la 
temperatura de operación es menor que si se llevara a cabo con otros alcoholes 
como etanol y butanol [2]. 
 
IQ-2006-I-03 
 19
La producción de biodiesel, requiere de un catalizador el cual puede ser de 
naturaleza ácida, básica o enzimática [3] que acelere la velocidad de reacción y que 
permita obtener altas conversiones, y aunque se ha estudiado la transesterificación 
con ausencia de catalizador, las condiciones para que ésta se de son supercríticas. 
 
2.1.1.2. Factores influyentes en la reacción 
 
 
En la reacción de transesterificación, existen varios factores que influyen en su 
rendimiento y selectividad, siendo fundamental la correcta escogencia y 
manipulación de ellos para alcanzarlo. 
 
• Efecto de ácidos grasos y humedad. Los contenidos de estos dos factores 
son parámetros clave en la determinación de la viabilidad de la reacción. 
Los triglicéridos deben tener baja acidez, pues el exceso de ésta puede 
reflejarse en una baja eficiencia de conversión, especialmente cuando se 
trata de una catálisis básica, ya que generan la neutralización de los ácidos 
grasos con el catalizador. 
 
• Relación molar aceite:alcohol. Esta es una de las variables más importantes 
que afectan la selectividad en la reacción de transesterificación. 
Teóricamente la relación estequiométrica requerida es 1:3, una mol de 
triglicéridos por tres moles de alcohol, sin embargo, la transesterificación es 
una reacción de equilibrio en la cual se requiere un exceso de alcohol para 
desplazar la reacción hacia la derecha, es decir, hacia los productos. A 
medida que aumenta esta relación, disminuyen la cantidad de mono, di y 
triglicéridos, dando un mayor porcentaje a la producción de ésteres metílicos. 
 
• Tipo de alcohol. La reacción de transesterificación se lleva a cabo más 
fácilmente con metanol. Tanto este alcohol como el etanol no son miscibles 
con los triglicéridos a temperatura ambiente y es necesario realizar una 
agitación mecánica para favorecer la transferencia de masa. Sin embargo, 
IQ-2006-I-03 
 20
en el transcurso de la reacción se da la formación de emulsiones, las cuales, 
en el caso de la metanolisis, son fácil y rápidamente disueltas, formando una 
capa inferior rica en glicerol y una superior rica en ésteres metílicos. En el 
caso de la etanolisis, estas emulsiones son más estables convirtiendo el 
proceso de separación y purificación de ésteres metílicos en algo más 
complejo. El alcohol seleccionado debe ser esencialmente anhidro 
(0.1 – 0.3 wt% de contenido de agua o menor). El contenido de agua en las 
materias primas promueve la hidrólisis de los ésteres a ácidos grasos libres y 
por lo tanto la formación de jabones. 
 
• Tipo de catalizador. La reacción de transesterificación requiere un 
catalizador con el fin de obtener valores de conversión razonables. La 
naturaleza del catalizador es fundamental pues este determina los límites de 
composición con respecto a la materia prima. Adicionalmente, las 
condiciones y operaciones de separación posteriores a la reacción son 
determinadas por la naturaleza del catalizador usado [8]. Normalmente, el 
biodiesel es obtenido usando catalizadores básicos tales metóxidos e 
hidróxidos de sodio y potasio. Sin embargo, investigaciones en la 
producción de biodiesel empleando como materia prima diferentes aceites 
han demostrado que el ZnO presenta altos porcentajes de conversión y 
altos niveles de pureza [4, 5, 6]. 
 
El uso de catalizadores homogéneos, aunque efectivo, conlleva serios 
problemas de contaminación que hacen indispensable la adición al proceso 
de adecuadas operaciones de separación y purificación de los productos, lo 
cual refleja un incremento en los costos de producción. Por esta razón, un 
proceso con operaciones unitarias mínimas en la producción de biodiesel, 
limitando procesos de separación, se logra con un catalizador heterogéneo 
(sólido) que presente un buen desempeño en la reacción. Los catalizadores 
heterogéneos simplifican la separación y purificación de productos y reducen 
la generación de subproductos indeseados [8]. 
 
IQ-2006-I-03 
 21
• Temperatura y tiempo de reacción. La transesterificación puede ocurrir a 
diferentes temperaturas, dependiendo del aceite usado. Este es un factor 
que influencia de forma importante la reacción. Con respecto al tiempo, La 
conversión de la reacción crece con el incremento de éste y dependiendo si 
la catálisis se lleva a cabo con catalizadores homogéneos o heterogéneos, 
éste puede variar. A medida que la temperatura se incrementa, el 
rendimiento de la reacción también lo hace, sin embargo, después de un 
determinado tiempo la variación de una mayor o menor temperatura no 
afecta considerablemente el rendimiento de la reacción. La 
transesterificación ha sido estudiada a diferentes temperaturas, desde 45°C 
hasta 250°C [3] y a partir de la temperatura se determina la presión 
necesaria para que la reacción no tenga cambios de fase. 
 
• Velocidad de agitación. La intensidad de mezclado es una variable muy 
importante en la reacción de transesterificación ya que las materias primas 
son inmiscibles entre sí. Para llevar a cabo la reacción es necesario que las 
fases se mezclen y por lo tanto para la reacción para disminuir las 
limitaciones por transferencia demasa; esta agitación debe garantizar un 
régimen turbulento, es decir, números de Reynolds mayores a 10000 [11]. 
 
