biodiesel production over lithium modified lime catalysts: activity and deactivation

29
Accepted Manuscript Title: Biodiesel production over lithium modified lime catalysts: Activity and deactivation Author: Jaime F. Puna Jo˜ ao F. Gomes Jo˜ ao C. Bordado M. Joana Neiva Correia Ana Paula Soares Dias PII: S0926-860X(13)00712-6 DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.apcata.2013.11.022 Reference: APCATA 14577 To appear in: Applied Catalysis A: General Received date: 11-10-2013 Revised date: 6-11-2013 Accepted date: 18-11-2013 Please cite this article as: J.F. Puna, J.F. Gomes, J.C. Bordado, M.J.N. Correia, A.P.S.D. </sup>; <i><ce:inter-ref id= ¨ intr0005¨ xlink:href= ¨ mailto:[email protected] ¨ >[email protected]</ce:inter- ref> Biodiesel production over lithium modified lime catalysts: activity and deactivation, <i>Applied Catalysis A, General</i> (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2013.11.022 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Upload: ana-paula-soares

Post on 14-Dec-2016

220 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Accepted Manuscript

Title: Biodiesel production over lithium modified limecatalysts: Activity and deactivation

Author: Jaime F. Puna Joao F. Gomes Joao C. Bordado M.Joana Neiva Correia Ana Paula Soares Dias

PII: S0926-860X(13)00712-6DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.apcata.2013.11.022Reference: APCATA 14577

To appear in: Applied Catalysis A: General

Received date: 11-10-2013Revised date: 6-11-2013Accepted date: 18-11-2013

Please cite this article as: J.F. Puna, J.F. Gomes, J.C.Bordado, M.J.N. Correia, A.P.S.D. </sup>; <i><ce:inter-refid=intr0005xlink:href=mailto:[email protected]>[email protected]</ce:inter-ref> Biodiesel production over lithium modified lime catalysts:activity and deactivation, <i>Applied Catalysis A, General</i> (2013),http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2013.11.022

This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication.As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript.The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proofbefore it is published in its final form. Please note that during the production processerrors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers thatapply to the journal pertain.

Page 1 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

1

Biodiesel production over lithium modified lime catalysts: activity and deactivation 

Jaime F. Puna1, João F. Gomes1, João C. Bordado2, M. Joana Neiva Correia2, Ana Paula Soares 

Dias2* 

1 ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Chemical Engineering Department/CEEQ,  R. Conselheiro Emídio Navarro 1, 1959‐007 Lisboa, Portugal 

2 Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049‐001 Lisboa, Portugal 

*Corresponding author: [email protected][email protected] 

 

Page 2 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

2

   Biodiesel production over lithium modified lime catalysts: activity and deactivation 

 

Jaime F. Puna1, João F. Gomes1, João C. Bordado2, M. Joana Neiva Correia2, Ana Paula Soares 

Dias2* 

1 ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Chemical Engineering Department/CEEQ, R. Conselheiro Emídio Navarro 1, 1959‐007 Lisboa, Portugal 2Instituto Superior Técnico, Chemical Engineering Department, University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049‐001 Lisboa, Portugal 

*Corresponding author: [email protected][email protected] 

 Keywords: biodiesel, lime catalysts, basicity, lithium, methoxide, diglyceroxide, Ca leaching  

ABSTRACT 

Biodiesel production by methanolysis of semi‐refined rapeseed oil was studied over lime based 

catalysts.  In  order  to  improve  the  catalysts  basicity  a  commercial  CaO  material  was 

impregnated with  aqueous  solution of  lithium nitrate  (Li/Ca=0.3  atomic  ratio).  The  catalysts 

were calcined at 575 ºC and 800 ºC, for 5h, to remove nitrate ions before reaction.  

The XRD patterns of the fresh catalysts, including the raw CaO, showed lines ascribable to CaO 

and Ca(OH)2. The absence of XRD lines belonging to Li phases confirms the efficient dispersion 

of Li over CaO.  

In the tested condition (wcat/woil=5%; CH3OH/oil=12 molar ratio) all the fresh catalysts provided 

similar biodiesel yields  (FAME >93% after 4h) but the raw CaO catalyst was more stable. The 

activity  decay  of  the  Li modified  samples  can  be  related  to  the  enhanced,  by  the  higher 

basicity,  calcium  diglyceroxide  formation  during  methanolysis  which  promotes  calcium 

leaching. The  calcination  temperature  for  Li modified catalysts plays an  important  role  since 

encourages the crystals sinterization which appears to improve the catalyst stability. 

Page 3 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

3

1. INTRODUCTION 

Today, the high cost of  fossil  fuels based energy and the environmental  impact associated to 

their consumption have been the major driving forces for the search of sustainable sources of 

energy  like biodiesel. Biodiesel, a mixture of  long chain fatty acid methyl or ethyl esters, is an 

environmental  friendly  alternative  to  fossil diesel. Actually, biodiesel does not  contribute  to 

the increase of the net atmospheric CO2 level and allow a reduction of the emissions of several 

pollutants  such  as  particulate  matter,  carbon  monoxide,  sulfur  and  polycyclic  aromatic 

hydrocarbons [1]. 

