BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Surfaktan Surfaktan adalah zat yang dapat mengaktifkan permukaan, karena cenderung untuk terkonsentrasi pada permukaan (antar muka), atau zat yang dapat menaik dan menurunkan tegangan permukaan. Tegangan permukaan adalah gaya dalam dyne yang bekerja pada permukaan sepanjang 1 cm dan dinyatakan dalam dyne/cm, atau energi yang diperlukan untuk memperbesar permukaan atau antarmuka sebesar 1 cm2 dan dinyatakan dalam erg/cm2. Surface tension umumnya terjadi antara gas dan cairan sedangkan Interface tension umumnya terjadi antara cairan dan cairan lainnya atau kadang antara padat dan
zat
lainnya
(namun
hal
ini
belum
diteliti)
(anonim
2.http://smk3ae.wordpress.com,2009). Surfaktan atau surface active agent merupakan suatu molekul amphipatic atau amphiphilic yang mengandung gugus hidrofilik dan lipofilik dalam satu molekul yang sama. Secara umum kegunaan surfaktan adalah untuk menurunkan tegangan permukaan, tegangan antarmuka, meningkatkan kestabilan partikel yang terdispersi dan mengontrol jenis formasi emulsi, yaitu misalnya oil in water (O/W) atau water in oil (W/O). Sifat-sifat surfaktan adalah mampu menurunkan tegangan permukaan, tegangan antarmuka, meningkatkan kestabilan partikel yang terdispersi dan mengontrol jenis formasi emulsi (misalnya oil in water (O/W) atau water in oil (W/O)). Disamping itu, surfaktan akan terserap ke dalam permukaan partikel minyak atau air sebagai penghalang yang akan mengurangi atau menghambat penggabungan (coalescence) dari partikel yang terdispersi. Surfaktan dibagi menjadi empat bagian penting dan digunakan secara meluas pada hampir semua sektor industri modern. Jenis-jenis surfaktan tersebut adalah surfaktan anionik, surfaktan kationik, surfaktan nonionik dan surfaktan amfoterik. Surfaktan anionik adalah senyawa yang bermuatan negatif dalam bagian aktif permukaan (surface-active) atau pusat hidrofobiknya (misalnya RCOO-Na, R adalah fatty hydrophobe). Surfaktan kationik adalah senyawa yang bermuatan positif pada bagian aktif permukaan (surface-active) atau gugus antar muka hidrofobiknya (hydrofobic surface-active). Surfaktan nonionik II-1 adalah surfaktan yang tidak bermuatan atau tidak terjadi ionisasi molekul. Surfaktan
Universitas Sumatera Utara
amfoterik adalah surfaktan yang mengandung gugus anionik dan kationik, dimana muatannya bergantung kepada pH, pada pH tinggi dapat menunjukkan sifat anionik dan pada pH rendah dapat menunjukkan sifat kationik (Kent, 2007).