22..22.. CCaattáálliissiiss 
 
 
El proceso de catálisis consiste en la modificación de la velocidad de una reacción 
química mediante la adición de una cantidad relativamente pequeña de una 
sustancia, llamada catalizador, que interviene indirectamente en la reacción, y que 
se regenera al final del proceso. Una reacción química puede llevarse a cabo en 
fase sólida, en fase líquida o en fase gaseosa, o ésta también puede producirse en 
una interfase. Los dos principales tipos de catálisis, homogénea y heterogénea, se 
pueden clasificar de acuerdo a las fases involucradas en el proceso; cuando la 
reacción tiene lugar dentro de una fase, es llamada catálisis homogénea; si la 
reacción ocurre en una interfase es llamada catálisis heterogénea [12]. 
IQ-2006-I-03 
 22
2.2.1. Catálisis homogénea 
 
En este tipo de catálisis, los productos y los catalizadores están en la misma fase, 
generalmente en fase líquida. En catálisis homogénea, los catalizadores son ácidos 
solubles, bases o sales y compuestos organometálicos. El catalizador se disuelve 
en un solvente el cual también puede ser el reactante o los productos mismos. La 
catálisis homogénea presenta tanto ventajas como desventajas en las reacciones en 
las que es involucrada. 
 
Entre las vveennttaajjaass de la catálisis homogénea están [13, 14]: 
 
• Utilización de casi todas las moléculas del catalizador en la reacción. 
• Alta selectividad en algunas reacciones, especialmente en la síntesis de 
compuestos activos. 
• Fácil control de la temperatura para reacciones altamente exotérmicas. 
• Alta selectividad alcanzada ya que es posible operar a condiciones 
relativamente fáciles, por ejemplo, en reacciones de oxidación. 
• Mecanismos de reacción más sencillos. 
 
Entre las ddeessvveennttaajjaass de este tipo de catálisis se encuentran [13]: 
 
• Procedimientos de separación y recuperación de catalizador costosos. 
• Serios problemas de corrosión cuando se emplean catalizadores ácidos o 
solventes. 
• Costosos tratamientos cuando entre los subproductos se obtienen líquidos 
tóxicos o en la regeneración y reciclo del catalizador. 
• La posibilidad de contaminar los productos finales con el catalizador. 
• Las limitaciones de transferencia de masa gas – líquido en casos donde uno 
de los reactantes es un gas, por ejemplo oxígeno e hidrógeno. 
 
IQ-2006-I-03 
 23
2.2.2. Catálisis heterogénea 
 
En la catálisis heterogénea, existen dos fases y una superficie de contacto. La 
reacción se lleva a cabo en esta superficie de contacto y el fluido es una reserva de 
moléculas por transformar o que ya reaccionaron. Los catalizadores, los reactivos y 
los productos se encuentran en fases diferentes. Generalmente el catalizador es un 
sólido, y los reactantes y productos se encuentran en fase líquida o como vapor. En 
este tipo de catálisis el fenómeno catalítico está relacionado estrechamente con las 
propiedades de superficie del catalizador [14]. 
 
En este tipo de catálisis los catalizadores son sólidos inorgánicos, tales como 
óxidos metálicos, sulfuros o cloruros, o sólidos orgánicos tales como polímeros 
modificados [13]. 
 
Las vveennttaajjaass que presenta este tipo de catálisis son [13]: 
 
• Fácil separación del catalizador de los productos y reactivos. 
• Eliminación de problemas de corrosión y tratamientos de desechos líquidos. 
 
Entre las ddeessvveennttaajjaass presentadas por la catálisis heterogénea están [13]: 
 
• Difícil control de la temperatura para reacciones muy exotérmicas, 
• Limitaciones de transferencia de masa de reactantes y productos. 
• Requerimientos de altas resistencias mecánicas para el catalizador. 
 
Para que el fenómeno catalítico ocurra, es necesaria una interacción entre el 
catalizador y el sistema reactivos – productos sin afectar la naturaleza química del 
catalizador, excepto en la superficie, es decir, la interacción entre el catalizador y el 
o los reactivos se debe llevar a cabo en la superficie del primero y no involucrar su 
estructura interna, relacionando así, la catálisis heterogénea con la adsorción de 
moléculas de una fase líquida o gaseosa en la superficie de un sólido. 
 
IQ-2006-I-03 
 24
22..33.. AAddssoorrcciióónn 
 
El fenómeno de adsorción ocurre por la retención de un componente presente en 
una corriente líquida o gaseosa, en la superficie de un sólido. Generalmente este 
sólido recibe el nombre de adsorbente y el material adsorbido de adsorbato. La 
retención de las partículas se debe a las fuerzas de atracción existentes en la 
superficie del sólido, originados por la falta de compensación de atracciones o 
enlaces de los átomos superficiales [15]. El fenómeno catalítico heterogéneo 
requiere de la adsorción química en la superficie del catalizador de al menos uno de 
los reactivos y es así como la catálisis heterogénea y la adsorción son dos 
fenómenos que se encuentran estrechamente relacionados. 
 
2.3.1. Fundamentos de adsorción 
 
La adsorción es un proceso termodinámico que ocurre cuando un líquido o un gas 
entran en contacto un sólido y crean una región cuyo espesor supera en varios 
diámetros la molécula que está siendo adsorbida [16]. La adsorción se produce con 
desprendimiento de energía. El calor liberado por mol del gas adsorbido, depende 
de factores tales como la naturaleza del sólido y el lugar en la superficie donde llega 
la partícula. En resumen, el fenómeno de adsorción, se considera como una acción 
esencialmente dinámica, como la presentada por las partículas en la fase gaseosa, 
pero reducida a dos dimensiones sobre la superficie del sólido [15]. 
 
La capacidad de adsorción depende da varios factores tales como [17]: 
• Características físico químicas del adsorbente. 
• Características físico químicas del adsorbato. 
• Concentración del adsorbato en la solución líquida. 
• pH y temperatura de la fase líquida. 
• Tiempo de contacto entre el adsorbato y adsorbente 
 
IQ-2006-I-03 
 25
Dependiendo de los tiempos de adsorción se dan diferentes grados de interacción 
entre las partículas gaseosas y la superficie del sólido. Existen dos tipos de 
interacciones: adsorción física, fisisorción, y adsorción química, quimisorción [15]. 
 