Currently, biodiesel  is produced by  transesterification of vegetable oils or animals  fats using 

basic homogeneous catalyzed batch processes. However, the use of heterogeneous catalysts is 

advantageous as  it allows  to decrease operation  costs due  to  the  reduction of  the  catalysts 

consumption and to simpler purification operations. Many heterogeneous solid basic catalysts, 

such as alkaline earth metal oxides and hydroxides compounds supported on alumina, zeolites, 

hydrotalcites and  ion exchange resins have been used for the transesterification of vegetable 

oils.  From  these,  calcium  oxide  is  among  the  best  basic  catalysts  for  the methanolysis  of 

vegetable oils [2,3] or waste frying oils [4]. 

According  to  Kouzu  et  al.  [5],  the  transesterification  reaction  over  CaO  occurs  through  a 

nucleophilic mechanism which  involves,  firstly,  the activation of methanol by a basic  site on 

the catalyst surface. Therefore,  the  reaction may be accelerated by  the enhancement of  the 

basic strength of the active sites using, for example, the doping with an alkaline metal salt, like 

lithium nitrate. Actually, the replacement of Ca2+ by M+ in the crystal framework generates a O‐ 

basic site [6,7]. Hence, the wet impregnation of CaO catalysts with lithium nitrate was studied 

by  several authors. Watkins et al.  [8]  founded,  for a CaO catalyst containing 1.23%  (w/w) of 

lithium,  improved catalyst behavior ascribable to the formation of electron defect Li+ species. 

These  species  were  responsible  for  the  enhanced  availability  of  surface  –OH.  In  fact,  the 

impregnation with Li increased the surface basicity from 8<pkBH+<10 for bare CaO up to  

Page 4 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

4

15<pkBH+<17.2  for  lithium  doped  material.  Lately,  Kumar  and  Ali  [9]  used  a  similar 

impregnation  technique  to  prepare  nanostructured  CaO  catalysts  modified  with  alkali 

elements  (Li, Na, K). These  authors used nitrate and  carbonate alkali  salts and  the  catalysts 

were only dried at 120 ºC after impregnation. They reported the best catalytic behavior for the 

sample  impregnated with  lithium  carbonate. Kaur and Ali  [10] also underlined  the beneficial 

effect of Li on  the catalytic behavior of CaO catalyst  for biodiesel production. Endalew et al. 

[11] tested lithium CaO doped catalysts for biodiesel production from high acidity jatropha oil 

but, as expected, they found that both CaO and Li doped CaO catalysts led to the production of 

large amounts of soaps. 

From  the published data,  it  can be  inferred  that  lithium has positive effects on  the catalytic 

activity  of  CaO  for  biodiesel  production  by  oil methanolysis.  Since  the  catalyst  stability  is  a 

crucial issue, data on catalytic activity and stability of lithium doped catalysts will be discussed 

in the following sections.  

 

2. EXPERIMENTAL 

2.1. Preparation of the catalysts 

Catalysts  containing  30%  of  lithium  (Li/Ca molar  ratio) were  prepared  by wet  impregnation 

technique.  For each  sample, an aqueous  suspension  (200 mL)  containing 20g of  commercial 

CaO  and  the  required  amount of  lithium nitrate was heated  (80  ºC) under  vigorous  stirring 

until dryness. The obtained powders were dried at 120  ºC overnight and  then  calcined  in a 

muffle  during  5h.  Samples were  calcined  at  575  ºC  or  800  ºC  using  a  slow  heating  rate  (5 

ºC/min). The as received CaO material, calcined in analogous conditions, was used as standard. 

2.2 Characterization of fresh and post reaction catalysts 

The  fresh  and  post  reaction  samples  were  extensively  characterized  in  order  to  find  the 

correlation between physical‐chemical properties and the catalytic activity and stability for the 

methanolysis reaction. 

Page 5 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

5

The surface basicity was assessed using basic Hammett indicators in methanolic solutions.  

The  crystallinity  and  the  crystalline  phases  of  both  fresh  and  post  reaction  catalysts were 

assessed by X‐Ray diffraction using a Rigaku Geigerflex diffractometer with Cu Kα radiation at 

40 kV and 40 mA (2º/min).  

Particles  size  distribution  of  the  fresh  catalysts  was  assessed  by  laser  diffraction  (blue 

radiation,  455 nm)  based  on  Lorenz Mie  law.  A Malvern Mastersizer  2000  equipment was 

used. Water  dispersions  (with  10–20%  of  obscurity)  of  the materials  were  prepared  using 

ultrasound. The granulometric distributions were computed taking into account the refractive 

index  of  CaO  (1.838)  and  Li2O  (1.644)  (molar weighted).  The  external  surface  areas  of  the 

catalysts were computed considering spherical particles. 