2.2 Konsumsi Surfaktan dunia Konsumsi surfaktan diseluruh dunia pada tahun 2003 ditunjukkan pada tabel 1 Sebagian besar di dunia, sabun masih merupakan surfaktan yang utama yang dimanfaatkan untuk mencuci tekstil dan digunakan juga sebagai pelindung. Detergen sintetik pada dasarnya digunakan pada daerah-daerah seperti Amerika Utara, Eropa Barat dan jepang. Surfaktan anionik mendominasi pasar surfaktan dunia. Pada umumnya yang termasuk surfaktan anionik adalah LAS, AS, dan AES. Kelas yang terbesar kedua adalah surfaktan non anionik misal APE dan AE. Tabel 2.1 Konsumsi Surfaktan Dunia tahun 2003
a
Surfaktan
Miliar lbs
Sabun
19,8
LAS
6,4
BAB
0,4
AES
1,8
AS
1,3
APE
1,3
Quats
1,1
Lainnyaa
5,3
Amphoterics
0,2
Total
37,6
Termasuk lignin, petroleum sulfonate, dan minyak derivativ
Universitas Sumatera Utara
2.3 Surfaktan Anionik 2.3.1 Linear Alkyl Benzene Sulfonate Alkylbenzene merupakan bahan baku dasar untuk membuat Linear Alkylbenzene sulfonate. Linear alkylbenzene sulfonate disebut juga dengan nama acid slurry. Acid slurry merupakan bahan baku kunci dalam pembuatan serbuk deterjen sintetik dan deterjen cair. Alkylbenzene disulponasi menggunakan asam sulfat, oleum atau SO3(g). Linear Alkylbenzene sulfonate diperoleh dengan variasi proses yang berbeda pada bahan yang aktif, bebas asam, warna maupun viskositas. Bahan baku utama untuk membuat acid slurry adalah dodecyl benzene, linear alkyl benzene. Nama Kimia Acid Slurry a. D.D.B.S.-Dodecyl Benzene Sulphonate b. L.A.B.S-Linear Alkyl Benzene Sulphonate (NIIR Board, 2004) Alkylbenzene Sulfonates (ABS) merupakan bahan baku kunci pada industri deterjen selama lebih dari 40 tahun dan berjumlah kira-kira 50 persen volum total surfaktan anionik sintetik. Linear alkylbenzene Sulfonates (LAS) digunakan secara luas menggantikan Branch alkylbenzene sulfonates (BAB) dalam jumlah besar yang ada didunia karena LAS merupakan bahan deterjen yang lebih biodegradabilitas dibandingkan BAB. Produk umumnya dipasarkan berupa asam bebas (free acid) atau yang dinetralkan dengan basa kuat seperti sodium hidroksida yang ditambahkan kedalam slurry, yang umumnya dalam
bentuk pasta. Sebagian besar pasta di
produksi pada sprayed-dried menghasilkan serbuk deterjen. Pasta bisa juga di proses dengan drum-dried menjadi serbuk atau flake atau spray dried menjadi butir-butir halus yang memiliki densitas rendah. Bentuk kering LAS digunakan terutama pada industri dan produk kebersihan. Agar berguna sebagai surfaktan, pertama Alkylbenzene harus disulfonasi. Untuk proses sulfonasi biasanya digunakan Oleum dan SO3 . Sulfonasi dengan oleum memerlukan biaya peralatan yang relatif tidak mahal dan bisa dijalankan dengan proses batch atau continuous. Bagaimanapun ia juaga memiliki kerugian dalam terminologi dibandingkan harga SO3, sulfonasi dengan oleum memerlukan aliran pembuangan sisa asam dan ia juga memberikan masalah corossi potensial yang disebabkan oleh asam sulfat Proses oleum biasanya menghasilkan 90 % ABS, 6 sampai 10 % asam sulfat, dan 0,5 hingga 1 % minyak yang tidak mengalami proses sulfonasi. (Kent and Riegels, 2007)
Universitas Sumatera Utara
Proses sulfonasi dengan tipe batch memiliki empat unit proses dasar untuk netralisasi
antara
lain
yaitu
sulfonation,
digestion,
dilution,
dan
phase
