Analisa Pemanfaatan Gas Produk dari Reaksi Steam Reforming Methanol pada Permukaan

ISSN 1979-0880

Jurnal Nanosains & Nanoteknologi Edisi Khusus, Agustus 2009

Analisa Pemanfaatan Gas Produk dari Reaksi Steam Reforming Methanol pada Permukaan Katalis Cu/ZnO/Al 2 O 3 yang Disintesis Menggunakan Metoda Simple Heating Ahmad Rifqy Marully, Mikrajuddin Abdullah(a), dan Khairurrijal Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesa 10, Bandung 40132, Indonesia; (a) E-mail: [email protected] Diterima Editor Diputuskan Publikasi

: :

23 Mei 2009 30 Mei 2009

Abstrak Telah disintesis tiga sampel katalis Cu/ZnO/Al 2 O 3 dengan metoda simple heating. Semua katalis yang dihasilkan memiliki luas permukaan realtif lebih kecil dibandingkan dengan katalis serupa yang disintesis dengan metoda copresipitasi. Dengan kecilnya luas permukaan ini, aktifitas katalis pada reaksi Steam Reforming Methanol mejadi rendah. Rendahnya aktifitas katalis ini, justru menjadi keuntungan apabila gas produk dari reaksi tersebut dapat dijadikan bahan bakar untuk mesin motor bakar konvensional Kata kunci : Steam Reforming Methanol, katalis Cu/ZnO/Al 2 O 3 , Simple Heating, Copresipitasi

1. Pengantar Nanokatalis Cu /ZnO/Al 2 O 3 adalah s alah s atu katalis y ang da pat digunakan pada r eaksi Steam Reforming Methanol (SRM), sesuai dengan reaksi CH 3 OH ( g ) + H 2 O( g ) → CO 2 + 3H 2 ∆Hr o = 50 kJ mol−1

2. Eksperimen Tiga sampel dibuat de ngan k omposisi perbandingan mol C u : Zn : A l = 2 : 1 : 0,1. S etiap prekursor di campur dengan PEG dan aquades, kemudian dipanaskan hi ngga t emperatur 6000C u ntuk s ampel pertama, 8 000C unt uk s ampel ke dua dan 10000C unt uk sampel k e t iga. Secara u mum p rosedur s intesis diperlihatkan oleh Gambar 1.

(1)

Gas hi drogen yang di hasilkan di peruntukkan sebagai bahan ba kar untuk ke ndaraan be rbasis f uel cell. Reaksi tersebut b erlangsung di pe rmukaan ka talis pa da temperatur 300 0C [11]. Katalis ini dapat disintesis dengan metoda Impregnasi dan Co-presipitasi [7,4,10]. Namun, Sintesis ka talis menggunakan ke dua m etoda tersebut membutuhkan satu sampai dua hari. Oleh karenanya, saat ini k ami m engembangkan metoda s intesis katalis y ang memerlukan w aktu lebih s ingkat da ri ke dua metoda sebelumnya, h anya dalam o rade j am. M etoda i ni k ami namakan simple heating. Diharapkan s ingkatnya wa ktu sintesis da pat menurunkan bi aya pr oduksi pe mbuatan katalis. Hasil y ang di peroleh dengan m etoda i ni menunjukkan bahwa l uas pe rmukaan ka talis Cu/ZnO/Al 2 O 3 yang dihasilkan memiliki luas permukaan yang r elatif lebih ke cil di banding dengan ke dua m etoda sebelumnya, sesuai dengan hasil yang kami peroleh pada penelitian i ni. Ha l i nilah y ang m enjadi pe nyebab rendahnya konversi m ethanol ke hidrogen pa da temperatur dibawah 3000C. Karenanya, selain mensintesis katalis, ka mi j uga m elakukan s tudi u ntuk m elihat kemungkinan penggunaan katalis i ni pa da ke ndaraan motor bakar konvensional—bukan berbasis fuel cell.

