20 PENGARUH PENGEMBANAN LOGAM Ni DAN Nb2O5 PADA KARAKTER KATALIS Ni/ZEOLIT DAN Ni/ZEOLIT-Nb2O5 THE INFLUENCES OF LOADING OF Ni AND Nb2O5 TO CHARACTERS OF Ni/ZEOLITE And Ni/ZEOLITE-Nb2O5 CATALAYSTS Rodiansono1∗, Wega Trisunaryanti2, Triyono2 1
Program Studi Kimia FMIPA Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru 2 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Gadjah Mada Yogyakarta ABSTRAK
Telah dilakukan preparasi dan karakterisasi katalis Ni/zeolit dan Ni/zeolit-Nb2O5 untuk mempelajari pengaruh pengembanan logam Ni dan Nb2O5. Katalis dibuat dengan metode impregnasi, dilanjutkan kalsinasi pada temperatur 500oC, oksidasi dan reduksi pada temperatur 400oC, masing-masing dengan aliran gas nitrogen, oksigen dan hidrogen. Karakterisasi katalis meliputi penentuan luas permukaan spesifk, rerata jejari pori dan volume total pori menggunakan metode BET, penentuan jumlah situs asam total menggunakan metode gravimetri dan kekuatan situs asam menggunakan sepektroskopi infra merah (IR). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa luas permukaan spesifik turun, rerata jejari pori dan volume total pori meningkat setelah pengembanan logam Ni dan Nb2O5 dibandingkan dengan zeolit. Jumlah situs asam masing-masing katalis meningkat dibanding zeolit setelah pengembanan logam Ni dan Nb2O5. Keywords: nikel,niobium oksida, katalis ABSTRACT Preparation, characterization of Ni/zeolite and Ni/zeolite-Nb2O5 catalysts were done. Catalysts were prepared by impregnation method, then were calcined at 500oC, oxidized and reduced at 400oC under nitrogen, oxygen and hydrogen stream, respectively. The characterization of catalysts including spesific surface area, average pore radius, and total pore volume were determined by gas sorption analyzer, amount of total acid sites was determined by gas sorption method, and acid site strength was confirmed by IR sepectroscopy. The characterization results showed that spesific surface area decreased, average pore radius, and total pore volume of the zeolite sample increased after loading of the metal and Nb2O5. Amount of total acid sites of the catalysts were higher than that of the zeolite sample. Keywords: nickel, niobium oxide, catalyst
∗
e-mail: rodian_ch@yahoo,com
Sains dan Terapan Kimia, Vol.1, No. 1 (Januari 2007), 20 - 28
21 PENDAHULUAN
Nb2O5.
Kebutuhan akan katalis dari tahun ke
diembankan
tahun semakin meningkat, terutama dalam
HZSM-5-silika-alumina memiliki aktivitas
proses industri kimia, petrokimia maupun
yang
minyak bumi. Untuk memenuhi kebutuhan
hidrorengkah dan hidroisomerisasi HDPE
katalis tersebut, hingga saat ini masih
(Ding et al., 1997). Oksida logam seperti
impor yang menyebabkan biaya produksi
Nb2O5 mampu meningkatkan keasaman
menjadi mahal. Akibatnya produk dari
ZrO2 dan
proses yang menggunakan katalis juga
situs
mahal.
mendapatkan
(Weissman, 1996; Onfroy et al., 2003).
katalis yang memiliki kinerja yang baik
Trisunaryanti et al. (2000) mengemban
mendesak untuk dilakukan. Bahan-bahan
logam krom (Cr) ke pengemban zeolit
katalis
sintetis
alam dan memiliki sifat dengan aktivitas
modifikasi
yang tinggi dan menghasilkan kokas yang
Penelitian
dapat
maupun
untuk
berupa
bahan
alam
bahan atau
Katalis
logam
pada
cukup
Ni
yang
pengemban
zeolit
baik
dalam
proses
-Al2O3 yang disumbang oleh
asam
Brönsted
dari
Nb2O5
keduanya.
sedikit. Dalam penelitian ini, dilakukan
Jenis katalis yang digunakan dalam proses
preparasi
perengkahan
Ni/zeolit
dan
isomerisasi
sampah
katalis dan
zeolit
aktif
(zeolit),
Ni/zeolit-Nb2O5
metode
plastik oleh peneliti sebelumnya, umumnya
impregnasi. Karakterisasi katalis meliputi
menggunakan katalis sintetis. Akibatnya
penentuan jumlah situs asam total, luas
proses
permukaan spesifik, rerata jejari pori, dan
perengkahan
sehingga
diusulkan
menjadi
mahal,
bagaimana
jika
volume
total
pori
yang
dihubungkan
menggunakan bahan alami seperti zeolit
dengan pengaruh pengembanan logam Ni
alam aktif yang jumlahnya melimpah?
dan Nb2O5.
