BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Akrilamida Akrilamida adalah bahan organik yang memiliki satu ikatan rangkap dengan
rumus kimia C3H5NO. Akrilamida merupakan salah satu monomer hidrofilik yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan poliakrilamida, berwarna putih, tidak berbau, berbentuk kristal padat yang sangat mudah larut dalam air, metanol, etanol, etil asetat, eter, aseton, sedikit larut dalam kloroform dan mudah bereaksi pada gugus amida atau ikatan rangkapnya. Polimerisasi mudah terjadi pada titik leburnya atau di bawah sinar ultraviolet. Akrilamida dalam larutan bersifat stabil pada suhu kamar dan tidak berpolimerisasi secara spontan. Akrilamida tidak kompatibel dalam suasana asam, basa, oksidator, dan besi. Pada kondisi normal, akrilamida terdekomposisi menjadi amonia tanpa pemanasan atau menjadi karbon dioksida, karbon monoksida, dan oksida nitrogen dengan pemanasan Struktur kimia : O H2C = CH
C
NH2
Gambar 2.1 Struktur Kimia Akrilamida Poliakrilamida adalah zat penggumpal polimer sintetik yang sering dipakai dalam pengolahan air limbah karena daya ikatnya yang kuat terhadap partikel tersuspensi dalam air. Poliakrilamida juga banyak digunakan di laboratorium untuk penelitian dan analisis. Akrilamida juga digunakan sebagai bahan baku untuk membuat beberapa jenis zat penjernih, perekat, tinta cetak, zat warna sintetik, zat penstabil
emulsi,
kertas,
kosmetik,
dan
beberapa
monomer
seperti
N-
butoksiakrilamida dan N-metoksiakrilamida. Akrilamida juga digunakan sebagai kopolimer pada pembuatan lensa kontak. Di samping itu, akrilamida juga digunakan dalam konstruksi fondasi bendungan atau terowongan (Muliani & Trinovitarini 2008). Pada umumnya, akrilamida yang terdapat di alam adalah buatan manusia, berasal dari residu monomer yang dilepaskan dari poliakrilamida untuk perawatan air minum karena tidak seluruh akrilamida terkoagulasi dan tetap berada di air sebagai II - 1 Universitas Sumatera Utara
pencemar. Akrilamida terdistribusi dengan baik dalam air karena kelarutannya yang tinggi dalam air. 2.2
Bahan Baku Pembuatan Akrilamida 2.2.1 Akrilonitril Akrilonitril adalah monomer sintesis yang dihasilkan dari propylene dan
ammonia. Akrilonitril (CH2CHCN) yang dihasilkan dari propilena, ammonia dan oksigen dengan mencampurkan katalis oksida. Reaksi pembentukan akrilonitril : CH2 = CHCH3 + NH3 + O2 2.2.2
Bi2O3/MoO3
CH2CHCN + 3H2O
Asam Sulfat
Asam sulfat merupakan asam mineral (anorganik) yang kuat. Zat ini larut dalam air pada semua perbandingan. Asam sulfat mempunyai banyak kegunaan dan merupakan salah satu produk utama industri kimia. Produksi dunia asam sulfat pada tahun 2001 adalah 165 juta ton dengan nilai perdagangan seharga US$8 juta. Kegunaan utamanya termasuk pemrosesan bijih mineral, sintesis kimia, pemrosesan air limbah dan penggilingan minyak. Asam sulfat murni yang tidak diencerkan tidak dapat ditemukan secara alami di bumi karena sifatnya higroskopis. Walaupun demikian, asam sulfat merupakan komponen utama hujan asam yang terjadi karena oksidasi sulfur dioksida di atmosfer dengan keberadaan air (oksidasi asam sulfit). Sulfur dioksida adalah produk sampingan utama dari pembakaran bahan bakar seperti batu bara dan minyak yang mengandung sulfur (belerang). Asam sulfat 98% lebih stabil untuk disimpan dan merupakan bentuk asam sulfat yang paling umum. Asam sulfat 98% umumnya disebut sebagai asam sulfat pekat. Terdapat berbagai jenis konsentrasi asam sulfat yang digunakan untuk bebbagai keperluan:
10%, asam sulfat encer untuk keperluan laboratorium
33,53%, asam baterai
62,18%, asam bilik atau asam pupuk
73,61%, asam menara atau asam glover
II - 2 Universitas Sumatera Utara
97%, asam pekat.