• Fisisorción. Es una interacción de tipo electrostática entre la partícula 
gaseosa y los átomos superficiales del sólido. Se presenta por la atracción 
entre dipolos permanentes o inducidos, sin alteración de los orbitales 
atómicos o moleculares de las especies involucradas [15]. Esta interacción 
depende de fuerzas atractivas y repulsivas originadas por la diferencia de 
carga entre el adsorbato y el adsorbente, responsables estos, de la 
condensación de vapores y de las desviaciones de la idealidad de los gases 
reales. Este tipo de adsorción no tiene relevancia para el fenómeno de 
catálisis y en el aspecto cinético, sólo por efecto de masa, es decir, aumenta 
la concentración de las moléculas cerca de la superficie [14]. 
 
• Quimisorción. Esta interacción corresponde a una interacción de tipo 
químico, en la que los electrones de enlace entre el adsorbato y el 
adsorbente se reordenan y los orbitales respectivos cambian de forma o 
grado de ocupación, similar a una reacción química. Según Langmuir [16], 
las moléculas adsorbidas se retienen en la superficie por medio de fuerzas 
de valencia del mismo tipo que las que se presentan entre los átomos que 
conforman las moléculas. Entre las principales características de la 
quimisorción están: 
 
a) Especificidad: sólo algunos sitios específicos adsorben ciertas moléculas. 
b) Interacción de los sitios electrónicos del adsorbato (líquido o gas) y el 
adsorbato (sólido). 
c) Desprendimiento de calor debido a la interacción química en la superficie 
(rompimiento y formación de enlace). 
 
Paraque una reacción catalítica se lleve a cabo es necesario que la 
molécula sea quimisorbida en la superficie del sólido catalítico. Cualquier 
IQ-2006-I-03 
 26
reacción que se de en la superficie involucra cinco pasos consecutivos como 
se muestra en la figura 3. 
 
 
Figura 3. Etapas involucradas en la reacción de superficie [14] 
 
 
Los cinco pasos mostrados en la figura 3 son los siguientes: 
1) Difusión de reactivos hacia la superficie del catalizador (Fig. 3. a, b) 
2) Adsorción química de los reactivos (Fig. 3. c, d) 
3) Reacción en la superficie (Fig. 3. e, f) 
4) Deserción de los productos (Fig. 3. g) 
5) Difusión de los productos hacia la fase fluida (gas o líquido) (Fig. 3. h) 
 
2.3.2. Isotermas de adsorción 
 
Las reacciones catalíticas heterogéneas tienen lugar en la superficie del sólido, por 
lo cual es importante conocer la cantidad de moléculas sobre ella. 
IQ-2006-I-03 
 27
La concentración de la superficie depende de la presión de la fase gaseosa, de la 
temperatura, de la extensión de la superficie y de la naturaleza del sistema 
reaccionante. Para determinar la concentración, normalmente se mantiene fija la 
temperatura y se mide la cantidad adsorbida a diferentes presiones, obteniendo así 
las isotermas de adsorción [15]. 
 
Mediante las isotermas de adsorción es posible encontrar la relación de equilibrio 
entre la concentración del adsorbato aún presente en el fluido (líquido o gas) y la 
masa adsorbida por el sólido poroso a una determinada temperatura. Para el gas la 
concentración se expresa en términos de presiones parciales, P/Po, mientras que 
para los líquidos ésta se expresa en mg/L o ppm. La figura 4 muestra los diferentes 
tipos de adsorción según la IUPAC. En la gráfica, la abscisa corresponde a la 
concentración del adsorbato (ppm o p/po) y la ordenada es la razón de masa 
adsorbida y masa original (c/co). 
 
 
Figura 4. Tipos de isotermas de adsorción según la IUPAC [18] 
 
 
La forma adoptada por la isoterma, es decir, si ésta es cóncava o convexa respecto 
a la abscisa, siendo ésta favorable y desfavorable respectivamente, se obtiene 
IQ-2006-I-03 
 28
información acerca de la interfase que se crea entre el sólido y el adsorbente. 
Cuando el sólido en estudio es microporoso, el llenado de poros se produce a bajas 
presiones, mientras que si es mesoporoso, la condensación capilar se produce a 
presiones relativas medias o altas. 
 
La forma de las isotermas experimentales puede ser muy variada, sin embargo, 
Branauer [19] observó que todas ellas pueden representarse por los seis tipos 
característicos mostrados en la figura 4. A continuación se hace una breve 
descripción de cada tipo de isoterma de adsorción. 
 
• Tipo I. Es una curva característica de procesos de adsorción en los que se 
produce el llenado de los microporos y se lleva a cabo a bajas 
presiones relativas. Su teoría se contempla desde la teoría potencial de 
Polanyi-Dubinin [18]. De acuerdo con la rapidez con que alcanza la meseta 
se puede relacionar con un rango limitado de tamaño de poros y un área 
superficial externa pequeña [17]. 
 
• Tipo II. Este tipo de isoterma es característica de sólidos macroporosos. 
Representa el caso de adsorción en mono-multicapa y presenta el 
característico punto B que indica el momento en el que se llena 
completamente la monocapa y se inicia el llenado de la multicapa como se 
muestra en la figura 4 (II). Este tipo de gráfica presenta inicialmente una 
concavidad, pero la mayoría del rango de presiones es lineal y finalmente 
adquiere una forma convexa. La forma lineal indica la formación de una 
capa adsorbida sobre la superficie que aumenta de espesor 
progresivamente. Si el valor de B es apreciable, es posible sugerir la 
formación de una monocapa bien definida, por el contrario, si este valor 
no es apreciable, se puede sugerir el sobrecruzamiento de la monocapa y la 
multicapa [17]. 
 