The  infrared  spectra were  collected  using  a  spectrophotometer  BOMEN  FTLA200‐100  from 

ABB. This equipment has a horizontal total attenuated reflection accessory (HATR), from PIKE 

Technologies, with  a  ZnSe  crystal.  Sixty‐four  scans were  accumulated  for  each  spectrum  to 

obtain an acceptable signal‐to‐noise ratio. To extract the maximum information from the FTIR 

spectra of the different catalysts, principal components analysis (PCA) [12,13] was carried out 

using Matlab version 7.9 (MathWorks, Natick, MA) and the PLS (partial least squares) Toolbox 

version  3.0  (Eigenvector  Research  Inc  ‐  USA)  for  Matlab,  according  to  the  description 

presented elsewhere [14, 15]. Briefly, PCA is a method of data compression that transforms a 

number of possibly correlated variables  into a smaller number of non‐correlated ones called 

principal  components  (PC).  These  components  are  linear  combinations  of  original  variables 

whereas the first PC captures the greatest possible variance of the original data. A PCA model 

decomposes the original data matrix  (with m samples and n variables)  into a product of two 

smaller  matrices,  designated  as  scores  and  loadings.  The  scores  matrix  represent  the 

projection of each  sample  into  the new  coordinate  system and gives  information about  the 

similarity between samples, whereas the matrix of loadings represents the importance of each 

original variable  in the new space of principal components  [12]. The criteria for choosing the 

Page 6 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

6

appropriate number of principal components used  in  this work was to consider only  the PCs 

that lead to the capture of a cumulative variance of more than 90% [14,15]. 

 

2.3. Methanolysis tests 

The methanolysis  catalytic  tests were  carried  out  in  a  500 mL  round  bottom  pyrex  reactor 

equipped with a condenser and a mechanical stirrer (600 rpm). The temperature was kept at 

the methanol reflux temperature using a temperature controlled water bath. Typically, 100 g 

of soybean oil was transferred into the reactor and heated until the desired temperature. Then 

the slurry of methanol and catalyst was added  to  the oil and  the  transesterification  reaction 

was  run  for  5  h.  For  each  experiment,  5%  (w/w,  oil  basis)  of  catalyst  and  a molar  ratio  of 

methanol to oil of 12/1 was used. At the end of the reaction period, the catalyst was removed 

by filtration and the reaction mixture was transferred into a decantation funnel to separate the 

glycerin  and  biodiesel  phases.  The  latter  phase  (crude  biodiesel)  was  then  washed  with 

distilled water  followed by a 0.5 % HCl solution and again with water, and dried at 80‐90 ºC 

under vacuum (0.05 bar). 

The reproducibility of the catalytic tests was previously studied, for vegetable oil methanolysis, 

using the same apparatus for SrO/MgO catalysts (variance of 0.1%) [16]. 

The FAME content of the samples was determined using near infrared spectroscopy (NIR) with 

an ABB BOMEM MB160 spectrometer equipped with an InGaAs detector and a transflectance 

probe from SOLVIAS, according to the procedure described elsewhere [12].  

 

3. RESULTS AND DISCUSSION 

3.1 Characterization of the catalysts 

The surface basicity assessed using basic Hammett  indicators  in methanolic solutions showed 

that the pKa of these catalysts is between 15 and 18.2.  

 

Page 7 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

7

The  XRD  patterns  of  fresh  catalysts  showed  diffraction  lines  ascribable  to  CaO,  the major 

phase, and calcium hydroxide (Fig.1). The absence of XRD lines belonging to Li phases seems to 

indicate  that  this  element  was  well  dispersed  over  the  CaO.  It  is  worth  noting  that  the 

prepared weight content of Li2O (6% w/w) was higher than the detection limit of XRD (2%w/w 

for mixed materials). Similar observations have been previously reported [7,8]. Alonso et al. [7] 

reported the identification of the Ca(OH)2 pattern in the XRD of the 4.5LiCa catalyst calcined at 

300  ºC  but  for  activation  temperatures  higher  than  700  ºC  these  authors  refer  the 

identification of Li oxides that promote the activity of the catalyst. 

As  shown  in Table 1, all  samples were nanosized, with  lime crystallites  smaller  than 125 nm 

and  portlandite  (Ca(OH)2)  crystallites  smaller  than  25  nm.  Furthermore,  the  CaO material 

seems  to  be  sintering  resistant  since  the  samples  calcined  at  800  ºC,  and  dried  at  120  ºC, 

present the same size of the lime crystallites. On the other hand, the sintering effect of lithium 

was only detectable  for  the  samples  calcined at 800  ºC. According  to Borgwardt  [17]  Li and 

other monovalent cations promotes solid state diffusion thus encouraging sintering. 

As  reported before,  the oil molecules cannot diffuse  into  the narrow pores and  the  reaction 

occurs over the external surface of the catalyst [16]. Therefore the particles sizes distribution 

of catalysts plays an important role in the catalytic process. The granulometric distribution (Fig. 

