PRODUKSI BIOFUEL DARI MINYAK KELAPA SAWIT DENGAN KATALIS PADAT CaO/γ-Al2O3 dan CoMo/γ-Al2O3
Maya Kurnia Puspita Ayu 2308.100.606 Pembimbing : 1. Prof. Dr. Ir. Achmad Roesyadi, DEA 2. Ir. Ignatius Gunardi, MT 1. PENDAHULUAN Saat ini kebutuhan akan bahan bakar semakin meningkat seiring dengan pertumbuhan ekonomi, penduduk, pengembangan wilayah, dan pembangunan dari tahun ke tahun, kebutuhan akan pemenuhan energi di semua sektor pengguna energi secara nasional juga semakin besar. Selama ini kebutuhan energi dunia dipenuhi oleh sumber daya tak terbarukan, seperti minyak bumi dan batubara. Namun, tidak selamanya energi tersebut dapat mencukupi seluruh kebutuhan dalam jangka panjang. Cadangan energi semakin lama semakin menipis dan proses produksinya membutuhkan waktu jutaan tahun. Peningkatan pertumbuhan ekonomi serta populasi dengan segala aktivitasnya akan meningkatkan kebutuhan energi di semua sektor pengguna energi. Peningkatan kebutuhan energi tersebut harus didukung adanya pasokan energi jangka panjang secara berkesinambungan, terintegrasi, dan ramah lingkungan. Pasokan energi diusahakan berasal dari sumber energi dalam negeri dan impor dari negara lain apabila pasokan energi dalam negeri tidak mencukupi. Mengingat potensi sumber daya minyak bumi dan kemampuan kapasitas kilang di dalam negeri yang terbatas maka perlu dicarikan bahan bakar alternatif untuk substitusi BBM. Pemanfaatan sumber energi terbarukan menjadi solusi pemenuhan kebutuhan energi yang semakin lama semakin besar di masa mendatang. Sumber daya energi terbarukan memiliki keunggulan, yakni dapat diproduksi dalam waktu relatif tidak lama dibandingkan dengan sumber energi tak terbarukan. Namun, sumber daya terbarukan selama ini belum dimanfaatkan secara optimal di Indonesia. Banyak ilmuwan mulai meneliti untuk mencari jenis energi baru yang murah, mudah dan ramah lingkungan untuk menggantikan sumber energi yang tersedia sekarang, yaitu dengan penggunaan minyak nabati sebagai bahan bakar karena pemakaian minyak nabati sebagai bahan bakar dapat mengurangi polusi lingkungan sedangkan penggunaan bahan bakar minyak bumi, baik dari penggunaan berupa alat transportasi maupun dari penggunaan oleh industri sangat mencemari lingkungan disebabkan tingkat polusi yang ditimbulkan sangat tinggi. Proses pembuatan biofuel selama ini dengan minyak tumbuhan menggunakan katalis homogen. Namun proses pembuatan biofuel secara konvensional ini memiliki beberapa kelemahan, diantaranya produk samping berupa sabun, rumitnya pemisahan produk biofuel yang dihasilkan dengan katalis, serta adanya limbah alkalin yang memerlukan proses lanjutan. Untuk mengatasi kelemahan dalam pembuatan biofuel secara konvensional, mulai dikembangkan penggunaan katalis heterogen (padat) untuk menggantikan katalis alkali tersebut. Dalam penelitian ini saya menguji efektifitas katalis heterogen CaO/γ-Al2O3 dan CoMo/γ-Al2O3 untuk menghasilkan biofuel kemurnian tinggi dengan proses pemisahan yang mudah. Dan minyak yang kami gunakan adalah minyak kelapa sawit berdasarkan pertimbangan minyak kelapa sawit dianggap lebih ekonomis.
