Reuse of edible oils for the synthesis of quaternary ammonium surfactants: perspectives of multivariate modeling in the optimization of formulations for hygiene

Dissertação de Mestrado em Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaAo longo dos últimos anos, a deterioração ambiental tem aumentado, em parte devido à poluição e esgotamento de recursos. O conceito “tradicional” de produção, uso e descarte de produtos sintéticos conduzem o planeta para condições adversas, desta forma as práticas de sustentabilidade tem sido um objetivo para combater os efeitos nocivos da atividade humana. A economia circular é um exemplo prático de sustentabilidade, uma vez que, segundo este modelo, há o reaproveitamento de resíduos para evitar a produção de desperdícios.O óleo alimentar usado é um dos resíduos mais presentes no quotidiano, contribuindo para a degradação ambiental, uma vez que é um poluente da rede hidrográfica e danifica os sistemas de tratamentos de água. Para reduzir a quantidade de desperdício provocado pelo descarte indevido de óleo alimentar usado é essencial o reaproveitamento deste recurso.Este projeto tem dois objetivos: a síntese de surfactantes catiónicos nomeadamente ésteres quaternários de amónio, e o desenvolvimento de blocos sanitários com base em óleos alimentares usados.A síntese de ésteres quaternários de amónio dividiu-se em dois passos: esterificação de ácidos gordos (ácidos esteárico, oleico e linoleico) com trietanolamina por duas vias sintéticas (química e enzimática), para obtenção de diésteres; seguida da reação de quaternização da amina de cada diéster. Foram utilizados três agentes de quaternização diferentes (dimetil sulfato, iodometano e cloroacetato de sódio), evidenciando-se o dimetil sulfato como o único reagente com eficiência nesta reação. Todos os produtos obtidos nos dois passos desta via sintética foram caracterizados por espetroscopia de ressonância magnética nuclear e foi determinada a quantidade de surfactantes catiónicos presentes em cada produto obtido. Posteriormente, procedeu-se à aplicação do método otimizado de síntese de surfactante catiónicos em óleos alimentares usados. Produziu-se um diéster por transesterificação enzimática da matéria-prima com trietanolamina, contudo não existiu evidência da síntese de um surfactante catiónico derivado de óleo alimentar usado. A betaína foi também utilizada na reação de transesterificação enzimática com os ácidos gordos para a produção de um surfactante catiónico, no entanto, não existiu evidência da síntese do composto pretendido.Desenvolveram-se blocos sanitários sólidos com base em óleo alimentar usado, que por sua vez, foram submetidos a avaliações das propriedades físico-químicas, comparando com três blocos sanitários comerciais. Procedeu-se também a uma análise pré-eliminar por análise hierárquica de agrupamentos e análise das componentes principais, na qual os blocos sanitários desenvolvidos demonstraram ter diferenças a nível da sua performance, comparativamente aos blocos sanitários comerciais. Adicionalmente, verificou-se o efeito da composição pelo método dos mínimos quadrados usuais de todos os blocos avaliados, em que as componentes de etanol, água, e os espessantes foram os que tiveram maior influência nas propriedades dos blocos sanitários.In the last few years, due to pollution and extended resource consumption the environmental degradation has increased. The “traditional” production, use and discard concepts of synthetic products lead to hazarding conditions for the planet. Therefore, the sustainable practices have been the goal to fight the harmful effects of human activity. The circular economy is a practical example of sustainability because this model consists of waste reuse to avoid its accumulation. Daily, the used cooking oil is a frequent produced waste, which contributes to environmental contamination. This pollutant impairs the water and damages the water’s treatment system. The reuse of used cooking oil it is essential to reduce the amount of this waste produced by its incorrect disposal. This project has two objectives: the synthesis of a cationic surfactants, ester-containing quaternary ammonium compounds, and the development of hygienic toilet blocks from used cooking oil. The synthesis of ester-containing quaternary ammonium compounds was accomplished by a two-step reaction: esterification of fatty acids (stearic, oleic, and linoleic acid) with triethanolamine by two synthetic strategies (chemical and enzymatic), to obtain diesters; followed by the quaternization reaction of the amide group of each diester. It was studied three different quaternization agents (dimethyl sulphate, iodomethane, sodium chloroacetate), verifying that dimethyl sulphate was the only effective in this reaction. All the products obtained in both steps of this synthesis via were characterized by nuclear magnetic resonance spectroscopy, and it was determined the amount of cationic content present in each product synthesized. After the synthesis with pure fatty acids, the optimized method was applicated to the synthesis of ester-containing ammonium quaternary compounds from used cooking oil. The diester was produced by enzymatic transesterification of the oil with triethanolamine, however it was not possible to prepare a cationic compound. Additionally, it was studied the enzymatic transesterification reaction of betaine with fatty acids, though it was not verified the cationic compound formation. Hygienic toilet blocks were developed from used cooking oil, and their physical and chemical properties were evaluated and compared with three commercial hygienic toilet blocks. Then, by hierarchical cluster analysis and principal component analysis, the hygienic toilet blocks prepared showed to have distinction from the commercial ones in performance levels. Additionally, by ordinary least square’s method it was verified the effect of composition of all blocks evaluated, in which ethanol, water and the thickeners were the most influential components in the physical and chemical properties of the hygienic toilet block