2) of fresh and post reaction catalysts were assessed by laser light scattering. For the raw CaO 

material  the  calcination  promotes  the  disappearance  of  the  larger  particles  which  can  be 

ascribable  to  the  thermal  decomposition  of  carbonate  species  which  are  larger  than  the 

corresponding  lime particles  [18]. The samples modified with  lithium showed  larger particles 

than  the  bare  lime material.  CaO  calcined  at  800  ºC  presented  a  surface  weighted mean 

diameter  of  3.61  µm  versus  17.41  µm  of  the  Li‐CaO  sample.  Raising  the  calcination 

temperature from 575 to 800 ºC led to an increase of the particle size of the catalyst powders 

(1.2 times for the CaO catalysts and 1.7 times for the Li‐CaO samples), which confirms that high 

calcination  temperatures  promotes  sinterization.  All  the  post  reaction  samples  showed 

formation of  larger particles during  the  first  reaction batch which are vanished  for  the  later 

Page 8 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

8

reaction batches. This occurrence can be  related with calcium  leaching. Eventually  the  larger 

particles  are  formed by  calcium methoxide  and  calcium diglyceroxide.  The  raw CaO  sample 

(unmodified  with  Li),  only  dried,  showed  dissimilar  behavior  probably  due  to  the  lesser 

formation of calcium diglyceroxide. 

The  diffractograms  (Fig.3)  for  the  post  reaction  Li modified  catalysts  showed  an  important 

effect  of  the  calcination  temperature  on  the  crystalline  phases,  formed  during  reaction. As 

observed  for  raw  CaO  catalyst,  during  the  methanolysis  reaction,  lime  is  converted  into 

calcium hydroxide with  crystallites  smaller  than 50 nm. The main  crystalline phase  in of  the 

post reaction Li_CaO catalysts was always calcium hydroxide, thus indicating that this Ca phase 

has an  important  role on  the  catalytic process. Additionally, as  shown  in Fig. 3,  the  catalyst 

annealed at 800  oC showed  the  formation of calcium diglyceroxide  (C6H14CaO6,  JCPDS 00‐21‐

1544). Nevertheless, according  to  the  standard XRD  file of  calcium diglyceroxide,  the  line at 

8.2o  should be more  intense  than  the  line  at 10.1o. However,  the XRD patterns of  the post 

reaction samples calcined at 800 oC showed the reverse relative intensities for these two lines. 

Therefore,  the  presence  of  calcium  methoxide  cannot  be  discarded.  In  fact,  the  higher 

intensity  of  the  line  at  around  10o  can  be  due  to  the  overlapping  with  the  intense  line 

ascribable to calcium methoxide [19]. It is worth noting that the diffractogram of the catalyst, 

after the fourth reaction batch presented  in Fig. 2, does not show the  lines correspondent to 

diglyceroxide  or methoxide  phases  and  only  the  diffraction  lines  ascribable  to  Ca(OH)2  are 

visible. Nevertheless,  the  infrared  spectrum  showed  that  calcium methoxide  remains on  the 

surface of the catalyst. 

The formation of calcium diglyceroxide [19‐21] and methoxide [11, 22] during oil methanolysis 

over  lime  catalyst  is  reported  by  other  researchers.  Actually,  the  diglyceroxide  phase  is 

reported  to  be  highly  active. Nevertheless,  Kouzu  et  al.  [19] mentioned  that  the  process  is 

catalyzed  by  a  soluble  compound  and  recent  results  also  showed  that  the  high  activity  of 

diglyceroxide can be due, at least partially, to a homogeneous catalyzed process [19, 23]. This 

dissolution may  also  explain  the disappearance of  the  calcium diglyceroxide phase with  the 

Page 9 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

9

increase  of  the  number  of  reaction  batches.  Recently, Urasaki  et  al.  [24]  also  reported  the 

instability  of  calcium  diglyceroxide  during  alcoholysis  of  triolein  and  concluded  that  the 

formation of calcium diglyceroxide leads to calcium leaching.   

The FTIR analysis of  the catalysts was also carried out  in an attempt  to  identify  the different 

species on the catalysts surface. Thus, the infrared spectra of fresh and post reaction catalysts 

were collected using a horizontal attenuated total reflectance device (HATR) and some of the 

spectra collected are presented  in Fig. 4. To help this  identification, the main  IR bands of the 

main  species  involved  in  the  transesterification  reaction of  vegetable oils using CaO derived 

catalysts are presented in Table 2. 

The spectra of the fresh catalyst presented in Fig. 4 shows a low intensity band at around 3630 

cm‐1  that may  be  ascribed  to  the  stretching  of  the O‐H  groups  of  Ca(OH)2, which was  also 

identified  in  the  XRD  analysis  (Fig.1)  .  The  peak  at  around  2390  cm‐1,that  appears  in  the  Li 

doped catalysts, may be ascribed to the adsorbed atmospheric CO2, whereas the band at 1610‐

1150  cm‐1 may  be  attributed  to  the  adsorbed water  and/or  to  the  CaO  carbonate  species 

derived from the carbonation of the surface [21].  

In order to clarify the differences between the spectra, a PCA  (principal component analysis) 

was developed [12, 13]. Before model development, the spectra were pre‐processed in order 

to reduce variations not directly related to the analysis, such as random noise, baseline drift, 

light scattering, etc. In this case, the standard normal variate scaling plus mean centering were 

used  as  pre‐processing.  As  presented  in  Fig.  5,  the model  developed  for  the  fresh  catalyst 

captured 90.1% of the overall variance of the original data with only two PCs (PC1‐75.6%; PC2‐

14.5%). This Figure presents  the scores plot of PC2 versus PC1  for  this model, as well as  the 

loadings plots of  the variables  (in cm‐1)  in PC1, which captured  the higher variance. Thus, as 

shown in the scores plots, the first PC allows to distinguish the CaO from the Li_CaO catalysts. 