2. METODOLOGI Penelitian ini menggunakan 2 proses yaitu, proses transesterifikasi dengan menggunakan katalis CaO/γ-Al2O3 dan proses perengkahan dengan menggunakan katalis CoMo/γ-Al2O3 2.1 Alat yang digunakan
Gambar 2.1 Rangkaian alat proses transesterifikasi
Controller 5
Gambar 2.2 Rangkaian alat proses perengkahan 2.2 Bahan yang Digunakan Pada penelitian ini bahan yang digunakan adalah minyak kelapa sawit, metanol, aquades, katalis CaO/γ-Al2O3 untuk proses transesterifikasi dan katalis CoMo/γ-Al2O3 untuk proses perengkahan. 2.3. Kondisi Batas Kondisi batas yang digunakan adalah sebagai berikut : 1. Minyak yang digunakan adalah minyak kelapa sawit 2. Katalis CaO/γ-Al2O3 untuk proses transesterifikasi 3. Katalis CoMo/γ-Al2O3 untuk proses perengkahan 2.4. Prosedur Penelitian untuk Pemodelan Pada penelitian ini, dilakukan 2 tahap yaitu preparasi katalis dan proses produksi biofuel. 2.4.1 Prosedur Preparasi Katalis (proses transeterifikasi) •
Mencampur CaO dan γ- Al2O3 dengan perbandingan massa 1:1 dan menambahkan air ke dalam mixer disertai dengan pengadukan dan pemanasan selama ± 2 jam.
•
Melakukan pengeringan selama ± 12 jam ke dalam oven dan kalsinasi menggunakan udara pada furnace dengan suhu 600 °C selama ± 5 jam. 2.4.2 Prosedur Transesterifikasi • Menyusun peralatan transesterifikasi • Memasukkan minyak kelapa sawit ke dalam labu leher tiga, lalu mengalirkan air pendingin menuju reflux. • Menyalakan pemanas dan menjaga sampai suhu yang diinginkan (60, 70, dan 80 °C). • Mencampur campuran katalis dan metanol ke dalam labu leher tiga yang berisi minyak. • Mengaduk dengan motor pengaduk selama waktu yang divariabelkan. • Produk dimasukkan ke dalam corong pemisah dan didiamkan selama 24 jam hingga terbentuk 2 lapisan (lapisan atas metanol, lapisan bawah biodiesel) • Memisahkan kedua lapisan tersebut dan melakukan analisa produk (analisa GC). 2.4.3 Prosedur Perengkahan • • • • • •
Minyak nabati dan katalis dengan perbandingan 5% berat dimasukkan dalam reaktor. Dialirkan gas N2 untuk mengusir oksigen. Dipanaskan dengan suhu tertentu (350 oC). Tekanan ditetapkan konstan pada 10 atm dengan memasukkan gas N2. Sampling setiap 30 menit. Analisa produk dengan analisa Gas Chromatography (GC).
2.5 Variabel Penelitian Variabel penelitian ini adalah : Variabel terikat : • Temperatur 350 oC pada proses perengkahan • Jumlah katalis 5% wt pada proses perengkahan dan tekanan 10 atm • Katalis CaO/γ-Al2O3 untuk proses transesterifikasi • Katalis CoMo/γ-Al2O3 untuk proses perengkahan Variabel bebas : • Waktu reaksi 30, 60, 90, 120, dan 150 menit • Temperatur 60, 70 dan 80 oC pada proses transesterifikasi • Jumlah katalis 1, 2, dan 3% wt pada proses transesterifikasi 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk karakterisasi katalis, analisa yang dilakukan adalah Brunaer-Emmet-Teller (BET) untuk mengetahui luas permukaan katalis. Didapatkan luas permukaan katalis CaO/ɣ-Al2O3 sebesar 6,6680 m2/g. Perhitungan hasil analisa XRD yang dilakukan di Laboratorium Energi dan Rekayasa – ITS dan diolah dalam bentuk grafik dapat dilihat pada gambar 3.1 dan 3.2.
Gambar 3.1 Katalis CaO/γ-Al2O3
Gambar 3.2 Katalis CoMo/γ-Al2O3 Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa katalis CaO/γ-Al2O3 aktif pada peak dengan sudut 2θ pada 29o, 35o, 43o, dan 57o. Sedangkan katalis CoMo/γ-Al2O3 aktif pada peak dengan sudut 2θ pada 28o, 44o, dan 66o. Kadar dan %yield biodiesel yang dihasilkan dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya suhu dan waktu. Perhitungan % yield biodiesel yang dihasilkan dihitung menggunakan rumus: Yield = Kadar biodiesel x Berat biodiesel x 100% Berat Minyak Berikut merupakan grafik hasil uji Gas Chromatography pengaruh waktu, pengaruh temperatur, pengaruh jumlah katalis terhadap %yield yang dihasilkan.
