BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.
Sintesa Katalis Dalam penelitian ini, katalis disintesis menggunakan metode impregnasi kering.
Metode ini dipilih karena metode impregnasi merupakan metode sintesis yang dapat dilakukan dengan mudah dan membutuhkan waktu yang relatif singkat apabila dibandingkan dengan metode kopresipitasi. Dibandingkan dengan metode impregnasi basah, impregrasi kering dianggap sebagai metode yang tepat karena adanya kemudahan perhitungan volume pori penyangga (γ-alumina). Bahan-bahan yang diperlukan dalam sintesis katalis yaitu Cu(NO3)2.3H2O, Zn(NO3)2.4H2O, dan γ-alumina. Senyawa Cu dan Zn dipilih dalam bentuk garam nitrat karena kelarutannya yang tinggi sehingga memudahkan proses impregnasi. Selain itu, ion nitrat yang terbentuk mudah dihilangkan melalui proses kalsinasi. Pemilihan γalumina sebagai penyangga didasari atas karakteristik γ-alumina yang memiliki luas permukaan yang besar, struktur yang stabil, dan harga yang relatif murah. Sebelum diimpregnasi, γ-alumina dikeringkan selama 2 jam pada suhu 120°C untuk menghilangkan molekul-molekul air yang terkandung sehingga larutan Cu(NO3)2.3H2O dan Zn(NO3)2.4H2O dapat terserap dengan baik tanpa terhalangi molekul-molekul air. Senyawa Cu(NO3)2.3H2O dan Zn(NO3)2.4H2O dilarutkan dalam aqua dm hingga volume larutannya tertentu. Volume larutan ditentukan sedemikian hingga proses impregnasi tidak terlalu basah ataupun kering. Pada penelitian ini, volume larutan yang digunakan adalah 1,35 kali volume pori penyangga. Sebelumnya telah dicoba menggunakan volume larutan 1,3 dan 1,4 kali volume pori penyangga. Namun, hasil yang diperoleh kurang memuaskan karena proses impregnasi terlalu kering untuk volume larutan 1,3 kali dan terlalu basah untuk volume larutan 1,4 kali. Setelah diimpregnasi, katalis dikeringkan pada temperatur 120°C selama 12 jam. Hal ini dilakukan untuk menghilangkan air yang terkandung dalam katalis hasil impregnasi. Setelah selesai dikeringkan, katalis kemudian dikalsinasi pada temperatur
39
360°C selama 2 jam. Proses kalsinasi dilakukan untuk menyingkirkan sisa-sisa ion nitrat dan mendapatkan senyawa oksida dari Cu dan Zn. Selama kalsinasi berlangsung, senyawa Cu(NO3)2.3H2O dan Zn(NO3)2.4H2O akan terdekomposisi menjadi CuO, ZnO, dan NOx. Setelah dikalsinasi, katalis direduksi di dalam reaktor selama 6 jam dengan rentang temperatur dari 166oC – 300oC. Prosedur sintesis, uji aktivitas, dan uji stabilitas dilakukan sesuai prosedur Janitra dan Sianturi (2007). Spesifikasi katalis dan prosedur operasi dicantumkan pada tabel di bawah ini. Tabel 4.1 Spesifikasi katalis dan prosedur operasi oleh Janitra dan Sianturi (2007) Spesifikasi Katalis Rasio berat Cu(NO3)2:Zn(NO3)2:Al(NO3)3 Volume larutan Preparasi Katalis Massa katalis Lama pengeringan gamma-alumina Temperatur pengeringan Lama kalsinasi katalis Temperatur kalsinasi Laju kenaikan temperatur kalsinasi
1,34:1,73:1 1,35 x volum pori 10 gram 12 jam 120 oC 1 atau 2 jam 120 - 360 oC 4oC/menit atau 2oC/menit
Reduksi Katalis Massa katalis Lama reduksi katalis Temperatur reduksi Laju hidrogen Laju nitrogen