separation.Pada tahap sulfonasi, alkylbenzene dan oleum dicampur pada tekanan 1 atm inert. Reaksi sulfonasi berlangsung dengan eksotermik tinggi. Dan perpindahan panas tercapai dengan menggunakan reaktor jacket dan atau adanya resirkulasi pemakaian ulang penukar panas. Variabel kunci dalam mengontrol luas reaksi dan warna produk adalah temperatur, keluaran asam, waktu reaksi dan perbandingan oleum dengan alkylate. Kemudian produk meninggalkan zona sulfonasi yang kemudian dilanjutkan proses digested 15 sampai 30 menit agar reaksi berlangsung secara sempurna. Setelah proses digested, kemudian campuran dilarutkan (diluted) dengan air untuk menyempurnakan raksi. Produk kemudian diumpankan ke dalam tangki separator yang berdasarkan pada gravitasi pada lapisan asam sulfat yang keluar dari asam sulfonate ringan. Waktu separasi bergantung pada konfigurasi tangki separator, viskositas asam sulfat, temperatur dan tingkat aerasi dalam aliran umpan. (Bassam, 2005)
2.3.2 Oleum Sulphur trioksida (SO3) hampir tidak dapat larut dalam air, tetapi mudah larut dalam asam sulfat pekat (H2SO4) (konsentrasi > 98%). Hasil dari campuran ini adalah dinamakan oleum. Oleum tergantung pada persentase dari sulfur trioksida di dalam larutan. Penggunaan yang paling umum untuk oleum adalah sintesa organik. Oleum diproduksi secara industri dengan proses kontak, dimana sulfur trioksida mengandung gas yang melalui sebuah tower oleum. Tower yang mengandung gas mengalami resirkulasi oleum dan asam sulfat yang mana membasahi sulphur trioksida. 30-60% sulphur trioksida berada dalam bentuk gas yang diabsorbsi karena pembatasan tekanan uap oleum. Karena absorbsi tdak lengkap, gas yang meninggalkan tower absorbsi oleum harus diproses didalam sebuah tower asam sulfat tersebut. Tergantung pada konsentrasi produk yang diinginkan, Tower dibasahi dengan 22% atau 35% oleum pada temperatur 40-50OC (104-122OF). Dengan penambahan konsentrasi asam sulfat dari absorber untuk memperoleh konsentrasi oleum yang diinginkan. Oleum akhir didinginkan pada sebuah alat penukar panas. (Anonim 3, www. K-PATENTS.COM,2008).
Universitas Sumatera Utara
2.3.3 Asam Sulfat (H2SO4) Asam sulfat adalah suatu padatan, cairan yang tidak berwarna pada temperatur kamar. Asam sulfat merupakan senyawa kimia yang sangat aktif dan secara luas yang digunakan dalam jumlah yang besar. Asam anorganik yang kuat ini juga tidak mahal untuk diproduksi. Konsentrasi ekonomi larutan asam sulfat (H2SO4) kira-kira 93%-berat H2SO4. Asam kuat boleh dibuat dengan melarutkan SO3 98-99% dengan asam. (Anonim 3, www.K-PATENTS.COM,2008).
2.4 Sifat-sifat Bahan Baku dan Produk Sifat fisika bahan baku, bahan penunjang, dan produk dapat dilihat pada tabel di bawah ini : 2.4.1 Sifat – sifat Alkyl Benzene Sifat Fisik Alkyl Benzene Rumus Molekul
: C12H25C6H5
Berat Molekul
: 246,435 Kg/kmol
Titik Didih
: 327,61 OC
Titik Leleh
: 2,78 OC
Densitas
: 855,065 Kg/m3
Wujud
: Cair
Energi Panas Pembentukan
: 1787,0 KJ/mol
Kapasitas Panas
: 750,6 Kkal/kmol OC
Viskositas
: 12 Cp
Sifat Kimia Alkyl Benzene : •
Tidak larut dalam air (20OC)
•
Mudah terbakar dan beracun
Mengalami reaksi sulfonasi dengan penambahan Oleum menjadi linear Alkylbenzene sulfonate
(Sumber : Kirk & Othmer, 1981)
2.4.2 Sifat – sifat Oleum 20% Sifat Fisik Oleum sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