Additionally, the loading plots indicates that the variables that are more important to describe 

this  PC  are  at  around  870  cm‐1  and  1300‐1400  cm‐1, which may  be  attributed  to  the  CaO 

carbonate  species  (Table  2);  and  at  around  3400‐3600  cm‐1,  which  are  assigned  to  the 

Page 10 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

10

stretching vibrations of the OH groups of Ca(OH)2 present at the surface of the Ca oxide [18].  

It  is worth  noting  that  these  ‐OH  surface  groups  play  an  important  role  on  the methanol 

activation and thus on the methanolysis catalyzed process [26]. 

The spectra of the post reaction samples presented in Fig. 4 show bands at around 3600 cm‐1, 

2800‐3000  cm‐1  and  1500‐900  cm‐1  that  ascribable  to  calcium  methoxide  and  glyceroxide 

species (Table 2). Fig. 4 also shows that the intensity of these bands increase with the raise of 

the  number  of  reaction  batches.  The  quantity  of  the  methoxide  species,  on  the  catalyst 

surface, increases with the number of reaction cycles.  

Fig.  6  presents  the  spectra  of  the  several  catalysts  samples  after  the  third  reaction  stage 

(PR#3).  These  spectra  show  the main  IR  bands  in  the  range  1200‐1350  cm‐1,  attributed  by 

Reina  et  al.  [21]  to  calcium  glyceroxide  species.  These  bands  are  more  intense  for  the 

Li_CaO_800 ºC possibly due to  its higher basicity. Furthermore, Fig. 3 shows that the samples 

of this catalyst, after the first and second reaction batches, present the higher amount of the 

calcium diglyceroxide phase. However, the diffractogram of the PR#4 sample did not show this 

crystalline  phase, which  is  an  indication  that,  as  found  elsewhere  [11,23,24],  this  species  is 

soluble in the reaction medium.  

The differences between  the  spectra presented  in Fig. 6 are visible  in  the  scores plot of  the 

PCA model presented  in Fig. 7.  In  fact,  the Li_CaO catalysts obtained after the third reaction 

batch are grouped  in  the negative side of  the PC1 axis, whereas  the CaO samples are  in  the 

positive side. Furthermore,  from the  loadings plots of PC1,  it  is possible to conclude that the 

variables that are more important to describe this PC, which captured 82.5% of the variance of 

the spectra, are at around 3600 cm‐1, 3000 cm‐1 and 1400 cm‐1. Therefore,  these differences 

between the Li modified and the   raw CaO catalysts  identified by this PCA model seem to be 

due to the presence of a higher amount of methoxide and glyceroxide species on the catalyst 

surface. As mentioned above, the XRD analysis allowed to identify calcium diglyceroxide in the 

sample calcined at 800 0C (Fig. 3).  

Page 11 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

11

3.2 Catalytic tests 

The main data on  the  catalytic behavior during  rapeseed oil methanolysis,  for  the prepared 

catalysts, are presented in Table 3. For fresh samples no significant differences were observed 

in  the catalytic activity. These  results are  in agreement with those of Alonso et al.  [7]. These 

researchers reported that a minimum of 4.5% (w/w) of Li is necessary to promote the activity 

of CaO catalyst and  the  tested catalyst only had 3.72%  (w/w) of  lithium. Endalew et al.  [11] 

also  reported an  improved activity  for  Li‐CaO  catalyst,  containing 7%  (w/w) of Li, when acid 

jatropha  curcas  oil  was  used  to  produces  biodiesel  whereas  an  apparent  null  effect  was 

observed  when  rapeseed  oil  was  used.  The  fair  results  obtained  using  acid  oil  seems  to 

emphasize that Li is crucial to obtain strong basic active sites. 

Only the sample with Li calcined at 575 ºC showed a slightly  lower FAME yield, 93.1%  instead 

96‐97%, eventually due  to morphologic differences  (larger particles). The same effect  for the 

sample  calcined  at  800  ºC  is  compensated  by  the  stronger  surface basicity. As  reported by 

Alonso et al.  [7]  the  sample  calcined at higher  temperatures will processes  stronger basicity 

even if the Hammett indicators technique showed analogous results for both samples.   

The catalysts deactivation was studied using the same catalyst sample in consecutive reaction 

batches without any intermediate regeneration procedure. Data in Table 3 show that Li had a 

negative effect on the catalyst stability which can be due to the enhanced formation of calcium 

diglyceroxide  for  the  Li modified  samples. Previous  results  appears  to point out  glyceroxide 

species as responsible for Ca leaching [23] and thus for the activity decay. 

Finally,  it must be emphasized  that based on a model developed by West, Posarac and Ellis 

[27],  it  is estimated that the use of heterogeneous catalysts for biodiesel production with the 

above  presented  performances  could  reduce  the  equipment  costs  in  about  25%,  when 

compared to the traditional production process using homogeneous catalysts. 