• Tipo III. Este tipo de isoterma, es característico de sólidos no porosos, tales 
como óxidos metálicos y representa una interacción débil entre el adsorbente 
IQ-2006-I-03 
 29
y el adsorbato. En esta isoterma no se observa el punto de inflexión B como 
en el tipo II. La interacción fuerte que existe en esta isoterma es del tipo 
adsorbato – adsorbato y por lo tanto la adsorción adsorbente – adsorbato es 
muy baja, prácticamente nula y no uniforme. Dado que la adsorción es no 
uniforme, se presentan zonas con mayor densidad que otras. A medida que 
aumenta la presión, las zonas con una alta densidad de moléculas se 
adhieren entre sí impidiendo el paso de nuevas moléculas a los sitios que se 
encuentran libres. 
 
• Tipo IV. Es una isoterma similar a la tipo II, pero a presiones medias 
comienza una condensación capilar en los mesoporos. Ocurre el fenómeno 
de deserción el cual se observa a través de los ciclos de histéresis. El brazo 
inferior indica la constante adición del gas a ser adsorbido y el brazo superior 
la eliminación progresiva del mismo. A partir de la rama de desorción se 
puede determinar la distribución de tamaño de poros. Esta isoterma es 
característica de alúminas y sílices. 
 
• Tipo V. Esta isoterma muestra una baja afinidad entre el adsorbente y el 
adsorbato. Al comienzo es una curva convexa que se eleva a presiones 
parciales altas estableciendo la presencia de interacciones débiles. En este 
tipo de isoterma se presenta el fenómeno de histéresis correspondiente al 
llenado y vaciado de los poros, sin embargo, a través de esta isoterma no se 
obtiene una distribución de tamaño de poro o superficie específica fiable. 
Adicionalmente es una curva que no se encuentra comúnmente. 
 
• Tipo VI. Es una isoterma poco frecuente. Este tipo de adsorción en 
escalones ocurre sólo para sólidos con una superficie no porosa muy 
uniforme. Cada escalón corresponde al llenado de una capa y por lo tanto 
es un proceso de adsorción de tipo cooperativo. 
 
IQ-2006-I-03 
 30
2.3.3. Modelo BET (Branauer- Emmett-Teller) 
 
La idea central del modelo de BET (Brunauer-Emmett-Teller) es que conocida la 
cantidad de gas adsorbido, necesario para formar una monocapa y el área que 
ocupa una de éstas moléculas adsorbidas, es posible estimar el área del sólido. 
Este modelo considera las únicas fuerzas responsables del proceso de adsorción 
son las fuerzas de atracción de Van der Waals, que son de naturaleza física. 
 
Este modelo comprende la generalización de la isoterma de Langmuir para ser 
aplicable a la adsorción multicapas. BET considera que la superficie del adsorbente 
es energéticamente uniforme y que posee centros activos equivalentes 
representados por la primera capa adsorbida, sobre la cual se forman las siguientes 
capas, las cuales son iguales entre sí y las cuales poseen calores de adsorción 
idénticos que coinciden con el calor latente de condensación [17]. Considera que a 
presiones cercanas a la saturación, el vapor se condensa como si se tratara de un 
líquido en el que el número de capas adsorbidas es infinito. La ecuación del modelo 
BET se muestra en la figura 5. 
 
o
mm
O p
p
CV
C
CVppV
p 11
)(
−
+=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
 
Figura 5. Ecuación de linealización modelo BET [20] 
 
Donde, 
P: presión. 
P
o
: presión de saturación del adsorbato. 
V: volumen de gas adsorbido a la presión P. 
V
m
: volumen correspondiente a la monocapa. 
C: parámetro que se relaciona con el tiempo de residencia de las moléculas en la 
superficie y se expresa como: ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −
=
RT
qqC L1exp 
q
1
: calor medio de adsorción en la primera capa. 
q
L
: calor de fusión del adsorbato. 
IQ-2006-I-03 
 31
En la ecuación mostrada en la figura 5 se observa que ésta corresponde a una línea 
recta de la forma y =mx + b, donde la ordenada corresponde a el término P/(V(P
o
-
P)) y la abscisaa la razón p/p
o
. La representación gráfica de esto permite deducir 
los valores de la pendiente, que corresponde al término (C-1)/V
m
C y del corte con la 
ordenada, que corresponde a 1/V
m
C. Una vez se tiene esto, es posible resolver el 
sistema de ecuaciones (2*2) comprendido por dos ecuaciones y dos incógnitas para 
encontrar los valores de C y V
m
. Normalmente el rango de linealidad de la ecuación 
de BET para los valores de p/p
o 
está restringido normalmente entre 0.05-0.35, 
aunque dicho intervalo puede variar, ya que depende de las características del 
adsorbente [17]. Mediante esta linealización es posible conocer el área superficial 
de los sólidos de interés. 
 
22..44.. CCaattaalliizzaaddoorreess 
 
Los catalizadores son sustancias o mezclas de sustancias, que incrementan la 
velocidad de una reacción química sin modificar los factores termodinámicos. Los 
catalizadores permanecen, en general, inalterados al final del proceso catalítico. 
 
2.4.1. Selección del catalizador 
 
La escogencia de un catalizador depende principalmente de sus propiedades y del 
uso que éste vaya a tener. Entre las principales se encuentran actividad, 
selectividad y estabilidad [15}. 
 
• Actividad: Ésta se define como la propiedad de aumentar la velocidad de la 
reacción con respecto a la presentada sin catalizador, bajo las mismas 
condiciones de temperatura, presión, concentración, etc. En general, es la 
capacidad de generar en un tiempo razonable una cantidad comercialmente 
importante de productos por unidad de sólido (catalizador). La actividad se 
puede expresar en términos de velocidad (moles de producto/volumen de 
IQ-2006-I-03 
 32
catalizador por hora) o de conversión (moles de reactivos transformados por 
mol de reactivo inicial) [21]. 
 