Terdapat juga asam sulfat pekat dalam berbagai kemurnian. Mutu teknis H2SO4 tidaklah murni dan seringkali berwarna, namun cocok digunakan untuk membuat pupuk. Mutu murni asam sulfat digunakan untuk membuat obat-obatan dan zat warna. 2.3 Kegunaan Akrilamida Akrilamida digunakan pada proses pengolahan plastik, pengemasan makanan, produksi karet sintesis, dan sebagai pemurni air. Gel akrilamida berperan pada proses elektroforesis sedangkan polimer akrilamida berfungsi juga sebagai bahan flokulasi dan pengental (Ötles, 2004). 2.4 Sifat-Sifat Bahan Baku dan Produk 2.4.1 Akrilonitril 1. Sifat Fisis : - Rumus kimia : C3H3N - Berat molekul : 53,015 g/gmol - Kenampakan : jernih, cairan berbau menyengat - Titik didih 1 atm : 77,3 oC - Titik beku : -83,5 oC - Kelarutan dalam air (20 oC) : 7,3 wt % - pH (5% larutan air) : 6,0 – 7,5 - Densitas (20 oC) : 0,806 g/cm3 - Densitas uap (air = 1) : 1,8 - Volatilitas (78 oC) : . 99% - Tekanan uap (20 oC) : 11,5 kPa - Viskositas (25 oC) : 0,34 cp - Temperatur kritis (Tc) : 246 oC - Tekanan kritis (Pc) : 3,54 mPa - Volume kritis : 3,798 cm3/g
(Othmer, 1978)
2. Data Termodinamika - Entropi (uap, 225 oC, 1 atm) : 65,47 cal/ oC. Mol II - 3 Universitas Sumatera Utara
- Flash point : 0 oC - Energi bebas pembentukan (∆G og, 25 oC) : 195 kJ/mol - Entalpy pembentukan (25 oC)
∆Hg o : 185 kJ/mol
∆Hl o : 150 kJ/mol
- Panas pembakaran (25 oC) : 1761,5 kJ/mol - Panas penguapan (25 oC) : 32,65 kJ/mol - Kapasitas Panas Molar
Cair : 2,09 kJ/(kg.K)
Gas (50 oC) : 1,204 kJ/(kg.K)
- Panas Peleburan Molar : 6,61 kJ/mol - Entropi (gas, 25 oC) : 274 kJ/mol - Panas Pelarutan : -232,12 kkal/gmol - Kelarutan (dalam 100 bagian)
Air (22 oC) : 0,07
Alkohol : soluble
(Perry, 1867)
3. Sifat - Sifat Kimia - Akrilonitril (C3H3N) merupakan molekul tak jenuh yang memiliki karbon karbon dengan ikatan rangkap konjugasi dengan golongan nitril. - Akrilonitril merupakan molekul polar karena adanya nitrogen heteroatom. - Polomerisasi
akrilonitril
dapat
berlangsung
tanpa
inhibitor
hydroquinone. - Akrilonitril dapat bereaksi dengan asam sulfat encer untuk membentuk akrilamid sulfat. CH2=CHCN + H2SO4 .H2O
CH2=CHCONH3.H2SO4
- Data kelarutan akrilonitril dalam air
II - 4 Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 Data Kelarutan Akrilonitril dalam Air Temperatur
Akrilonitril di dalam air
Air di dalam akrilonitril
(oC)
(% berat)
(% berat)
-50
0,4
-30
1,0
0
7,1
2,1
10
7,2
2,6
20
7,3