Page 12 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

12

CONCLUSIONS 

The methanolysis of  vegetable oils over CaO  catalysts  involves methanol activation by basic 

active sites on the catalyst surface (‐OH or other). Thus, it seems likely that an improvement of 

the surface basicity will be beneficial for the catalytic performances.  

In  order  to  improve  surface basicity,  a  commercial CaO material was modified with  lithium 

(Li/Ca=0.3 molar) by wet impregnation (nitrate salt) followed by calcination at 575 ºC and 800 

ºC. The highest calcination temperature promotes sinterization and enhances the formation of 

glyceroxide and methoxide species on the catalyst surface. 

In the tested conditions, the catalysts showed analogous initial catalytic activities and allowed 

to produce a biodiesel containing 93‐98 % of FAME after 4 h of reaction. However the Li doped 

catalysts  presented  a  faster  deactivation  than  the  raw  CaO.  The  surface  infrared  spectra 

showed  that  Li modified  catalysts have more  glyceroxide  surface  species  than  the  raw CaO 

catalyst. Bulk calcium diglyceroxide and methoxide species were also founded by XRD for the 

sample calcined at 800 ºC. The formation of the Ca‐diglycerol phase promotes the Ca leaching 

and thus contributes to catalysts deactivation. 

Page 13 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

13

 References 

1.  M. Balat, H. Balat, Recent trends in global production and utilization of bio‐ethanol fuel, 

Appl Ener, 86 (2009), pp. 2273‐2282. 

2.  A.  A.  Refaat,  Biodiesel  production  using  solid metal  oxide  catalysts,  Int  J  Environ  Sci 

Technol 8 (2001), pp. 203‐221. 

3.  J.  Puna,  J.  Gomes,  M.  J.  Correia,  A.  P.  Soares  Dias,  J.  Bordado,  Advances  on  the 

development of novel heterogeneous catalysts  for  transesterification of triglycerides  in 

Biodiesel, Fuel, 89 (2010), pp. 3602‐3606. 

4.  J. Puna, M. J. Correia, A. P. Soares Dias, J. Gomes, J. Bordado, Biodiesel Production from 

Waste Frying Oils, React Kinet Mech Catal, (2013), DOI: 10.1007/s11144‐013‐0557‐2 

5.  M. Kouzu, T. Kasuno, M. Tajika, Y. Sugimoto, S. Yamanaka,  J. Hidaka, Calcium oxide as a 

solid base catalyst  for  transesterification of soybean oil and  its application  to biodiesel 

production, Fuel, 87 (2008), pp. 2798‐2806. 

6.  G.T.  Baronetti,  C.  Padró,  O.A.  Scelza,  A.A.  Castro,  V.  Cortés  Corberán,  J.L.G.  Fierro, 

Structure and reactivity of alkali‐doped calcium oxide catalysts for oxidative coupling of 

methane, Appl Catal A: General, 101 (1993), pp. 167‐183. 

7.  D. M. Alonso, R. Mariscal, R., M.  L. Granados, P. Maireles Torres, Biodiesel preparation 

using Li/CaO catalysts: Activation process and homogeneous contribuition, Catal Today, 

143 (2009), pp. 167‐171. 

8.  R. S. Watkins, A. F. Lee, K. Wilson K. Li–CaO catalysed tri‐glyceride transesterification for 

biodiesel applications. Green Chem, 6 (2004), pp. 335–40. 

9.  D.  Kumar,  A.  Ali,  Nanocrystalline  Lithium  Ion  Impregnated  Calcium  Oxide  As 

Heterogeneous Catalyst for Transesterification of High Moisture Containing Cotton Seed 

Oil, Energy Fuels, 24 (2010), pp. 2091–2097. 

10. M. Kaur, A. Ali, Lithium ion impregnated calcium oxide as nano catalyst for the biodiesel 

production from karanja and jatropha oils, Renew Energ, 36 (2011), pp. 2866‐2871. 

11. A. K. Endalew, Y. Kiros, R. Zanzi, Heterogeneous catalysis  for biodiesel production  from 

Jatropha curcas oil (JCO), Energy, 36 (2011), pp. 2693‐2700. 

Page 14 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

14

12. T. Næs, T. Isaksson, T., Fearn T., Davies, A User Friendly Guide to Multivariate Calibration 

and Classification, Nir Publications, Chichester, Chichester, UK, 2002 

13. N. Kettaneh, A. Berglund, S. Wold, PCA and PLS with very  large data  sets, Comput Stat 

Data Anal, 48 (2005), pp. 69‐85. 

14. P.  Baptista,  P.  Felizardo,  J.  Menezes,  M.  J.,  Neiva  Correia,  Multivariate  near  infrared 

spectroscopy models  for  predicting  the methyl  esters  content  in  biodiesel,  Anal  Chim 

Acta, 607 (2008), pp. 153‐159. 

15. P.  Felizardo,  P.  Baptista,  M.  Sousa  Uva,  J.  Menezes,  M.  J.  Neiva  Correia,  Monitoring 

biodiesel fuel quality by near  infrared spectroscopy, J Near  Infrared Spec, 15 (2007), pp. 