• Selectividad. Es la propiedad del catalizador de favorecer el mayor 
rendimiento de determinada especie entre un conjunto de productos de la 
reacción. La selectividad se expresa como mol de producto deseado por mol 
de reactante convertido [15}. Algunos reactivos, principalmente los de 
naturaleza orgánica, dan origen a reacciones a paralelas o sucesivas que 
dan como resultado una mezcla de productos cuya incrementa costos en el 
proceso, por esta razón, teniendo una alta selectividad los costos de 
separación, purificación y tratamiento de desechos son menores al igual que 
la cantidad de reagentes necesarios [13]. En el caso del biodiesel, la 
selectividad del catalizador es muy importante ya que la formación de mono 
y diglicéridos, es decir una baja selectividad, favorece la formación de 
emulsiones y hace más complejo el proceso de producción. 
 
• Estabilidad. Es la propiedad del catalizador de mantener sus cualidades, en 
especial la actividad y la selectividad durante un tiempo de uso suficiente 
para aplicarlo industrialmente. En general, el catalizador pierde eficacia con 
el tiempo debido a cambios fìsicos y/o quìmicos ocurridos durante la 
reacción. La estabilidad también se puede expresar como el tiempo de vida 
útil del catalizador; para que este sea bueno debe mantenerse inalterable, 
por un largo tiempo de funcionamiento, ya sea meses o años, dependiendo 
de la reacción. La estabilidad puede perderse por diferentes causas tales 
como: a) Envejecimiento, el cual es originado por la disminución de 
porosidad y superficie específica a causa de la recristalización o fusión 
mutua (sinterizado). Esto ocurre principalmente cuando la reacción se lleva 
a cabo a altas temperaturas. b) Envenenamiento, el cual se produce por la 
adsorción intensa de sustancias extrañas a la reacción que están 
presentes como impurezas en los reactivos y bloquean los sitios activos del 
sólido [15]. 
 
IQ-2006-I-03 
 33
Otros aspectos importantes que caracterizan un buen catalizador son la facilidad de 
regeneración, la baja toxicidad y manipulación segura y el costo de éste. 
 
Con respecto al biodiesel y comparando entre el catalizador homogéneo y el 
heterogéneo, el segundo da la posibilidad de ser reutilizado, mientras que la 
concentración del catalizador homogéneo se reduce por la formación de jabones. 
En el proceso heterogéneo, la formación de estos jabones prácticamente se 
suprime, y por lo tanto, no se crean emulsiones de glicerina en la fase apolar, 
disminuyendo el tiempo de separación de las fases por decantación. 
 
2.4.2. Catalizadores heterogéneos 
 
La catálisis heterogénea es usada ampliamente en la industria, y la transformación 
de catálisis homogénea a heterogénea, soportando el catalizador o desarrollando 
catalizadores sólidos alternativos, es una constante tendencia en la industria 
química. 
 
Un catalizador usado en catálisis heterogénea es un material que se caracteriza por: 
a) la cantidad relativa de varios componentes, b) su forma, c) su tamaño, d) su 
distribución de tamaño de poro y d) su área superficial. 
 
Los componentes de un catalizador heterogéneo son los siguientes [13]: 
 
1. EEssppeecciieess aaccttiivvaass. Constituido por uno o más compuestos los cuales 
contribuyen cada uno con sus diferentes propiedades funcionales, o 
interactúan entre ellos creando efectos sinergéticos en sus interfases. El 
agente activo es la sustancia catalítica y la que produce la aceleración en la 
reacción química. 
22.. PPrroommoottoorreess ffììssiiccooss:: Elementos o compuestos adicionados en pequeñas 
cantidades que ayudan en la estabilización del área superficial del material o 
que incrementan su resistencia mecánica. 
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33.. PPrroommoottoorreess qquuíímmiiccooss:: Estos son elementos o compuestos que modifican la 
actividad y selectividad de las especies activas. 
44.. SSooppoorrtteess:: Son compuestos presentes en mayor cantidad en la composición 
del material, que juegan un papel importante en el catalizador. 
 
2.4.3. Métodos de preparación 
 
2.4.3.1. Impregnación 
 
Los metales y la mayoría de los óxidos tienen poca superficie por unidad de masa y 
dado que la actividad depende de la magnitud de la superficie activa es necesario 
aumentar esta propiedad. Esto se puede lograr cubriendo una sustancia de gran 
área específica, llamada soporte con una delgada capa del agente activo. Esta 
especie activa no forma una lámina continua sobre el soporte, sino que se distribuye 
en pequeños gránulos o cristalitos, exponiendo una superficie aún mayor. Este 
proceso se denomina impregnación. 
 
La impregnación es empleada para la preparación de catalizadores heterogéneos, 
en el cual intervienen el soporte y una solución acuosa, que contiene la fase activa, 
cual se encuentra dispersa en dicho soporte. La técnica de impregnación involucra 
tres pasos básicos: 
 
1. Poner en contacto el soporte y la solución impregnante por un cierto periodo 
de tiempo. 
2. Secar el soporte para remover el líquido absorbido. 
3. Activar el catalizador por medio de calcinación, reducción u otro tratamiento 
apropiado. 
 
El soporte catalítico es una sustancia, generalmente muy poco activa en la reacción, 
de gran superficie específica y porosidad, cuyo objetivo principal es extender el área 
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de la especie activa. Además de aumentar la superficie activa del catalizador, el 
soporte puede ofrecerle otras ventajas entre las cuales se encuentran [13]: 
 
• Reduce la cantidad de la especie activa que generalmente presenta un costo 
elevado. Las especies activas son depositadas en la superficie del soporte y 
constituyen una menor fracción del catalizador. 
• Da una óptima superficie y una distribución de tamaño de poro a las 
especies activas. 
• Incrementa la resistencia mecánica del catalizador. 
• Crea un catalizador polifuncional introduciendo nuevos sitios activos. 
• Incrementa la capacidad de intercambio de calor del catalizador. 
 