Cu(NO3)2●3H2O+H2O Zn(NO3)2●3H2O+H2O Al(NO3)2●3H2O+H2O

PEG, Wm=20 000

Campur pada temperatur >1000C

Pemanasan pada temperatur 6000C untuk sampel 1, 8000C untuk sampel 2 dan 10000C untuk sampel 3

Gambar 1. P rosedur sintesis katalis Cu /ZnO/Al 2 O 3 menggunakan metode simple heating

56

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009

57

Hasil karakterisasi BET, diketahui luas permukaan spesifik u ntuk sampel pertama adalah 4,5294 m2/g, sampel kedua 1,2268 m2/g dan sampel ketiga 0,4008 m2/g. Sedangkan ukuran p ori u ntuk s ampel pe rtama a dalah 11,101 Å, s ampel ke dua 11,032 Å dan s ampel ketiga 10,917 Å. Dari hasil BET ini, terlihat bahwa luas permukaan spesifik u ntuk s emua s ampel masih ja uh dibawah ha sil yang di peroleh Firmansyah[4] 43,2 m 2/g ( semua parameter p embuatan k atalisnya sama, h anya b erbeda metoda, Firmansyah menggunakan metoda copresipitasi). Namun de mikian, w aktu y ang diperlukan pa da m etoda simple heating ha nyalah 1 ,5 jam, ja uh l ebih s ingkat da ri yang dibutuhkan oleh metoda copresipitasi (kurang lebih 2 hari). Luas permukaan yang relatif kecil ini, menjadikan aktifitas k atalis j adi t idak s empurna, karennya hidrogen yang dihasilkan pa da reaksi S RM y ang menggunkan katalis ini tidaklah sebanyak yang dihasilkan oleh katalis yang s ama de ngan m etoda c opresipitasi p ada t emperatur reasi y ang sama. S ehingga, g as produk d ari r eaksi S RM masih mengandung methanol dan air yang tidak bereaksi. Masalah i ni j ustru a kan m enjadi keunggulan jika gas produk dari r eaksi S RM da pat diaplikasikan pa da mesin motor bakar konvensional. 3. Gas Produk SRM pada Motor Bakar Pengaplikasian gas hidrogen (100% hidrogen) pada mesin m otor bakar konvensional t ersandung m asalah backfiring dan preignition. Back firing adalah ke luarnya api d ari intake manifold. Hal i ni di karenakan hidrogen yang m asuk ke da lam r uang ba kar t elah t erlebih da hulu terbakar oleh busi sebelum katup intake manifold tertutup. Sedangkan pre ignition adalah terbakarnya hidrogen karena hot spot (dari karbon) da lam ruang ba kar. Sehingga hi drogen t erbakar sebelum busi menyala. Ditambah lagi karena temperatur pembakaran yang tinggi pada r uang b akar, pembakaran (oksidasi) hidrogen da n udara (O 2 + N 2 ) akan memperbanyak k adar N O x pada gas b uang. Di s isi l ain, k arena densitas energi g as hidrogen y ang ke cil, m aka pembakaran a kan c enderung stabil pada k ondisi lean operation dan vol ume tangki penyimpanan bahan bakar akan membesar. S emua i nilah masalah-masalah y ang di hadapai ketika gas hi drogen di aplikasikan pada motor bakar konvensional. Namun k arena ya ng d iinginkan a dalah pengaplikasian g as pr oduk da ri r eaksi S RM ya ng tid ak sempurna ( masih m engandung a ir dan m ethanol y ang tidak b ereaksi), m aka permasalahan y ang m uncul, s eperi pre-ignition dan back firing, ada kemungkinan berkurang. Selain i tu, k alor yang terbuang pa da motor ba kar konvensional da pat digunakan untuk r eaksi S RM, sehingga efisiensinya meningkat. Banyaknya kalor tersedia pada saluran gas buang, yang da pat digunakan unt uk r eaksi S RM, dapat dihitung menggunakan persamaan •

•

= Q m c p ∆T

(2)

•

Dengan Q adalah laju perpindahan kalor dari gas buang, dan ∆T adalah pe rbedaan t emperatur a ntara t emperatur •

di s istem da n di l ingkungan. Sedangkan m adalah l aju masa f luida (dalam h al i ni; laju ga s buang) da lam pipa •

pembuangan. m didefinisikan oleh persamaan •

m = ρU m Aτ

(3)