97‐105. 

16. A. P. Soares Dias,  J. Bernardo, P. Felizardo, M.  J. Neiva Correia, Biodiesel production by 

soybean  oil  methanolysis  over  SrO/MgO  catalysts:  The  relevance  of  the  catalyst 

granulometry, Fuel Proc Technol, 102 (2012), pp. 146‐155. 

17. R. H. Borgwardt, Sintering of nascent calcium oxide, Chem Eng Sci, 44 (1989), pp. 53‐60. 

18.   S. Castilho, A. Kiennemann, A. P. Soares Dias, Sorbents for CO2 capture  from biogenesis 

calcium wastes; Chem Eng J, 226 (2013), pp.146‐153. 

19. M.  Kouzu,  J.‐S.  Hidaka,  K. Wakabayashi, M.  Tsunomori,  Solid  base  catalysis  of  calcium 

glyceroxide  for a  reaction  to  convert vegetable oil  into  its methyl esters, Appl Catal A: 

General, 390 (2010), pp. 11‐18. 

20. M. L. Granados, A. C. Alba‐Rubio, F. Vila , D. Martín Alonso, R. Mariscal., Surface chemical 

promotion  of  Ca  oxide  catalysts  in  biodiesel  production  reaction  by  the  addition  of 

monoglycerides, diglycerides and glycerol, J Catal, 276 (2010), pp. 229‐236. 

21.  L. León‐Reina, A. Cabeza, J. Rius, P. Maireles‐Torres, A. C. Alba‐Rubio, M. López Granados, 

Structural  and  surface  study  of  calcium  glyceroxide,  an  active  phase  for  biodiesel 

production under heterogeneous catalysis, J Catal, 300 (2013), pp 30‐36. 

22.  X. Liu, X. Piao, Yujun Wang, S. Zhu, H. He, Calcium methoxide as a solid base catalyst for 

the  transesterification of  soybean oil  to biodiesel with methanol,  Fuel, 87  (2008), pp. 

1076‐1082. 

Page 15 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

15

23.  A. P.  Soares Dias,  J.  F. Puna, M.  J. Neiva Correia,  J. Gomes,  J. Bordado, The  role of Ca 

species  formed during  the oil methanolysis, Book of Abstracts, Symposium  in Honor of 

Professor Ramôa Ribeiro, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal, 2012 

24.  K. Urasaki,  S.  Takagi,  T. Mukoyama,  J.  Christopher,  K. Urasaki,  S.  Kato,  A.  Yamasaki,  T. 

Kojima,  S.  Satokawa,  Effect  of  the  kinds  of  alcohols  on  the  structure  and  stability  of 

calcium oxide catalyst in triolein transesterification reaction, Appl Catal A: General, 411–

412 (2012), pp. 44‐50. 

25.  H.  Masood,  R.  Yunus,  T.  S.Y.  Choong,  U.  Rashid,  Y.  H.  T  Yap,  Synthesis  and 

characterization  of  calcium  methoxide  as  heterogeneous  catalyst  for 

trimethylolpropane esters  conversion  reaction, Appl Catal A: General, 425–426  (2012), 

pp. 184‐190. 

26.  I.  Choedkiatsakul,  K.  Ngaosuwan,  S.  Assabumrungrat,  Application  of  heterogeneous 

catalysts  for  transesterification of  refined palm oil  in ultrasound‐assisted  reactor, Fuel 

Proces Technol, 111 (2013), pp. 22‐28. 

27.  A. West, D.  Posarac, N.  Ellis,  Simulation,  case  studies  and  optimization  of  a  biodiesel 

process with a solid acid catalyst, Int J Chem React Eng, 5 (2007), A37. 

Page 16 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

16

Figures Captions 

Fig. 1– XRD patterns of fresh catalysts. 

Fig. 2 – Granulometric distributions of fresh and post reaction catalysts (laser diffraction). 

Fig. 3 – XRD patterns of the fresh and post reaction of Li modified catalysts. 

Fig. 4 – Fresh and post reaction HATR‐FTIR spectra of CaO and Li modified catalysts. 

Fig. 5 – Scores and loadings plots of the PCA model derived the FTIR spectra of the fresh 

catalysts. 

Fig. 6 – HATR‐FTIR spectra of post batch #3 CaO and Li‐CaO catalysts (FAME yields: CaO‐120 ºC‐

96%; CaO‐575 ºC ‐98%; LiCaO‐575 ºC‐76%; LiCaO‐800 ºC‐96%) 

Fig.7 – PCA analysis of HTAR‐FTIR spectra of the PR#3 catalysts. 

Page 17 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

17

 

5 15 25 35 45 55 65 75

Inte

nsity

(a.u

.)