3,1
30
7,5
3,9
40
7,9
4,8
50
8,4
6,3
60
9,1
7,7
70
9,9
9,2
80
11,1
10,9 (Kirk & Othmer, 1983)
2.4.2 Asam Sulfat 1. Sifat – Sifat Fisis : - Rumus kimia : H2SO4 - Berat molekul : 98,94 g/gmol - Kenampakan : cairan tak berwarna - Kemurnian : 98% H2SO4, 2% H2O - Densitas : 1,7513 g/cm3 - Titik didih : 249 oC - spesifik grafity : 1,84 2. Sifat – Sifat Kimia : - Asam sulfat adalah zat pengoksida yang kuat. Reaksi yang terjadi adalah : Cu + 2H2SO4
CuSO4 + SO2 + 2H2O
- Asam sulfat pekat dapat digunakan untuk menghilangkan air dari suatu zat. II - 5 Universitas Sumatera Utara
Reaksi yang terjadi adalah : C12H22O11 + 11H2SO4
12C + 11H2SO4.H2O
- Asam sulfat dapat bereaksi dengan Natrium klorida. Reaksi yang terjadi adalah : 2NaCl + H2SO4
Na2SO4 + 2HCl
- Asam sulfat merupakan asam kuat bervalensi 2 dan bersifat higroskopis. 2.4.3 Air 1. Sifat – Sifat Fisis : - Rumus kimia : H2O - Berat molekul : 18,015 g/gmol - Kenampakan : cairan jernih (tak berwarna) - Titik didih : 100 oC - Titik beku : 0 oC - Berat jenis : 0,999 kg/liter - Spesific gravity : 1,004* (liq), 0,09150* (ice) - Titik lebur 1 atm : 0 oC - Titik didih 1 atm : 100 oC - Densitas 25 °C : 0,998 g/ml - Viscositas 25 °C : 894,9 cp - Tekanan kritis : 281,4 atm - Temperatur kritis : 374,15°C - Tekanan uap: 20 °C : 17,54 mmHg 30 °C : 31,82 mmHg 50 °C : 92,51 mmHg 90 °C : 525,80 mmHg 2. Data Termodinamika : - Panas Ionisasi : 55,71 kJ/mol - Panas Pembentukan 18 °C : 285,89 kJ/mol II - 6 Universitas Sumatera Utara
- Panas Penguapan 100 °C : 40,85 kJ/mol - Panas pengembunan 0 °C : 6,01 kJ/mol 3. Sifat –Sifat Kimia : - Merupakan cairan jernih yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. - Merupakan pelarut yang polar. 2.4.4 Ammonia 1. Sifat – Sifat Fisis : - Rumus kimia : NH3 - Berat molekul : 17,03 kg/kmol - Kenampakan : gas, tidak berwarna, mudah menguap, berbau vinnegar - Titik cair normal : -77,7 oC - Titik didih normal (fase gas) :
Fase gas : -33,35 oC
Fase cair (30% NH3, 70% H2O) : 36 oC
- Temperatur kritis : 207,5 oC - Tekanan kritis : 111,3 atm - Volume kritis : 72,5 cm3/gmol - Spesifik gravity pada (-79 oC) : 0,817 dan pada (15 oC) : 0,617 - Densitas : 0,682 g/cc - Kelarutan dalam 100 gr air, 1 atm pada
0 oC : 42,8%
20 oC : 33,1%
40 oC : 23,4%
2. Sifat – Sifat Kimia : - Ammonia anhydrous dalam bentuk cair maupun gas merupakan bahan kimia yang menyebabkan iritasi yang kuat pada kulit, mata dan saluran pernapasan.