Zeolit alam telah diketahui memiliki sifat yang cukup baik sebagai katalis maupun
METODE
sebagai
Bahan
padatan
pengemban.
Kinerja
zeolit alam aktif dapat ditingkatkan dengan
Bahan-bahan yang digunakan dalam
transisi
penelitian
transisi.
NH4)6Mo7O24.4H2O, Ni(NO3)2.6H2O, piridin,
Pengemban logam maupun oksida akan
amoniak 25%, Nb2O5 semuanya dari E.
mengubah sifat permukaan zeolit alam
Merck, zeolit alam aktif (zeolit) produksi
aktif, yang akhirnya merubah aktivitas dan
PT. Prima Zeolita, gas O2, H2, N2 dari PT
selektivitasnya.
Samator Gas.
Logam dan oksida logam yang telah
Pembuatan katalis zeolit alam aktif
diketahui memiliki aktivitas yang cukup
(Zeolit), Ni/zeolit, dan Ni/zeolit-Nb2O5
cara
mengembankan
maupun
oksida
logam logam
ini
adalah
baik sebagai katalis seperti Ni, Mo, Pd dan
Pengaruh Pengembanan Logam Ni dan Nb2O5... (Rodiansono et al)
sebagai
berikut:
22 Pembuatan zeolit alam aktif (Zeolit).
menggunakan metode gravimetri dengan
Zeolit alam aktif diperoleh dari PT. Prima
amoniak
Zeolita Yogyakarta dengan ukuran 100
dasorbat pada temperatur kamar (data
mesh. Sebanyak 15 gram zeolit direndam
kuantitatif),
dalam akuades yang dicampur dengan
asam katalis menggunakan spektroskopi
ammonium klorida 10% pada temperatur
inframerah (IR) FTIR-8021PC Shimadzu
90oC sambil diaduk selama 12 jam.
pada daerah bilangan gelombang 1200-
Campuran dikeringkan dengan evaporator
2100 cm-1 (data kualitatif). Penentuan luas
vakum dan oven biasa diperoleh padatan
permukaan, rerata jejari pori dan volume
zeolit
padatan
total pori menggunakan Gas Sorption
tersebutdikalsinasi pada temperatur 500oC
Analyzer NOVA-1000, metode Brunauer-
dengan aliran gas N2 10 mL/menit selama
Emmet-Teller (BET).
alam
aktif.
Sampel
dan
piridin
sebagai
sedangkan
basa
kekuatan
situs
5 jam. Pembuatan
katalis
Ni/zeolit.
Sebanyak 24,75 gram zeolit alam aktif (Z) larutan Ni(NO3)2.6H2O
direndam dalam
sambil diaduk temperatur 90oC selama 12 jam.
Campuran
dikeringkan
diperoleh
padatan
Ni/zeolit
dikalsinasi
Karakterisasi Katalis Penentuan jumlah situs asam Dalam penelitian ini, keasaman katalis
sehingga
dikategorikan menjadi dua yaitu jumlah
Padatan
situs asam dan kekuatan situs asam.
Ni/zeolit. pada
HASIL DAN PEMBAHASAN
temperatur
Jumlah
situs
asam
dengan
amoniak
500oC, dioksidasi dan direduksi pada
sebagai basa adsorbat merupakan jumlah
temperatur 400oC masing-masing dengan
situs asam total dengan asumsi bahwa
aliran gas N2, O2 dan H2. Total logam Ni
ukuran
yang diembankan adalah 1% b/b.
memungkinkan masuk sampai ke dalam
Pembuatan Nb2O5.
Katalis
katalis
Ni/zeolit-
Ni/zeolit-Nb2O5
molekul
pori-pori
katalis.
NH3 Jumlah
yang
situs
kecil
asam
dibuat
dengan piridin sebagai basa adsorbatnya
dengan cara yang sama dengan prosedur
merupakan jumlah situs asam permukaan
pembuatan
hanya
dengan asumsi bahwa ukuran molekul
pengembannya diganti padatan zeolit-
piridin yang relatif besar sehingga hanya
Nb2O5. Total logam yang diembankan 1%
dapat
b/b.
penentuan jumlah situs asam masing-
Karakterisasi Katalis
masing katalis disajikan pada Tabel 1.
katalis
Ni/zeolit,
terikat
Penentuan jumlah situs asam total
Sains dan Terapan Kimia, Vol.1, No. 1 (Januari 2007), 20 - 28
pada
permukaan.