Muchas sustancias son usadas como soporte catalítico ya sea en forma de polvo o 
granular. En la tabla3 se muestran algunos de los más usados comercialmente, 
junto con el área superficial por cada uno de ellos. 
 
Tabla 3. Soportes catalíticos de uso más frecuente y sus áreas superficiales [15] 
Soporte catalítico Área superficial (m2/g) 
Carbón activado 500 - 800 
Gel de sílice 200 - 800 
Alúmina (γ-alúmina) 100 - 500 
Alúmina (α-alúmina) < 1 
Sílico-alúminas (SiO2 - Al2O3) 200 - 500 
Arcillas naturales (Zeolitas) 100 - 200 
 
Los soportes más adecuados para la preparación de catalizadores heterogéneos 
son los que poseen una elevada porosidad y, por tanto, alta área superficial para 
que la relación de área activa por unidad de volumen sea alta y la difusión de 
reactivos y productos a través de su estructura resulten favorecidos, facilitando la 
llegada de los mismos a los centros activos. 
 
La técnica de impregnación puede clasificarse como seca o húmeda dependiendo 
del estado anterior del soporte. Cuando se habla de impregnación húmeda es 
porque el soporte ha entrado en contacto previamente con una solución diferente 
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antes de hacerlo con la que contiene el componente activo; Por otro lado, el 
volumen de poro del soporte es saturado con agua antes de la impregnación. En 
este tipo de impregnación el soluto es transferido dentro del soporte sólo por medio 
de difusión. Adicionalmente se pueden agregar otros solutos diferentes a los 
precursores, a la solución impregnante, para controlar la distribución del catalizador 
por sus competencias por sitios de adsorción en la superficie del soporte [22]. 
 
La impregnación seca se caracteriza porque la solución es adsorbida por el soporte 
poroso por acción de capilaridad y algún transporte difusional del soluto. 
 
2.4.3.2. Sol – gel 
 
Un coloide es una suspensión en la que la fase dispersa es tan pequeña 
(1-1000 nm) que las fuerzas gravitacionales son despreciables y las interacciones 
son dominadas por las fuerzas de corto alcance como las de Van der Waals y las 
cargas superficiales [21]. 
 
El proceso sol-gel involucra la transición de un sistema desde un líquido “sol” hasta 
una fase sólida “gel”. Este método consiste en varias etapas: hidrólisis, 
polimerización, gelación, secado, deshidratación y densificación. El proceso debe su 
nombre al rápido incremento en la viscosidad que ocurre en un punto en particular 
de la secuencia de las etapas. 
 
Cuando el sol es desestabilizado, esto lleva a la creación de un floculado o a la 
formación de un gel. Las principales características de un gel son: primero, su 
propiedad más o menos elástica, que lo hace parecer un sistema sólido; segundo, el 
hecho que ocupa el volumen total de las mezclas líquidas precursoras, es decir, no 
hay separación de fases entre sólido y líquido como en un precipitado. El gel es una 
mezcla continua de una fase de un líquido y un sólido. 
 
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Este método, ofrece ventajas especiales sobre otros métodos de obtención de 
catalizadores, principalmente ofrece mejor control sobre el área superficial, el 
volumen de poro y la distribución del tamaño de poro. La estructura final del 
material depende de varios parámetros tales como: estabilidad de los reactivos, 
cantidad de agua, temperatura y especialmente del pH [23]. 
 
• Características especiales del método sol-gel 
 
Aunque no es una regla general, los geles exhiben muy buena resistencia a la 
sinterización térmica incluso bajo condiciones críticas [24]. 
Cuando son aplicados en reacciones de catálisis, los geles exhiben mejores 
actividades y/o selectividades. Sus actividades específicas (por gramo de material) 
son en general muy altas, debido a sus grandes áreas superficiales. 
En conclusión, los catalizadores obtenidos por la ruta sol-gel son considerados 
catalizadores donde la selectividad es la meta principal. 
 
• Precursores 
 
Los pprreeccuurrssoorreess del proceso sol-gel sólo necesitan cumplir con ciertos 
requerimientos para ser adecuados. Entre estos requerimientos, está que deben 
ser solubles en el medio de reacción y deben ser lo suficientemente reactivos para 
incentivar la formación del gel. Entre los principales precursores del proceso se 
encuentran: sales, óxidos, hidróxidos, complejos, aminas, acilatos y alcóxidos.. La 
reactividad de un precursor no depende solamente de su naturaleza química sino 
también de las condiciones de reacción aplicadas. 
 
 Aunque es muy difícil predecir el tipo de precursor que debe ser usado para un 
determinado fin, los alcóxidos son los precursores más ampliamente usados en la 
preparación de catalizadores por la ruta sol-gel. Entre las ventajas de este 
precursor está la posibilidad de controlar las razones de hidrólisis y condensación 
de medios químicos. Las reacciones de hidrólisis y condensación, presentes en el 
proceso sol-gel se muestran en las figuras 6 y 7. 
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HXOHMOHXM +−→≡+−≡ 2 
Figura 6. Reacción de hidrólisis [25] 
 
OHMOMMHOOHM
HXMOMMXOHM
2+≡−−≡→≡−+−≡
+≡−−≡→≡−+−≡
 
Figura 7. Reacción de condensación [25] 
 
Donde: 
M = metal y X = reactivo ligando como halógeno, OR, NR2, acilato. 
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3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 
 
33..11.. CCaattaalliizzaaddoorreess 
 
Los catalizadores sintetizados de ZnO, tanto por el método de impregnación como 
el de sol-gel, tuvieron un diseño experimental en el que se consideraron los factores 
más importantes y las condiciones de operación más adecuadas para conseguir las 
propiedades de superficie requeridas para la reacción de transesterificación. 
 