Dengan ρ adalah m asa j enis g as b uang, dan U m serta Aτ adalah k ecepatan rata-rata fluida da n l uas f rontal dari aliran fluida. Untuk mencari U m digunakan hubungan = Re d

ρU m D U m D = µ ν

(4)

dengan ρ adalah masa jenis fluida / gas buang (kg/m³) µ adalah viskositas dinamik dari fluida (Pa·s or N·s/m²) ν adalah viskositas kinetik dari fluida (m²/s) Re d adalah bilangan Reynolds yang menyatakan apakah a liran s uatu fluida i tu l aminar a tau t urbulen. Apabila Re d > 230 0, maka a liran s uatu f luida dikategorikan beraliran turbulen. Dengan kondisi m otor s eperti di tunjukkan di bawah ini : Putaran mesin : Temperatur pada inlet gas buang : Temperatur lingkungan sekitar : Perbedaan temperatur keduanya : Rata-rata temperatur : Diameter luar pipa knalpot : Diameter dalam pipa knalpot :

2500 rpm 400 0C 25 0C 375 0C 212,5 0C 0,023 m 0,019 m

dan dengan mengasumsikan ga s bua ng s ebagai udara yang berprilaku ga s i deal ( dalam kon disi steady state), maka p ada ev aluasi di T r ata-rata 21 2,50 C = 485,5 K , diperoleh Cp = 1021, 0036 J/kg K

ρ =0, 71968 kg/m3 = ν 36,87 × 10−6 m2/s

= µ 264, 28 × 10−7 N.m /s2 = α 53,85 × 10−6 m2/s k = 47,96

Sehingga d 

= m 1, 4085 × 10 •

−3

ari

persamaan (3

)

diperoleh

kg/s dan dari p ersamaan ( 2) diperoleh

Q = 557,52 Watt atau setara de ngan 0, 557 kJ/s. I nilah

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009

58

besarnya ka lor y ang b isa di manfaatkan untuk memanaskan katalis. Dengan kalor sebesar ini, sesuai dengan persamaan (1), maka hidrogen yang bisa dihasilkan adalah 0,03 mol / s a tau 0 ,6 l iter/s p ada k eadaan STP. N ilai i ni setara dengan ni lai heating value bahan ba kar yang di perlukan untuk menjalankan motor bebek 10 Hp. Salah s atu alasan menggunakan h idrogen s ebagai bahan ba kar adalah ka rena ni lai energi pembakarannya (Heating Value) ny a y ang t inggi, dibandingkan d engan bahan bakar yang lain. Seperti diperlihatkan oleh Tabel 1 Tabel 1. Komparasi HHV dan LHV berbagai bahan bakar Fuel Higher Heating Lower Heating Value (at 25 ºC and 1 Value (at 25 ºC and atm) 1 atm) Hidrogen 61,000 Btu/lb 51,500 Btu/lb (141.86 kJ/g) (119.93 kJ/g) Methane 24,000 Btu/lb 21,500 Btu/lb (55.53 kJ/g) (50.02 kJ/g) Propane 21,650 Btu/lb 19,600 Btu/lb (50.36 kJ/g) (45.6 kJ/g) Gasoline 20,360 Btu/lb 19,000 Btu/lb (47.5 kJ/g) (44.5 kJ/g) Diesel 19,240 Btu/lb 18,250 Btu/lb (44.8 kJ/g) (42.5 kJ/g) Methanol 8,580 Btu/lb 7,760 Btu/lb (19.96 kJ/g) (18.05 kJ/g)

Sebagai pe rbandingan, di butuhkan s etidaknya 8 000 l iter hidrogen pa da t ekanan 3600 p si u ntuk menghasilkan pembakaran y ang s etara dengan 500 l iter s olar. P ada Tabel 2 diperlihatkan komparasi berbagai energi desnisity bahan bakar Tabel 2. Perbandingan energi densitas dari berbagai bahan bakar Fuel Energi Densitas (LHV) / vol Hidrogen

48,900 Btu/ft3 (1,825,000 kJ/m3); gas at 3,000 psig (200 barg) and 60 ºF (15 ºC) 121,000 Btu/ft3 (4,500,000 kJ/m3); gas at 10,000 psig (690 barg) and 60 ºF (15 ºC)