2θ (º)

CaO, 120ºC

CaO, 575ºC

CaO, 800ºC

30Li ‐ CaO, 575ºC

30Li ‐ CaO, 800ºC

CaO 00‐001‐1160

Ca(OH)2 00‐001‐1079

 

Figure 1

Page 18 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

18

 

 

0

1

2

3

4

5

6

0.1 1 10 100

Surface area

 (%)

dp (μm)

120ºC

575ºC

800ºC

120ºC; PR#1

 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.1 1 10 100

Surface area

 (%)

dp (μm)

fresh

PR#1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0.1 1 10 100

Surface area

 (%)

dp (μm)

fresh

PR#1

PR#2

Figure 2 

30Li_CaO_800ºC

30Li_CaO_575ºC

CaO

Page 19 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

19

10 20 30 40 50 60 70

Intensity

 (a.u.)

2θ(0)

30_LiCaO, 575ºC

PR#4

PR#2

fresh

 

 

5 15 25 35 45 55 65

Intensity

 (a.u.)

2θ(0)

30_LiCaO, 800ºC

PR#2

PR#1

fresh

PR#4

C6H14CaO6 00‐021‐1544

 

Figure 3 

 

Page 20 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

20

 

500750100012501500175020002250250027503000325035003750

Absorban

ce (a.u.)

Wave number (cm‐1)

CaO

fresh

PR#1PR#5

PR#4

 

 

 

500750100012501500175020002250250027503000325035003750

Absorban

ce (a.u.)

Wave number (cm‐1)

Li CaO_575ºC

PR#2

fresh

PR#3

 

 

Figure 4 

Page 21 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

21

 

 

Figure 5  

Page 22 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

22

 

 

500750100012501500175020002250250027503000325035003750

Absorban

ce (a.u.)

Wave number (cm‐1)

after reaction batch #3

30Li_CaO, 800ºC 

30Li_CaO, 575ºC 

CaO, 575ºC 

 

Figure 6  

CaO, 120ºC

-methoxide

-hydroxyl

-glyceroxide

Page 23 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

23

 

 

 

 

Figure 7 

 

 

 

Page 24 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

24

Table 1– XRD phases of fresh catalysts and crystallite sizes (Scherrer law). 

  Crystalline phases*  Crystallites size (nm) 

CaO, 120 ºC  CaO  75.6    

CaO, 575 ºC CaO Ca(OH)2 

73.6 11.7 

     CaO, 800 ºC  CaO  75.6 

  Ca(OH)2  15.2      30_LiCaO, 575 ºC  CaO  79.6 

  Ca(OH)2  48.2      30_LiCaO, 800 ºC  CaO  123.4 

  Ca(OH)2  25.6 *CaO JCPDS 001‐1160; Ca(OH)2 JCPDS 01‐072‐0156 

 

Page 25 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

25

Table 2  – Main  Infrared bands of  several  species eventually present on  the  catalyst  surface (CaO catalytic system for FAME production).   Absorption range (cm‐1)  Reference 

Biodiesel 

C‐H stretching  

C=O stretching  

C‐O‐C stretching 

 

≈3000‐2850 

1750 

≈1170 

 

[20] 

 

Methoxide species 

O‐H stretching  

CH3 stretching vibrations 

C‐H bending 

C‐O stretching  

 

 

 

3650 

2800‐3000 

1465 

1084, 1063 

 

 

 

[25] 

[25] 

[25] 

[20] 

Ca glyceroxide species 

O‐H stretching 

C‐H stretching  

C‐H, C‐O‐H bending 

C‐O Stretching 

CH2 vibration 

 

3641 

2927,2883,2841 

1469‐919 

1138, 1080 

700‐1000 and 1200‐1350 

 

[21] 

 

 

 

[25] 

     

Ca(OH)2 

O‐H 

 

 

3400‐3600 

3645‐3658 

 

[18] 

[20] 

 

CaO carbonate species 

 

 

 

1694,1651,1612,1354 

1490‐1419 

870 

 

 

[21] 

[20] 

 

Page 26 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

26

Table 3 – FAME content (weight basis), by NIR, of the purified biodiesel phase (Wcatal/Woil=5%; methanol/oil=12 molar ratio; 4h at 62 ºC). 

FAME content ±1.5%  (w/w) Catalyst  Thermal treatment (ºC)  Fresh  PR#1  PR#2  PR#3  PR#4  PR#5 

120  97.2  96.9  96.1  96.2  96.4  62.4 

575  94.9  97.6  97.6  96.7  28.3    

CaO 800  98.1  97.7  97.4       

575  93.1  96.2  76.0  16.5     30%Li‐CaO 

800  96.8  97.9  96.0  67.2     

maximum error for FAME content previsions in the range 78.4‐99.3% [14]. 

Page 27 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

27

Highlights Biodiesel from rapeseed oil was produced over lithium modified CaO catalysts Lithium improve the surface basicity by formation of electron defects The calcination temperature plays an important role on the catalyst performances Calcium diglyceroxide formation is enhanced by catalyst basicity Leaching of Ca seems be due to calcium glyceroxide formed during reaction  

Page 28 of 28

Accep

ted

Man

uscr

ipt

Anionic vacancy

created by Li+

Improved

catalytic

activity due

higher basicity

FAME + Glycerin Vegetable oil + Methanol

Improved formation of Ca-diglyceroxide

Faster catalyst deactivation due

to Ca leaching

*Graphical Abstract (for review)