1 gram 6 jam 166 - 360 oC 30 mL/min 30 mL/min
Uji Aktivitas Katalis Massa katalis Laju umpan methanol Rasio volum methanol/air Temperatur operasi Laju nitrogen Waktu sampling
1 gram 0.3 mL/menit 1:1,2 200 - 300 oC 15-88 mL/min 1 sample/jam
Uji Stabilitas Katalis Massa katalis Laju umpan methanol Temperatur operasi
1 gram 0.3 mL/menit 250 oC
40
Laju nitrogen Waktu sampling
30 dan 77 mL/min 1 sample/2 jam
41
4.2
Uji Aktivitas Katalis
Hasil uji aktivitas katalis JW-2 dan JW-3 pada berbagai temperatur dan laju alir inert ditampilkan pada gambar 4.1 dan 4.2 di bawah ini. 100%
Uji Aktivitas Katalis JW-2 Lama kalsinasi katalis = 2 jam
90%
Konversi metanol (%)
80% 70% 60% 50%
300 °C
40%
275 °C
30%
250 °C
20%
225 °C
10%
200 °C
0% 25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
Laju alir nitrogen (mL/ min)
Gambar 4.1 Uji aktivitas katalis JW-2 pada berbagai laju alir dan temperatur
100% Uji Aktivitas Katalis JW-3 Lama kalsinasi katalis = 1 jam
90%
Konversi metanol (%)
80% 70% 60%
300 °C
50%
275 °C
40%
250 °C
30%
225 °C
20%
200 °C
10% 0% 10
20
30
Laju alir nitrogen (mL/ min)
Gambar 4.2 Uji aktivitas katalis JW-3 pada berbagai laju alir dan temperatur
42
Kedua gambar tersebut menunjukkan adanya kecenderungan bahwa nilai konversi semakin menurun jika laju alir inert yang digunakan semakin besar. Hal itu disebabkan semakin besar laju alir inert, tekanan parsial metanol pada umpan akan semakin berkurang pula. Tekanan parsial metanol berbanding lurus dengan laju reaksi. Jadi, jika laju inert yang digunakan semakin besar, laju reaksi akan semakin berkurang.
300
Temperatur Operasi (oC)
275
250
225
200
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100% 110%
200
225
250
275
300
A
68,614%
75,182%
84,482%
91,869%
98,392%
77 mL/ min → 30 mL/ min (Kalsinasi 2 jam)
B
65,318%
69,976%
86,948%
94,684%
101,613%
88 mL/ min → 30 mL/ min (Kalsinasi 2 jam)
C
59,159%
62,639%
89,112%
100,552%
107,077%
30 mL/ min (Kalsinasi 1 jam)
D
11,309%
18,318%
27,880%
56,973%
71,839%
15 mL/ min → 30 mL/ min (Kalsinasi 1 jam)
E
7,114%
21,388%
40,279%
50,526%
67,013%
30 mL/ min (Kalsinasi 2 jam)
Konversi metanol (%)
Gambar 4.3 Hasil uji aktivitas katalis JW-2 dan JW-3 pada berbagai temperatur Gambar 4.3 menunjukkan hasil uji aktivitas katalis JW-2 dan JW-3 pada berbagai temperatur. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa katalis JW-2 memiliki konversi yang lebih tinggi dibandingkan katalis JW-3. Hal yang membedakan katalis JW-2 dan JW-3 ialah lama waktu kalsinasi katalis. Katalis JW-2 dikalsinasi selama 2 jam sedangkan katalis JW-3 dikalsinasi selama 1 jam. Beberapa pasang data ditambahkan dalam analisis untuk mengurangi kemungkinan gangguan yang terjadi pada saat proses reduksi. Data didapat melalui ekstrapolasi.
43
Kalsinasi bertujuan untuk menghilangkan air dan sisa-sisa ion nitrat. Pada saat kalsinasi, Cu(NO3)2.3H2O dan Zn(NO3)2.4H2O akan berubah menjadi CuO dan ZnO. Pada waktu kalsinasi 1 jam, belum semua Cu(NO3)2.3H2O dan Zn(NO3)2.4H2O berubah menjadi CuO dan ZnO sehingga jumlah fasa aktif yang terbentuk setelah reduksi semakin sedikit.