Hasil
23 Tabel 1. Data hasil penentuan jumlah situs asam total dan permukaan Jumlah situs asam (mmol/gram)a
Padatan katalis
Total (amoniak)
Permukaan (piridin)
Zeolit
2,55
0,52
Ni/zeolit
3,16
0,62
3,47 0,65 Ni/zeolit-Nb2O5 Penentuan jumlah situs asam dilakukan masing-masing sebanyak 3 (tiga) kali pengulangan
a)
Jumlah situs asam (mmol/g)
4.0 Zeolit
3.5
Ni/zeolit
3.0
Ni/zeolit-Nb2O5
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
Piridin
Ammonia
Basa adsorbat Gambar 1. Kurva jumlah situs asam masing-masing katalis untuk dua basa adsorbat yang berbeda.
Data hasil penentuan jumlah situs asam
menerima pasangan elektron dari basa
untuk masing-masing katalis memiliki pola
adsorbat. Sumbangan jumlah situs asam
yang sama, baik menggunakan amoniak
logam Ni ini merupakan situs asam Lewis.
maupun piridin sebagai basa adsorbatnya.
Kekuatan
situs
asam
dianalisis
Secara umum pengembanan logam Ni dan
menggunakan
penambahan Nb2O5, jika dibandingkan
(IR) terhadap padatan katalis yang telah
dengan zeolit alam aktif meningkatkan
diadsorpsikan uap piridin pada temperatur
keasaman yang cukup signifikan (Tabel 1
kamar
dan Gambar 1). Hal ini dapat dipahami
Gambar 3).
dari
sifat
logam
Ni
yang
spektroskopi
(spektra
terdispersi
dipermukaan dan di dalam pori-pori zeolit alam aktif yang memiliki orbital d kosong atau terisi setengah penuh, yang efektif
Pengaruh Pengembanan Logam Ni dan Nb2O5... (Rodiansono et al)
IR
inframerah
ditampilkan
pada
24
Gambar 2. Spektra IR adsorpsi uap piridin untuk katalis zeolit, Ni/zeolit, Ni/zeolit-Nb2O5
Menurut
Tanabe
(1981),
puncak
serapan interaksi piridin dengan situs asam
Bronsted
muncul
pada
daerah
bilangan gelombang 1485-1500, 1540, -1
beberapa puncak serapan yang lemah di daerah 1396,4-1542,9 cm-1. Pada
Gambar
2
dapat
dilihat
pergeseran puncak serapan pada daerah
~1620, dan ~1640 cm , interaksi piridin
bilangan gelombang 1635,5 cm-1 zeolit
dengan situs asam Lewis muncul di 1447-
alam aktif (zeolit) ke bilangan gelombang
1460, 1488-1503, ~1580, dan 1600-1633
1639,4 cm-1 untuk katalis Ni/zeolit dan
cm-1 dan interaksi piridin dalam bentuk
Ni/zeolit-Nb2O5.
ikatan hidrogen, muncul di 1400-1447,
serapan ini sekaligus perubahan jenis
1485-1490 dan 1580-1600 cm-1. Pada
ikatan yang terjadi antara piridin dengan
Gambar 2 ditunjukkan beberapa puncak
situs asam yang teramati. Perubahan itu
serapan yang kuat untuk hampir semua
adalah dari situs asam Lewis katalis zeolit
katalis
alam aktif menjadi situs asam Bronsted
yaitu
gelombang
pada
daerah
1635,5-1639,4
bilangan cm-1
dan
katalis
Ni/zeolit
Perubahan
juga
Sains dan Terapan Kimia, Vol.1, No. 1 (Januari 2007), 20 - 28
Pergeseran
dan terjadi
puncak
Ni/zeolit-Nb2O5. pada
puncak
25 serapan pada bilangan gelombang ~1500
jumlah
cm-1 yang merupakan puncak serapan
kekuatannya
situs asam Lewis menjadi hilang setelah
kemampuannya mengikat basa adsorbat
penambahan Nb2O5. Fakta ini sejalan
menjadi lemah.
situs
asamnya
tinggi,
lemah,
tetapi
sehingga
dengan asumsi yang disampaikan oleh
Data hasil penentuan luas permukaan
Datka et al. (1992) bahwa penambahan
spesifik, rerata jejari pori, dan volume total
Nb2O5 dapat menyebabkan hilangnya situs
pori
asam Lewis yang tidak selalu diikuti oleh
selengkapnya disajikan pada Tabel 2 dan
terbentuknya situs asam Bronsted baru.