3.1.1. Impregnación 
 
El proceso de impregnación se llevó a cabo utilizando dos soportes catalíticos, 
γ-alúmina y Faujasita Y, buscando identificar cuál de ellos presentaba mejor 
capacidad de adsorción, mayor área superficial y mayor volumen de mesoporos. La 
sal escogida para realizar la impregnación fue cloruro de zinc, ZnCl2; para esta 
escogencia se tuvo en cuenta la solubilidad de la sal y la cantidad de zinc presente 
en ella. El desarrollo de los experimentos se planteó con base en un diseño 
experimental de tipo nk donde n son los niveles y k son los factores. A continuación 
se presenta el diseño experimental y el protocolo detallado para cada uno de los 
catalizadores. 
 
3.1.1.1. ZnO/γ-alúmina 
 
El diseño experimental planteado para sintetizar este catalizador fue 32; la tabla 4 
muestra los factores y niveles escogidos. 
 
Tabla 4. Factores y niveles definidos en la síntesis de ZnO/γ-alúmina 
 
FACTORES NIVEL 1 NIVEL 2 NIVEL 3 
Concentración ZnCl2 (M) 0.1 0.55 1 
Tiempo de impregnación (h) 1 12.5 24 
 
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El proceso de impregnación de γ-alúmina con ZnCl2 , está dividido en cuatro etapas 
que dan como resultado la obtención del catalizador deseado y cada una de ellas 
representa un aspecto importante en las propiedades de superficie finales del 
mismo. La figura 8 muestra este proceso con una descripción de cada etapa y la 
secuencia correcta de síntesis. 
Secado del soporte
T: 125°C, t: 24h
Secado ZnCl2
T: 150°C, t: 24h
Almacenar en 
desecador
Preparación de 
soluciones de ZnCl2
Poner en contacto el soporte 
-alúmina con cada una de las 
soluciones preparadas. Agitar.
0,1M, 0,55M, 1M
1h, 12.5h, 24h
PRETRATAMIENTO SOPORTE, 
AGENTE ACTIVO
IMPREGNACIÓN
Secado de -alúmina posterior 
a la impregnación 
T: 105°C, t: 24h
SECADO
CALCINACIÓN
Activación térmica 
T: 400°C, t: 24h
Almacenar en 
desecador 
Figura 8. Proceso de síntesis de ZnO/γ-alúmina 
 
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• Pretratamiento soporte y agente activo 
El pretratamiento al soporte catalítico se hace a las condiciones mostradas en la 
figura 8. Este secado es necesario para eliminar agua no ligada de su estructura 
debido al carácter higroscópico de la materia prima. Estos pellets deben 
permanecer en el desecador hasta el momento previo de la impregnación para 
evitar que retengan nuevamenteagua del ambiente. La sal escogida debe ser 
sometida a un tiempo de secado aproximado de 24h ya que el ZnCl2 en especial, es 
un compuesto muy higroscópico y capacidad de retención de agua es muy alta. La 
temperatura de secado debe ser lo suficientemente alta para retirar el agua retenida 
pero menor al punto de fusión de la sal para evitar cambios de fase. 
 
• Preparación de soluciones e impregnación 
Posterior al tratamiento de secado de la sal, se pesaron las cantidades requeridas 
para prepara las soluciones a 0.1, 0.55 y 1M. La sal pesada fue llevada a un 
volumen de 30ml; este volumen debía ser suficiente para tener un buen contacto 
con los pellets a impregnar. Se impregnaron 2 g de γ-alúmina para realizar la 
caracterización que determinaría la escogencia de los catalizadores con las mejores 
propiedades de superficie. La tabla 5 muestra las cantidades de sal para cada una 
de las soluciones a preparar en las pruebas preliminares, junto con las cantidades 
teóricas de Zn y ZnO. 
 
Tabla 5. Cantidades requeridas para las soluciones de impregnación 
 
[ZnCl2] (M) ZnCl2 (g) Zn (g) ZnO (g)
0.1 0.4088 0.1961 0.2440 
0.55 2.2487 1.0787 1.3426 
1 4.0885 1.9613 2.4412 
 
Una vez preparadas las soluciones, éstas se ponen en contacto con los pellets de 
γ-alúmina como se muestra en la figura 9, durante los tiempos escogidos en el 
diseño experimental. Una agitación lenta ayuda a que todos los pellets sean 
impregnados y que no haya acumulación de ZnCl2 sólo en algunos; adicionalmente, 
ayuda a que la difusión se de más fácilmente. 
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 42
 
Figura 9. Impregnación ZnO/γ-alúmina 
 
• Secado y calcinación 
El secado y calcinación de los pellets se hizo durante 24h, a 105 y 400°C 
respectivamente. La temperatura de calcinación se escogió por debajo del punto de 
fusión del Zn para evitar pérdidas del metal durante esta operación. La calcinación 
se realiza para obtener el ZnO y activar el catalizador. 
 
3.1.1.2. ZnO/Faujasita Y 
 
Teniendo en cuenta la capacidad de intercambio iónico de la zeolita, se 
establecieron tres niveles de concentración para la solución de impregnación. El 
diseño experimental se muestra en la tabla 6. 
 