3.1 Pengaruh Waktu Berikut merupakan grafik hasil uji Gas Chromatography pengaruh waktu reaksi terhadap % yield yang dihasilkan :
% Yield
Grafik % Yield thd Waktu (menit) 30 27.5 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
60 C 70 C 80 C 0
30
60
90
120
150
180
Waktu (menit) pada 1% Katalis
Gambar IV.3 Pengaruh waktu reaksi pada 1% katalis
% Yield
Grafik % Yield thd Waktu (menit) 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
60 C 70 C 80 C 0
30
60
90
120
150
180
Waktu (menit) pada 2% Katalis
Gambar IV.4 Pengaruh waktu reaksi pada 2% katalis
% Yield
Grafik % Yield thd Waktu (menit) 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
60 C 70 C 80 C 0
30
60
90
120
150
180
Waktu (menit) pada 3% Katalis
Gambar IV.5 Pengaruh waktu reaksi pada 3% katalis Pada penelitian ini, variabel waktu yang digunakan adalah 30, 60, 90, 120, dan 150 menit. Dari gambar grafik IV.3 pada 60 oC, %yield cenderung naik dari waktu 30-90 menit namun turun pada waktu 120 menit, berbeda pada saat 80 oC, justru pada waktu 120 menit mengalami kenaikan %yield, sedangkan pada 70 oC, semakin lama waktu, %yield semakin menurun. Pada gambar grafik IV.4, pada temperatur 60 dan 80 oC semakin lama waktu, %yield yang dihasilkan semakin menurun, berbeda dengan temperatur 70 oC, %yield semakin naik pada waktu 120-150 menit. Dan pada gambar grafik IV.5 terlihat bahwa semakin lama waktu reaksi, semakin tinggi pula % yield yang dihasilkan. Hal ini terlihat pada temperatur 60 dan 70 oC yang cenderung naik pada waktu 120-150 menit. IV.2.2 Pengaruh Temperatur Berikut merupakan grafik hasil uji Gas Chromatography pengaruh temperatur terhadap % yield yang dihasilkan :
% Yield
Grafik % yield thd Temperatur (C) 30 27.5 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
t = 30" t = 60 " t = 90" 50
60
70
80
Temperatur (C) pada 1% Katalis
90
t = 120" t = 150"
Gambar IV.6 Pengaruh temperatur pada 1% katalis
% Yield
Grafik %Yield thd Temperatur (C) 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
t = 30" t = 60" t = 90" 50
60
70
80
90
t = 120" t = 150"
Temperatur (C) pada 2 % Katalis
Gambar IV.7 Pengaruh temperatur pada 2% katalis
% Yield
Grafik % Yield thd Temperatur (C) 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
t = 30" t = 60" 50
60
70
80
Temperatur (C) pada 3 % Katalis
90
t = 90" t = 120" t = 150"
Gambar IV.8 Pengaruh temperatur pada 3% katalis Reaksi transesterifikasi ini dioperasikan pada temperatur 60, 70 dan 80 oC dengan rasio minyak dan metanol 1:12. Dari gambar grafik IV.6, terlihat pada 1% katalis dan temperatur 60 o C didapat kenaikan % yield dari 30-90 menit kemudian turun. Sedangkan pada 70 oC, kenaikan %yield justru pada waktu 120-150 menit. Dan pada temperatur 80 oC %yield cenderung semakin lama semakin menurun. Pada gambar grafik IV.7 juga mengalami hal yang sama dimana pada 2% katalis, semakin tinggi temperatur (60 ke 80 oC) semakin kecil %yield yang dihasilkan, namun pada 70 oC dapat dilihat semakin lama semakin naik/semakin besar %yield yang dihasilkan. Dan pada gambar grafik IV.8 terlihat bahwa temperatur juga merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi besarnya % yield yang dihasilkan. Pada temperatur 60 dan 70 oC dengan 3% katalis, kenaikan terjadi pada waktu 120-150 menit, untuk 80 oC tetap mengalami penurunan dari 1%, 2% maupun 3% katalis. Jadi, semakin tinggi temperature maka semakin turun %yield yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan temperatur 70 dan 80 oC melampaui temperatur titik didih metanol, sehingga peluang kehilangan metanol dalam kondisi operasi tersebut akan semakin besar, menyebabkan reaksi tidak berjalan sempurna dan %yield yang dihasilkan pun kecil.