II - 7 Universitas Sumatera Utara
- Dalam keadaan normal ( tekanan 1 atm ) berupa gas, tidak berwarna, berbau tajam dan lebih ringan dari udara. - NH3 dapat membentuk campuran mudah terbakar dengan udara pada nilai ambang batas (16 – 25% volume). - Bahaya ledakan NH3 akan semakin meluas apabila kontak langsung dengan oksigen pada temperatur serta tekanan yang tinggi. - Reaksi oksida reduksi NH3 + O2
NO + H2O
Jika tanpa katalis : NH3 + O2
N2 + H2O
CuO + NH3
Cu + H2O + N2
- Reaksi substitusi Masuknya ion H+ dalam ammonia, sering disebut dengan amonisasi. Misalnya : +
NH3 + H2O
-
NH4OH NH4 + OH +
NH3 + Hx
NH4 + X
-
2.4.5 Akrilamida 1. Sifat – Sifat Fisis : - Rumus Kimia : C H NO 3
5
- Berat Molekul : 71,8 g/gmol - Kenampakan : kristal putih - Titik didih (25 mmHg); 125 oC - Titik lebur : 84,5 oC - Densitas (30 oC) : 1,122 g/gmol - Tekanan uap (25 oC) : 0,007 mmHg - Sistem kristal : monoklinik atau triklinik 2. Data Termodinamika : - Panas Pelarutan : 1,099 kcal/mol - Panas Polimerisasi : 19,8 kcal/mol - Panas Peleburan : 59,21 kcal/mol II - 8 Universitas Sumatera Utara
3. Sifat - Sifat Kimia: - Larut dalam air, methanol, etanol dimetil eter dan acetone. - Tidak larut dalam benzene dan heptane. - Mudah berpolimerisasi pada titik leburnya atau di bawah sinar ultra violet. - Akrilamida padat stabil pada suhu kamar, tetapi mudah berpolimerisasi dengan cepat jika kontak dengan bahan oksid seperti chlorine dioxide dan bromine. - Jika dipanaskan susunannya berubah, memancarkan gas beracun, bau menyengat dan nitrogen oxide. - Jika dipanaskan pada suhu tinggi dapat meledak. 2.4.6 Ammonium sulfat 1. Sifat – Sifat Fisis : - Rumus kimia : (NH4)2SO4 - Berat molekul : 132,14 g/gmol - Titik lebur : 512,2 oC - Fase : padat - Warna : putih - Densitas : 1,769 kg/l 2. Sifat – Sifat Kimia: - Sebagai pupuk yang mengandung 2 unsur hara yang dibutuhkan tanaman yaitu Nitrogen dan Belerang. - Medicine. - Katalis untuk membuat makanan menjadi berwarna gelap coklat kemerah-merahan. - Digunakan untuk menghilangkan debu dari kulit - Build Chemical Industry.
II - 9 Universitas Sumatera Utara
2.5 Proses Pembuatan Akrilamida Proses pembuatan acrylamide ada dua macam, yaitu : 1. Metode Asam sulfat Reaksi yang terjadi : - Di Reaktor : CH2 = CHCN + H2SO4 + H2O
CH2 = CHCONH2.H2SO4
- Di Netralizer : CH2=CHCONH2.H2SO4 + 2NH3 H2SO4 + 2NH3
(NH4)2SO4 + CH2=CHCONH2
(NH4)2SO4
Pada proses ini mula-mula antara H2O dengan asam sulfat pekat dicampur menjadi larutan asam sulfat encer. Kemudian direaksikan dengan akrilonitril menjadi akrilamida sulfat pada suhu 90 oC dan tekanan 1 atm. Setelah itu, dinetralkan dengan NH3 untuk mengikat sulfat sehingga akan dihasilkan akrilamida dan ammonium sulfat. Larutan akrilamida dipekatkan dan dikristalkan. Kristal akrilamida kemudian dikeringkan. Metode ini relatif mudah dan memberikan hasil akrilamida sulfat yang tinggi. Proses netralisasi dilakukan dengan menggunakan NH3 di reaktor netralisasi (R-04). Proses ini merupakan tahap yang penting karena dalam proses ini terjadi pemisahan antara akrilamida yang masih mengandung asam sulfat menjadi akrilamida, ammonium sulfat, dan air. Digunakan NH3 karena antara NH3 yang terbentuk dalam akrilamida merupakan senyawa yang tidak saling melarutkan sehingga memudahkan proses pemisahannya.
2. Metode Hidrasi Katalitik Reaksi yang terjadi : CH2 = CHCN + H2O
CH2 = CHCONH2
Pada proses ini menggunakan katalis padat berupa logam tembaga. Reaksi berlangsung selama 1 jam, akrilonitril yang bereaksi diuapkan dan akan terbentuk akrilamida murni. Proses hidrasi berlangsung pada suhu 50°C atau lebih tinggi. Kecepatan akan lebih tinggi dengan meningkatnya suhu. Pada suhu 150°C atau lebih, II - 10 Universitas Sumatera Utara
proses poliomerisasi dari akrilonitril maupun akrilamida murni mulai berlangsung, oleh karena itu temperatur optimal adalah 70 sampai 150 °C. Katalis yang digunakan jika sudah tidak aktif perlu diaktifkan dengan proses regenerasi yang merupakan reaksi yang sangat eksotermis. Oleh karena itu dalam proses ini, hal tersebut merupakan masalah yang harus dihadapi. 2.6 Seleksi Proses Setelah memperhatikan kedua proses tersebut diatas dipilih proses yang pertama, yaitu proses asam sulfat dengan pertimbangan Tabel 2.2 Dasar Pertimbangan Pemilihan Proses No.