Methane

ηr =

3 LHVH 2 LHVCH3OH ( g )

(5)

Sehingga, keseluruhan efisiensi termal untuk motor bakar torak adalah

ηkeseluruahan = ηiηr

(6)

Selain karena tingginya heating value dari hidrogen, masalah y ang di hadapi a dalah de nsitas hidrogen y ang sangat ke cil d ibandingkan dengan ba han ba kar lainnya. Karena s ifat i ni, hidrogen s ulit be roperasi pa da rich operation dalam motor ba kar. Y ang t entunya a kan menurunkan power output dari mesin. Selain itu, densitas hidrogen y ang ke cil a kan m enyulitkan m enyimpanannya dalam kendaraan, dibandingkan dengan bahan bakar c air lainnya. Kecilnya de nsitas hidrogen i ni, a kan s ecara langsung a kan m enurunkan pula energi densitas nya

227,850 Btu/ft3 (8,491,000 kJ/m3); liquid 875 Btu/ft3 (32,560 kJ/m3); gas at 1 atm and 60 ºF (15 ºC) 184,100 Btu/ft3 (6,860,300 kJ/m3); gas at 3,000 psig (200 barg) and 60 ºF (15 ºC)

Propane Dengan m assa y ang s ama hi drogen memiliki energi y ang paling t inggi. Steam Reforming Methanol yang m enghasilkan ga s hidrogen, dengan de mikian, memiliki ke unggulan dari p ada m enggunakan m ethanol langsung u ntuk dibakar. Dengan m engubahnya m enjadi hidrogen, m aka t erjadi pe ningkatan e nergi ba han bakar, sehingga t erjadi juga p eningkatan e fisiensi t ermal, d alam hal i ni t erjadi heat recovery untuk m enaikkan he ating value ba han bakar [ 13]. Diperkenalkanlah d erajat kenaikan heating value

270 Btu/ft3 (10,050 kJ/m3); gas at 1 atm and 60 ºF (15 ºC)

Gasoline

561,500 Btu/ft3 (20,920,400 kJ/m3); liquid 2,325 Btu/ft3 (86,670 kJ/m3); gas at 1 atm and 60 ºF (15 ºC) 630,400 Btu/ft3 (23,488,800 kJ/m3); liquid 3 836,000 Btu/ft (31,150,000 kJ/m3); liquid

Diesel

843,700 Btu/ft3 (31,435,800 kJ/m3) minimum; liquid

Methanol

424,100 Btu/ft3 (15,800,100 kJ/m3); liquid

Oleh ka rena i tulah di butuhkan reaktor h idrogen yang portabel agar nantinya t idak dibutuhkan l agi t angki hidrogen bertekan u ntuk m enyimpan hidrogen. C ukup dengan m enyimpan c ampuran m etanol a ir dalm t angki bahan ba kar. Inilah ke lebihan da ri penggunaan reaktor SRM dalam kendaraan. Dengan a danya C O dan ua p m etanol (yang tid ak bereaksi) da pat ju ga m empengaruhi e fisiensi m esin. Ha l ini d isebabkan, walaupun tid ak banyak hid rogen ya ng masuk ke r uang bakar ( karena de nsitas energi n ya yang kecil), adanya C O dan uap m etanol a kan mengkompensasi kekurangan i ni. Mengingat metanol memiliki densitas e nergi yang lebih tinggi daripada hidrogen. Selain d ari s isi energi dan densitasnya, s ifat-sifat pembakaran hidrogen juga harus dianalisis. Sifat hidrogen yang m emiliki flammability limit yang l uas m enjadikan hidrogen bisa dibakar pada rentang Air to Fuel ratio yang

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009

59

luas. s ehingga dengan sedikit saja hidrogen, motor bakar sudah mulai dapat di nyalakan. P ada G ambar 2 di perlihatkan perbandingan flammability limit dari berbagai bahan bakar.

ignition energy. sifat-sifat inilah yang meningkatkan terjadinya preignition dan back firing. I nilah masalah terbesar y ang di hadapi oleh m otor bakar a pabila diaplikasikan hidrogen. Tabel 3. Perbandingan Oc tane number da ri be rbagai bahan bakar fuel Octane Number Hidrogen 130+ (lean burn) Methane 125 Propane