Gambar 4.
menggunakan
metode
BET
Fakta lain juga terlihat bahwa walaupun
Tabel 2. Hasil Penentuan luas permukaan spesifik, rerata jejari pori, dan volume total pori total menggunakan metode BET Luas permukaan (m2/g)
Rerata jari-jari pori (Å)
Volume total pori (10-3 cm3/g)
Zeolit
26,96
14,03
18,91
Ni/zeolit
22,53
17,49
19,70
Ni/zeolit-Nb2O5
27,36
20,89
28,57
Sampel Padatan katalis
teradsorpsi dan teraktivasi, maka semakin
Luas Permukaan Spesifik Dalam heterogen,
proses luas
reaksi
permukaan
katalisis
tinggi
juga
peluang
terjadinya
reaksi
kontak
terkatalisis menghasilkan produk. Untuk
menjadi faktor yang menentukan walaupun
melihat karakter luas permukaan kontak
tidak selalu berbanding dengan aktivitas
katalis dengan reaktan maka dilakukan
katalis. Luas permukaan katalis yang tinggi
pengukuran
akan memberikan luas kontak yang besar
padatan
antara molekul reaktan dengan katalis.
populer dan sering digunakan adalah
Besarnya kontak tersebut secara langsung
metode BET. Dalam metode ini padatan
akan
diasumsikan sebagai padatan monolayer
mempengaruhi
proses
katalisis
luas
katalis.
permukaan Metode
yang
spesifik paling
yang akan mengadsorpsi gas N2 pada
secara keseluruhan. bergerak
tekanan yanga sangat rendah kemudian
bebas sebelum mengalami adsorpsi pada
ditentukan perubahan tekanan yang terjadi
permukaan katalis kemudian teraktivasi
sebelum dan sesudah proses adsorpsi gas
dan
N2 hingga jenuh.
Molekul
bereaksi
reaktan
akan
menghasilkan
produk.
Semakin banyak molekul reaktan yang
Pengaruh Pengembanan Logam Ni dan Nb2O5... (Rodiansono et al)
26 Hasil penentuan luas permukaan
mengakibatkan
tertutupnya
lapisan
spesifik masing-masing padatan katalis
tunggal
ditampilkan pada Tabel 2 dan Gambar 2.
lapisan
Pada Tbel 2 tampak bahwa secara luas
menyebabkan luas permukaan spesifik
permukaan spesifik, rerata jejari pori, dan
menjadi turun, sebaliknya pengembanan
volume total pori untuk masing-masing
Nb2O5
katalis berbeda. Pengembanan logam Ni
spesifik
pada
zeolit
alam
aktif
permukaan tunggal
zeolit.
Penutupan
permukaan
meningkatkan
luas
zeolit
permukaan
(zeolit)
Luas Permukaan Spesifik (m2/g)
30 25 20 15 10 5 0 Zeolit
Ni/zeolit
Ni/zeolit-Nb2O5
Katalis
Gambar 2. Kurva luas permukaan spesifik masing-masing padatan katalis Pada tabel 2 dan Gambar 4 tampak
Rerata Jejari Pori dan Volume Total Pori Rerata berkaitan sebagai sieve).
jejari erat
pori dengan
penyaring
suatu
padatan
bahwa rerata jejari pori dan volume total
sifat
padatan
pori
molekul
Molekul-molekul
(molecular
mengalami
masing-masing kenaikan.
katalis
Kenaikan
rerata
yang
jejari pori dan volume total pori diduga
sesuai ukurannya dengan diameter pori
karena terjadinya pembukaan pori zeolit
saja yang dapat masuk dan teradsorpsi
alam aktif selama prose pengembanan
pada permukaan katalis. Diameter pori
logam Ni dan Nb2O5 serta prose kalsinasi,
yang
oksidasi dan reduksi.
besar
mampu
reaktan
untuk
mengadsorpsi
molekul-molekul reaktan dengan ukuran
Gambar
4
menampilkan
distribusi
yang besar pula. Sebaliknya, diameter pori
ukuran pori masing-masing
yang
mampu
katalis zeolit,
reaktan
Distribusi
yang kecil pula. Selengkapnya perubahan
Ni/zeolit,
rerata jejari pori dan volume total pori
didominasi pada daerah 15-25 Å. Fakta
masing-masing katalis di tampilkan pada
yang menarik bahwa dengan adanya
Gambar 3.