Proses
Kelebihan
Kekurangan
1.
Metode Asam Sulfat
- Prosesnya
komersil
dan
lebih sederhana
- Reaksi
harus
dikontrol pada suhu
- Proses pemurnian produk lebih mudah
yang konstan dengan reaksi eksotermis
- Harga produk relatif lebih tinggi 2.
Metode Hidrasi Katalitik
- Reaksi
dapat
dipercepat - Perlu
dengan meningkatkan suhu
regenerasi
adanya katalis
dengan reaksi yang sangat eksotermis - Konversi reaksi relatif rendah (30-50 wt %) akrilamida) 2.7 Deskripsi Proses Bahan baku berupa akrilonitril 99% dari tangki penyimpanan (T-01) dan asam sulfat 98% dari tangki penyimpanan (T-02) yang telah diencerkan terlebih dahulu di dalam mixture tank (MT-01) diumpankan menuju reaktor alir tangki berpengaduk (R-01) dimana reaktor difungsikan untuk mereaksikan akrilonitril dan asam sulfat yang telah diencerkan sehingga terbentuk akrilamida sulfat, dengan sifat reaksi II - 11 Universitas Sumatera Utara
irreversible, eksotermis pada suhu 90°C dan tekanan 1 atm, kondisi operasi isotermal non adiabatis. Reaksi berlangsung di dalam reaktor yang disusun secara seri dengan waktu tinggal keseluruhan di dalam kedua reaktor selama 4,5 jam. Pada reaktor alir tangki berpengaduk konsentrasi menurun cepat sampai ke suatu harga yang rendah. Akibatnya untuk reaksi-reaksi berorde positif volume reaktor yang diperlukan menjadi besar. Untuk itu reaktor disusun seri sehingga konsentrasi reaktan tidak turun secara drastis, tetapi bertahap dari satu tangki ke tangki berikutnya. Dengan cara ini maka kecepatan reaksi di masing-masing tangki akan turun menurun secara bertahap pula, sehingga volume total seluruh reaktor untuk mendapatkan besarnya konversi tertentu akan lebih kecil dibandingkan dengan sistem reaktor tunggal. Akrilamida sulfat yang terbentuk dari R-01 kemudian diumpankan menuju R02 untuk meningkatkan konversi reaksi sehingga diperoleh konversi reaksi yang optimum. Reaksi : C3H3N + H2SO4 + H2O
CH2 = CHCONH2 . H2SO4
Hasil yang keluar dari Reaktor dipurifikasikan dalam netralizer (R-03) menggunakan penetral ammonia untuk memisahkan akrilamida sulfat menjadi akrilamida dan ammonium sulfat yang selanjutnya dipompakan oleh P-07 menuju Centrifuge (CF-01). Reaksi: C3H5NO.H2SO4 + 2NH3 H2SO4 + 2NH3
(NH4)2SO4 + C3H5NO
(NH4)2SO4
Pada centrifuge (CF-01) terjadi pemisahan yang diakibatkan oleh gaya sentrifugal. Gaya ini dihasilkan dari putaran motor yang akan mengakibatkan bahan yang berbeda berat jenisnya terpisah. Hasil pemisahan berupa (NH4)2SO4 dan akrilamida (C3H5NO). Ammonium sulfat (NH4)2SO4 yang terbentuk kemudian diangkut menggunakan belt conveyer (BLC-01) menuju elevator (E-01) untuk diangkut ke dalam washer (W-01) untuk menghilangkan impuritis yang terikut bersama ammonium sulfat (NH4)2SO4. II - 12 Universitas Sumatera Utara
Washer (W-01) ini terdiri dari sebuah drum yang ditutupi dengan suatu medium filter. Drum tersebut berputar dan sebuah katup otomatis yang terdapat di tengah-tengah drum itu beroperasi untuk mengaktifkan proses penyaringan, pengeringan, pencucian, dan melepaskan cake yang ada di dalam siklus itu. Filtrat dikeluarkan melalui poros sumbu filter (saringan) tersebut. Katup otomatis yang ada di dalam washer menyediakan saluran terpisah untuk filtrat dan mencuci cairan. Washer (W-01) ini dilengkapi dengan nozzle sebagai tempat mengalirnya air untuk proses pencucian. (NH4)2SO4 yang telah dicuci