100% 90%
Konversi metanol (%)
80% 70% 60% 50% 40% 30%
Uji Aktivitas Katalis JW-2 Lama kalsinasi katalis = 2 jam
20% 10%
30 mL/ menit 77 mL/ menit 88 mL/ menit Janitra (2007)
0% 175
200
225
250
275
300
325
Temperatur operasi (oC)
Gambar 4.4 Hasil uji aktivitas katalis JW-2 pada berbagai temperatur Gambar 4.4 menunjukkan efek variasi temperatur operasi pada konversi metanol. Reaksi reformasi metanol merupakan reaksi endoterm sehingga peningkatan temperatur akan meningkatkan konversi reaktan menjadi produk. Pada Gambar 4.4 terdapat beberapa titik yang menunjukkan posisi performa katalis Janitra dan Sianturi (2007). Ilustrasi di atas menunjukkan bahwa katalis Janitra dan Sianturi merupakan katalis yang terbukti reprodusibel dan memiliki aktivitas yang tinggi. Pada temperatur 250oC dan 275oC, aktivitas katalis JW-2 dapat dikatakan sama dengan katalis Janitra dan Sianturi (2007).
44
100% Uji Aktivitas Katalis JW-3 Lama kalsinasi katalis = 1 jam
90%
Konversi metanol (%)
80% 70% 60% 50% 40% 30% 20%
15 mL/ menit
10%
30 mL/ menit
0% 175
200
225
250
275
300
325
Temperatur operasi (oC)
Gambar 4.5 Hasil uji aktivitas katalis JW-3 pada berbagai temperatur
90% 80%
Laju nitrogen = 30 mL/ menit
Konversi metanol (%)
70% 60%
Laju nitrogen = 77 mL/ menit
50% 40% 30% 20%
Uji Stabilitas Katalis JW-2 Lama pengujian = 36 jam T = 250 oC
10% 0% 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
Waktu (jam)
Gambar 4.4 Uji stabilitas katalis JW-2 Untuk mengetahui seberapa stabil kinerja katalis selama selang waktu tertentu, dilakukan uji stabilitas. Hasil uji stabilitas katalis JW-2 dicantumkan pada gambar 4.4. Uji stabilitas dilakukan pada temperatur 250oC dengan 2 laju alir inert yang berbeda yaitu 30 ml/menit dan 77 ml/menit. Gambar 4.4 menunjukkan bahwa aktivitas katalis JW-2 pada laju alir inert 30 ml/menit stabil pada konversi sebesar 83 % sedangkan pada laju alir inert 77 ml/menit stabil pada konversi 60%.
45
4.3.
Karakterisasi Katalis
4.3.1. Metode Difraksi Sinar X (XRD) Karakteristik katalis Cu/ZnO/Al2O3 hasil karakterisasi dengan teknik difraksi sinar X (XRD) ditampilkan pada gambar 4.3. Analisis XRD ini dilakukan dengan membandingkan difraktogram sampel katalis dengan difraktogram standar dalam database PCPDFWin. Difraktogram merupakan pengaluran intensitas terhadap sudut 2θ. Berdasarkan pengamatan puncak difraktogram dapat ditentukan derajat kristalinitas padatan katalis. Puncak-puncak tajam dan berintensitas tinggi mengindikasikan sifat padatan berfasa kristalin sedangkan puncak-puncak tumpul berintensitas lebih rendah mengindikasikan sifat padatan berfasa amorf. 4.3.2. Luas Permukaan Katalis berdasarkan Metode BET Luas permukaan katalis Cu/ZnO/Al2O3 dievaluasi dengan metode BET (BrunauerEmmet-Teller) menggunakan instrumen Gas Sorption Analyzer NOVA 1000. Pada instrumen ini, luas permukaan dievaluasi dari volume gas nitrogen yang teradsorpsi pada permukaan untuk membentuk lapisan tunggal pada berbagai kondisi tekanan rendah. Luas permukaan spesifik dihitung dengan membagi luas permukaan sampel katalis dengan berat sampel katalis.
46