Rumus Molekul
: H2SO4.SO3
Berat Molekul
: 178,14 Gr/mol
Titik Didih
: 138 OC
Titik Leleh
: 21 OC
Densitas
: 1930 Kg/m3
Wujud
: Cair
Warna
: Tidak berwarna
Viskositas
: 8,7 Cp
Sifat kimia Oleum 20% : •
Oleum bersifat menarik air dan mudah larut dalam air
•
Oleum sangat korosif dan mudah meledak
•
Bahan pengoksidasi yang sangat kuat
Sumber : kirk & othmer, 1981
2.4.3 Sifat – sifat Natrium Hidroksida (NaOH) Rumus Molekul
: NaOH
Berat Molekul
: 40 gr/mol
Titik Didih
: 1390 OC
Titik Leleh
: 323 OC
Temperatur Kritis
: 2546,85 OC
Tekanan Kritis
: 249,998 atm
Kapasitas Panas
: -36,56 Kkal/kg.OC
Densitas
: 1090,41 kg/m3
Panas Pembentukan
: -47,234 Kkal/kmol
Wujud
: Padat, Kristal higroskopis
Warna
: Putih
Sifat Kimia Natrium Hidroksida : NaOH merupakan zat berwarna putih dan rapuh dengan cepat dapat mengabsorbsi uap air dan CO2 dari udara, kristal NaOH berserat membentuk anyaman. •
NaOH mudah larut dalam air, jika kontak dengan udara akan mencair dan jika dibakar akan meleleh.
Universitas Sumatera Utara
Sumber : Perry, 1984: Kirk & Othmer, 1981
2.4.4 Sifat – sifat Air Rumus Molekul
: H2O
Berat Molekul
: 18 gr/mol
Titik Didih
: 100 OC
Titik Beku
: 0 OC
Densitas
: 0,998 kg/m3
Wujud
: Cair
Viscositas
: 23,87 Cp
Panas Ionisasi
: 55,71 kJ/mol
Panas Diffusi
: 6,00 kJ/mol
Konstanta Dielektrik
: 77,94
Panas Spesifik
: 4,179 J/gOC
Konstanta disosiasi
: 10-4
Tegangan Permukaan
: 71,79 Dyne/cm
Sifat Kimia Air : •
Bersifat polar dan merupakan elektrolit lemah
•
Pelarut yang baik bagi senyawa organik
•
Merupakan senyawa polar karena memiliki pasangan elektron polar Sumber : Perry, 1984
2.4.5. Sifat – sifat Linear Alkylbenzene Sulfonate Rumus Molekul
: C12H25C6H4SO3Na
Berat Molekul
: 348 gr/mol
Titik Didih
: 637 OC
Titik Leleh
: 277 OC
Densitas
: 1198,4 kg/m3
Wujud
: Cair
Kapasitas Panas
: 0,6 Kcal/kg.K
Warna
: Bening
Viskositas
: 23,87 Cp
Universitas Sumatera Utara
Sifat Kimia Linear AlkylBenzene Sulfonate •
Sangat larut dalam air
•
Bersifat sebagai surfaktan, berbusa
Sumber: http//: www.chemicalland21.com. 2009
2.5. Dasar - dasar pemilihan proses Proses pembuatan Linear alkylbenzene Sulfonate dapat dilakukan melalui proses sulfonasi, yaitu dengan cara mereaksikan alkylbenzene dengan oleum atau H2SO4. Proses sulfonasi dengan menggunakan oleum dan H2SO4 memiliki beberapa perbedaan dan persamaan, antara lain :
Tabel 2.2 Perbedaan Oleum dengan Asam Sulfat Oleum 20%
H2SO4
1. Jika oleum digunakan 1 bagian Asam sulfat yang digunakan 1.5 lebih dalam reaksi
banyak dari oleum
2. Laju reaksi dengan oleum lebih Laju reaksi dengan asam sulfat lebih cepat daripada menggunakan Asam lambat daripada oleum sulfat
Dalam
reaksi
alkylbenzene
dapat
3. Dalam reaksi alkylbenzene dapat terkonversi hingga 90% terkonversi hingga 98%
Produk samping yang dihasilkan lebih
4. Produk samping yang dihasilkan banyak lebih sedikit
Peralatan yang digunakan untuk kedua
5. Peralatan yang digunakan untuk proses sama kedua proses sama Sumber: NIIR BOARD,2004
Berdasarkan pertimbangan kondisi operasi diatas, maka proses sulfonasi dengan menggunakan oleum memiliki lebih banyak keuntungan daripada menggunakan Asam sulfat sebagai bahan baku proses. Jadi bahan baku yang digunakan dalam proses sulfonasi ini adalah oleum 20%.