pengembanan
kecil
mengadsorpsi
hanya
akan
molekul-molekul
Ni/zeolit, Ni/zeolit-Nb2O5.
ukuran
pori
Ni/zeolit-Nb2O5
Sains dan Terapan Kimia, Vol.1, No. 1 (Januari 2007), 20 - 28
padatan
Nb2O5
katalis berkisar
zeolit, dan
memunculkan
27 ukuran
jejari
menyumbang
selama proses pengembanan logam dan
cukup signifikan terhadap volume total pori
Nb2O5 proses kalsinasi, oksidasi dan
yaitu
reduksi.
pada
pori
yang
daerah
sekitar
23-25
Å.
Berdasarkan uraian tersebut di atas,
Perubahan ukuran rerata jejari pori dan
pengembanan
penataan
pengemban
merubah karakter katalis seperti jumlah
selama proses kalsinasi, oksidasi dan
situs asam dan luas permukaan spesifik,
reduksi. Kemungkinan yang lain adalah
rerata jejari pori dan volume total pori
terjadinya
secara signifikan.
ulang
padatan
pembukaan
sesungguhnya
dari
pori
pengemban
yang
logam
Ni
dan
Nb2O5
volume total pori ini diperkirakan hasil
zeolit
30
Zeolit Ni/zeolit
25
Ni/zeolit-Nb2O5 20 15 10 5 0 Rerata jejari pori
Volume total pori
Volume Pori/dr (cm3/Å/g e-03)
Gambar 3. Kurva rerata jejari pori dan volume total pori masing-masing katalis Zeolit
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
Ni/zeolit Ni/zeolit-Nb2O5
0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0
15
30
45
60 Jejari (Å)
75
90
105
Gambar 4. Distribusi ukuran pori katalis zeolit, Ni/zeolit, Ni/zeolit-Nb2O5
Pengaruh Pengembanan Logam Ni dan Nb2O5 (Rodiansono
28 KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan
hasil
karakterisasi
masing-masing katalis dapat disimpulkan bahwa pengembanan logam Ni dan Nb2O5 memberikan pengaruh pada: a. Jumlah
situs
asam
meningkat
dibanding zeolit alam aktif (zeolit). b. Luas permukaan spesifik turun setelah pengembanan logam Ni dan naik dengan pengembanan Nb2O5. c. Rerata jejari pori dan volume total pori meningkat
dengan
Technology", John R Anderson and Michael Boudart (eds) Vol. 2, Springer-Link Berlin, 231-273. Trisunaryanti, W., Triyono, Sudarmaji, 2000, "Modifikasi Zeolit Alam Aktif dan Karakterisasinya untuk Katalis pada Proses Perengkahan Katalitik Fraksi Sampah Plastik Menjadi Fraksi Bensin", Laporan Penelitian QUE Project Grant Jurusan Kimia, FMIPA UGM, Yogyakarta. Weissman, J.G., 1996, "Niobia-Alumina Supported Hydroprocessing Catalysts: Relationship Between Activity and Support Surface Acidity", Catal. Today, 28,159-166.
pengembanan
logam Ni dan Nb2O5. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan kepada Direktur Beasiswa BPPS dan Proyek Penelitian Hibah Bersaing XII (2004-2005) Diknas atas bantuan biaya penelitian.
DAFTAR PUSTAKA Ding, W., Jing, J., and Anderson, A.L., 1997, "Hydrocracking and Hydroisomerization of High-Density Polyethylene and Waste Plastic over Zeolite and Silica-AluminaSupported Ni and Ni-Mo Sulfides", Energy & Fuels, 11, 1219-1224. Datka, J., Turek, A.M., Jehng, J.M., and Wachs, I.E., 1992 "Acidic Properties of supported Niobium Oxide Catalyts: An Infrared Spectroscopy Investigation", J. Catal., 135, 186199. Onfroy, T., Clet, G, Bukallah, S.B., Hercules, D.M., and Houalla, M., 2003, "Development of The Acidity of Zirconia-Supported Niobia Catalyst", Catal. Lett., 89 (1-2), 1519. Tanabe, K., 1981, "Solid Acid and Base Catalyst in Catalysis Science and
Sains dan Terapan Kimia, Vol.1, No. 1 (Januari 2007), 20 - 28