IV.2.3 Pengaruh Jumlah Katalis Berikut merupakan grafik hasil uji Gas Chromatography pengaruh jumlah katalis terhadap % yield yang dihasilkan :
Grafik % Yield thd % Katalis % Yield
30 20
t = 30"
10
t = 60"
0
t = 90" 0%
1%
2%
3%
4%
% Katalis (pada T = 60 C)
t = 120" t = 150"
Gambar IV.9 Pengaruh jumlah katalis pada T = 60 oC
% Yield
Grafik % Yield thd % Katalis 27.5 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 0
t = 30" t = 60" t = 90" 0% 1% 1% 2% 2% 3% 3% 4%
t = 120"
% Katalis (pada T = 70 C)
t = 150"
Gambar IV.10 Pengaruh jumlah katalis pada T = 70 oC
% Yield
Grafik % Yield thd % Katalis 12.5 10 7.5 5 2.5 0
t = 30" t = 60" t = 90" 0%
1%
2% % Katalis (pada T = 80 C)
3%
4%
t = 120" t = 150"
Gambar IV.11 Pengaruh jumlah katalis pada 80 oC Dari gambar grafik pengaruh jumlah katalis terlihat bahwa hasil %yield tertinggi pada 1% jumlah katalis, temperatur 60 oC, dan waktu reaksi 90 menit yaitu 26,53%. Hal ini dapat dilihat pada gambar grafik IV.9, pada temperatur 60 oC dan 1% katalis, %yield cenderung naik dari 3090 menit, kemudian turun pada waktu 120 menit. Pada 2% dan 3% katalis juga sama terjadi kenaikan dari 30-90 menit, kemudian turun pada waktu 120 menit. Pada gambar grafik IV.10 dengan temperatur 70 oC, dan 1% katalis justru mengalami penurunan mulai dari 30-150 menit, pada 2% dan 3% katalis justru menunjukkan kenaikan %yield pada waktu 120 menit. Dan pada gambar grafik IV.11 dengan temperatur 80 oC, terlihat bahwa % yield naik pada pertambahan berat katalis 1% dan 2% pada waktu reaksi 120-150 menit, sedang pada 3% katalis %yield semakin lama semakin menurun. Pertambahan jumlah katalis dapat meningkatkan kecepatan reaksi sehingga kemurnian yang dihasilkan meningkat. Akan tetapi, dengan bertambahnya jumlah katalis akan semakin banyak pula jumlah produk yang teradsorb ke dalam katalis. Hal ini dikarenakan tidak dilakukan pencucian pada katalis untuk mendapatkan kembali produk yang teradsorb. Dan %yield yang dihasilkan tertinggi justru pada variabel jumlah katalis terkecil yaitu 1% katalis. IV.3 Yield untuk Reaksi Perengkahan Reaksi perengkahan dilakukan dalam reaktor batch dengan tekanan konstan 10 atm dan temperatur reaksi 350 oC. Sampling dilakukan tiap 30 menit. Berikut merupakan grafik hasil uji Gas Chromatography reaksi perengkahan terhadap % yield yang dihasilkan :
1 % Yield
0.8 0.6
biosolar
0.4
biokerosene
0.2
biogasoline
0 30
60
90
120
150
Waktu (menit)
Gambar IV.12 Pengaruh waktu terhadap %yield %yield Dari grafik terlihat bahwa produk biofuel yang paling banyak dihasilkan adalah biosolar. Pada penelitian ini dihasilkan % yield terbesar yang nilainya sangat kecil yaitu sebesar 0,079% pada biogasolin,, 0,103% pada biokerosin, dan 0,818% pada biosolar.. Hal ini dikarenakan beberapa faktor, salah satunya yaitu waktu reaksi yang relatif singkat, sehingga minyak belum terkonversi secara sempurna.