105

Octane

100

Gasoline

87

Diesel

30

Namun, karena ki ta t idak m empergunakan hi drogen murni s ebagai ba han bakar, m elainkan gas ha sil r eaksi SRM, maka k ekurangan t erebut d apat diminimalisir. Adanya uap a ir ( yang t idak bereaksi) a kan m enurunkan temperatur ruang ba kar, s ehingga da pat m engurangai kemungkinan t erjadinya preignition. Hal i ni t erjadi lantaran hot s pot y ang a da dalam r uang bakar m enurun temperaturnya. Da n karena uap a ir i ni a kan menurunkan temperatur pembakaran maksimal, maka kadar NO x akan menurun pula. Gambar 2. P erbandingan flammability limit berbagai bahan bakar Luasnya flammability limit ini, menjadikan dimungkinkan pe ningkatan pe rbandingan k ompresi. Dengan m eninggkatnya pe rbandingan k ompresi, maka sesuai dengan nilai efisiensi teoretik mesin Otto 4 langkah

(8)

4. Kesimpulan Dengan kecilnya l uas pe rmukaan katalis y ang disintesis de ngan metoda simple heating, m enjadikan reaksi S RM t idak s empurna p ada t emperatur 3000C. Namun, j ustru karena ke tidaksempurnaan r eaksi ini, ga s produk da ri r eaksi S RM dimungkinkan u ntuk diaplikasikan pada ke ndaraan m otor bakar k onvensional. Masalah-masalah y ang t imbul ke tika hi drogen dijadikan bahan ba kar ke ndaraan motor ba kar, akan tereduksi dengan adanya ga s C O dan campuran methanol a ir y ang tidak bereaksi.

dengan

Referensi

r adalah perbandingan kompresi yang didefinisikan oleh

[1] M. Adullah, I.W. Lenggoro, B. Xia, and K. Okuyama. J. Ceram. Soc. Jpn. 113, 97 (2005) [2] M. Ad ullah, I. W L enggoro, B . Xia, K .Taya, a nd K.Okuyama, J. Non-Crystalline S olids. 351, 697 (2005) [3] M. Abdullah and K. Okuyama. Proc. ITB En g. Sci. 36 B ,(2004) [4] D. Firmansyah, Tesis Magister, I nstitut T eknologi Bandung(2006) [5] J.H. Hirschenhofer, D .B. Stauffer, a nd R .R. Engleman, Fuel Cell Handbook, Fourth Edition. U.S Department of Energi(1998) [6] E.S. Janitra dan S .B.G. Sianturi, T ugas K uliah T K40Z1. (2006) [7] H. Purnama, Technischen Universitat Berlin, Berlin (2003)

V L = volume langkah torak, cm3 V S = volume sisa , cm3

efisiensi t eoretik a kan meningkat p ula. S elain i tu, octan number dari hidrogen juga s angat t inggi di bandingkan dengan bahan ba kar l ainnya, s eperti ditunjukkan ol eh Tabel 3. Tingginya nilai oktan da ri hidrogen, akan memperkecil kemungkinan terjadinya detonasi. Selain s emua k elebihan t ersebut,kelemahan pembakaran hidrogen disebabkan oleh flame speed yang tinggi, quencing distance yang ke cil s erta r endahnya

J. Nano Saintek. Edisi Khusus, Agust. 2009

[8] P. Reuse, A. Renken, K. Haas-Santo, O. Görke, and K. Schubert, Chem. Eng. J. 101, 133 (2004) [9] J. T. Richardson, Principles of Catalyst Development, New York: Plennum Press (1989). [10] M.V. Twigg, Catalyst Handbook, London: Manson Publishing (1997) [11] V. Agarwal et al. Appl. Catal. 279, 155 (2005). [12] Collage of D esert, Modu le 3 : Hydrogen Use in Internal Combustion Engine, Desember (2001). [13] T. Shudo, Int. J. Veh. Design 41, 206 (2006). [14] A. D. Putra, Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin ITB (2007) [15] Collage o f D esert, M odule 1: Hydrogen Properties, Desember (2001).

60