kemudian diangkut menggunakan screw conveyer (SC-01) menuju rotary dryer (RD-01) untuk dikeringkan. Proses pengeringan terjadi ketika bahan dimasukkan ke dalam silinder yang berputar, kemudian bersamaan dengan itu udara panas dialirkan dan kontak dengan bahan. Di dalam drum yang berputar terjadi gerakan pengangkatan bahan oleh flights dan menjatuhkannya dari atas ke bawah, terhamburkan melalui udara sehingga kumpulan bahan basah yang menempel tersebut terpisah dan proses pengeringan bisa berjalan efektif. Bahan bergerak dari bagian ujung dryer keluar menuju bagian ujung lainnya akibat kemiringan drum. Bahan yang telah kering kemudian keluar melalui suatu lubang yang berada di bagian belakang pengering drum. Produk ammonium sulfat dengan kemurnian 99% disimpan sementara di dalam silo (S-01) sebelum proses pengepakan. Pada rotary dryer (RD-01) dilengkapi dengan cyclone (CL-01) agar udara yang dikeluarkan dari rotary dryer (RD-01) benar-benar bersih. Aliran fluida (udara) akan diinjeksikan melalui pipa input. Bentuk kerucut cyclone menginduksikan aliran gas atau fluida untuk berputar menciptakan vortex. Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih besar didorong ke arah luar vortex. Gaya gravitasi menyebabkan partikel-partikel tersebut jatuh ke sisi kerucut menuju tempat pengeluaran. Partikel dengan ukuran atau kerapatan yang lebih kecil keluar memalui bagian atas dari cyclone melalui pusat yang bertekanan rendah. Cyclone membuat suatu gaya sentrifugal yang berfungsi untuk memisahkan partikulat dari udara kotor. Gaya sentrifugal timbul saat partikulat di dalam udara masuk ke puncak kolektor silindris pada suatu sudut dan diputar dengan cepat mengarah ke bawah seperti pusaran air. Aliran udara mengalir secara melingkar dan partikulat yang lebih berat
II - 13 Universitas Sumatera Utara
mengarah ke bawah setelah menabrak ke arah dinding cyclone dan meluncur ke bawah. Sementara akrilamida yang telah dipisahkan di centrifuge (CF-01) dipompakan oleh P-08 menuju heat exchanger (HE-01). Di sini terjadi perpindahan panas dengan melewatkan 2 fluida dengan panas yang berbeda. Proses ini bertujuan untuk mendinginkan larutan akrilamida sebelum dikristalisasi. Setelah didinginkan di HE-01, larutan akrilamida kemudian dialirkan ke crystallizer (CR-01). Crystallizer (CR-01) ini berupa saluran pipa yang dilapisi dengan jaket pendingin. Proses kristalisasi ini dilakukan dengan cara mendinginkan larutan. Pada saat suhu larutan turun, komponen zat yang memiliki titik beku lebih tinggi akan membeku terlebih dahulu, sementara zat lain masih larut sehingga keduanya dapat dipisahkan dengan cara penyaringan. Zat lain akan turun bersama pelarut sebagai filtrat, sedangkan zat padat tetap tinggal di atas saringan sebagai residu. Kristal yang terbentuk akan menempel di dinding pipa tersebut dan akan diambil dengan scraper blades yang digerakkan oleh katrol. Kemudian kristal akan dikeluarkan pada salah satu ujungnya. Mother liquor akan direcycle ke netralizer (R03). Kristal yang terbentuk diangkut oleh screw konveyer (SC-01) menuju rotary dryer (RD-02) untuk dikeringkan. Setelah kering, kristal akrilamida akan diangkut menggunakan belt conveyor (BLC-02) menuju silo (S-02) dan disimpan sementara di dalam silo sebelum proses pengepakan.
II - 14 Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