Tabla 6. Factor y niveles definidos en la síntesis de ZnO/Faujasita Y 
 
FACTOR NIVEL 1 NIVEL 2 NIVEL 3 
Concentración ZnCl2 (M) 0.1 0.55 1 
 
El proceso es similar a la impregnación con γ-alúmina, sin embargo, etapas 
adicionales de filtración y lavado son incluidas para garantizar el mayor intercambio 
iónico posible entre la zeolita y el zinc. La figura 10 muestra una descripción del 
proceso y las condiciones correspondientes para cada etapa del mismo. 
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 43
 
Figura 10. Proceso de síntesis de ZnO/Faujasita Y 
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 44
Sabiendo que la capacidad de intercambio iónico de las zeolitas está alrededor de 
un equivalente gramo por kilogramo de zeolita se estableció la relación w/w entre la 
sal y la Faujasita Y [26]. Un equivalente es igual al peso molecular del elemento 
dividido entre dos, por lo tanto un equivalente de Zn equivale a 32.69 g. Sin 
embargo, la impregnación se hizo con diez veces la cantidad de zinc posiblemente 
intercambiada, para garantizar la máxima adsorción posible. La tabla 7 muestra las 
cantidades requeridas para 4 g de Faujasita Y, gramos requeridos para realizar la 
caracterización de éste catalizador. 
 
Tabla 7. Cantidades requeridas en la síntesis de ZnO/Faujasita Y 
 
Faujasita Y (g) Zn (g) ZnCl2 (g)
4 1.3076 2.7557 
 
Tanto las operaciones de pretratamiento de soporte y agente activo, como el secado 
y la calcinación se realizan de la misma manera que en la impregnación sobre 
γ-alúmina y bajo las mismas condiciones de tiempo y temperatura. A continuación 
se explican con mayor detalle las operaciones que difieren en la impregnación sobre 
Faujasita Y. 
 
• Preparación de soluciones e impregnación 
Teniendo en cuenta la capacidad de intercambio iónico y los niveles definidos en el 
diseño experimental, se prepararon las soluciones de ZnCl2 a las diferentes 
concentraciones, manteniendo fija tanto la cantidad de zeolita como la de sal (tabla 
7) y variando el volumen de la solución. La tabla 8 muestra los valores para la 
preparación de cada solución. 
 
Tabla 8. Volúmenes requeridos en la síntesis de ZnO/Faujasita Y 
 
[ZnCl2] (M) Volumenagua (ml)
0.1 200 
0.55 36 
1 18 
 
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Posterior a la preparación de las soluciones a las concentraciones adecuadas, se 
adiciona el soporte catalítico en las proporciones adecuadas (tablas 7 y 8). Esta 
mezcla se agita y se evapora suavemente utilizando una plancha de calentamiento 
a 65°C durante 3 horas hasta lograr la deposición de los solutos sobre el soporte 
como se muestra en la figura 11. 
 
Figura 11. Impregnación ZnO/Faujasita Y 
 
• Filtración 
El resto del líquido se separa mediante una filtración al vacío utilizando papel filtro 
whatman # 1. 
 
• Lavado 
Después de la filtración se deben realizar varios lavados con agua desionizada 
hasta arrastrar los iones no intercambiados. 
 
3.1.2. Sol – gel 
 
El ZnO obtenido por la ruta sol-gel se sintetizó empleando como precursor el 
alcóxido acetato de zinc, Zn(CH3COO)2. El diseño experimental para este 
catalizador fue también de tipo factorial, 22. Los factores y niveles escogidos se 
muestran en la tabla 9. 
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Tabla 9. Factores y niveles definidos en la síntesis de ZnO ruta sol-gel 
FACTORES NIVEL 1 NIVEL 2 
Relación molar acetato:agua 1:100 1:200 
pH de la solución 6.5 8.5 
 
El proceso sol-gel involucra operaciones importantes como tiempos de 
envejecimiento, temperaturas y tiempos de secado y calcinación que determinan la 
estructura final del catalizador. La figura 12 muestra las operaciones, la secuencia 
correcta de éstas y las condiciones requeridas en cada una de ellas. 
 
 
Figura 12. Proceso de síntesis de ZnO ruta sol-gel 
 
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• Disolución 
 
La solución acetato de zinc-agua, con las cantidades molares correspondientes, se 
agita a una velocidad suficiente hasta que no se observen partículas de acetato en 
la solución. Esta agitación se realiza a una temperatura de 60°C. 
 
• Hidrólisis 
Posterior a la disolución, las soluciones se llevan a pH ácido y básico para empezar 
la formación del gel. 
 
• Envejecimiento 
El tiempo de envejecimiento debe permitir la gelación. Éste es un factor importante 
en las características finales de porosidad y aunque en este proyecto no fue variado 
sí debe ser considerado como un factor importante para la estructura final del 
catalizador. El tiempo sugerido es de 24 a 48 horas dependiendo de la rapidez con 
la que se forme el gel. 
 
• Filtración 
Después de la formación del gel, se realiza una filtración al vacío con un papel filtro 
adecuado que evite las pérdidas del producto sintetizado. 
 
• Disolución en etanol 
Posterior a la filtración, la fase sólida resultante, se disuelve en etanol, con una 
agitación constante hasta obtener una mezcla homogénea como se muestra en la 
figura 13. Esta agitación debe hacerse preferiblemente con un agitador mecánico y 
no magnético ya que la alta densidad de la mezcla no permite ser agitada 
fácilmente. 
 
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Figura 13. Disolución en etanol en síntesis de ZnO ruta sol-gel 
 
• Envejecimiento 
La disolución en etanol se deja durante 48 horas hasta obtener un gel consistente y 
posteriormente ser filtrado al vacío. 
• Filtración 
Se realiza una nueva filtración para separar la fase sólida del metanol. Si se 
considera necesario se puede evaporar el metanol remanente en la fase sólida, 
mediante el uso de un rotoevaporador a una temperatura mayor al punto de fusión 
del solvente. 
 
• Secado 
El tiempo de secado, 48h, es mayor al definido para el método de impregnación, ya 
que es necesario retirar tanto el agua como el metanol del sólido totalmente.