2.6 Deskripsi Proses Proses pembuatan Linear alkylbenzene Sulfonate terdiri dari beberapa tahap yaitu:
Universitas Sumatera Utara
2.6.1 Proses sulfonasi Alkylbenzene pada Tangki (F-113) dan oleum pada Tangki (F-114) dipompakan ke Tangki Sulfonator (R-110) yang sebelumnya dipanaskan dalam Heater 1 (E-111) dan Heater 2 (E-116) hingga mencapai suhu 46 oC,selanjutnya Alkylbenzene dan oleum yang berada di dalam Tangki Sulfonator (R-110) dicampur secara perlahan-lahan. Sulfonator beroperasi pada suhu 46OC dan tekanan 1 atm (14,7 psia), waktu tinggal dalam sulfonateor 4 jam dengan konversi 98%. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis. C12H25C6H5 + SO3 + H2SO4 → C12H25C6H4SO3H + H2SO4 Alkylbenzene
Oleum 20%
Alkylbenzene Sulfonate
2.6.2 Proses Pemisahan Campuran dari sulfonateor dicampur dengan air di dalam mixer (M-118) untuk mencegah reaksi samping dan membantu memisahkan antara campuran asam sulfonate dengan asam sulfat dalam Dekanter I (H-120) dan Dekanter II
(H-123)
Campuran larutan Alkylbenzene Sulfonate, H2SO4, Alkylbenzene yang tidak bereaksi dan benzene dipisahkan dalam dekanter berdasarkan berat jenis (densitas). Alkylbenzene sulfonate yang memiliki densitas lebih kecil dari pada asam sulfat akan terpisah sebagai lapisan atas dan asam sulfonate sebagai lapisan bawah. Selain berdasarkan perbedaan densitas pemisahan asam sulfat dan alkylkbenzene Sulfonate pada dekanter karena kedua
larutan ini tidak saling larut. Asam sulfat sebagai
lapisan bawah kemudian dipompa ke tangki penyimpan (F-124) sedangkan asam sulfonate dipompa ke Heat Exchanger (E-211) untuk dipanaskan.
2.6.3 Proses Netralisasi Alkylbenzene Sulfonate dinetralisasi menggunakan larutan NaOH 20 % di dalam Netralizer (R-210). Netralizer beroperasi pada temperatur 55 0C dan tekanan 1 atm dengan konversi 99 %. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis sehingga diperlukan jaket pendingin, dimana reaksinya sebagai berikut : C12H25C6H4SO3H + NaOH → C12H25C6H4SO3Na + H2O Alkylbenzene Sulfonate
Sodium Alkylbenzene sulfonate
Universitas Sumatera Utara
Hasil yang keluar dari netralizer berupa Sodium Alkylbenzene sulfonate dan Natrium sulfonate berbentuk slurry.
2.6.4 Proses Pengeringan Pada proses pengeringan, Slurry yang berasal dari tangki netralizer dipompakan kedalam spray dryer (D-310). Kemudian Slurry di kontakkan dengan udara panas yang berasal dari furnace pada temperatur 300 oC, dimana pengeringan berlangsung cepat menghasilkan produk berbentuk powder. Powder dari Spray Dryer (D-310) terdiri dari 96 % bahan aktif surfaktan (Sodium Alkylbenzene sulfonate), Natrium sulfonate inert dan sedikit air.
Universitas Sumatera Utara
