Kata kunci: katalis gula, katalis gula-h 2SO 4, etil ester dari minyak jarak pagar

AKTIVITAS “KATALIS GULA (SUGAR CATALYST)”, “KATALIS GULA-H2SO4”, DAN KATALIS ASAM SULFAT DALAM SINTESIS ETIL ESTER DARI MINYAK JARAK PAGAR (Jatropha curcas L.) DAN ETANOL

Rizki Wendy Widasari, Sutrisno, dan Laurent Octaviana Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Malang E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected] ABSTRAK: Telah dilakukan uji aktivitas “katalis gula (sugar catalyst)”, “katalis gula-H2SO4”, dan katalis asam sulfat pada sintesis etil ester dari minyak jarak pagar (Jatropha curcas L.) dan etanol dalam rangka pembuatan biodiesel. Hasil penelitian menunjukkan bahwa (1) katalis gula tidak menunjukkan aktivitas katalitik pada sintesis etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol, sedangkan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat menunjukkan aktivitas katalitik pada sintesis etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol, (2) karakter etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol dengan katalis gula-H2SO4 memiliki massa jenis 0,86 g/mL, viskositas 8,76 cSt, dan indeks bias 1,46, sedangkan etil ester dengan katalis asam sulfat memiliki massa jenis 0,86 g/mL, viskositas 10,42 cSt, dan indeks bias 1,46, dan (3) etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol dengan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat memiliki komponen dominan yang sama, yaitu etil palmitat, etil linoleat, etil oleat, dan etil stearat. Kata kunci: katalis gula, katalis gula-H2SO4, etil ester dari minyak jarak pagar. ABSTRACT: Activity test of “sugar catalyst”, sugar-H2SO4 catalyst, and sulfuric acid catalyst in trans-esterification of jatropha curcas oil with ethanol have been done in order to produce biodiesel. Result of the research are (1) “sugar catalyst” doesn’t show catalytic activity in trans-esterification of jatropha curcas oil and ethanol, but sugar-H2SO4 catalyst and sulfuric acid catalyst show catalytic activity in trans-esterification of jatropha curcas oil and ethanol, (2) the result of ethyl ester synthesis from jatropha curcas oil and ethanol with sugar-H2SO4 catalyst has density 0.86 g/mL, viscosity 8.76 cSt, and refraction index 1.46, the result of ethyl ester synthesis from jatropha curcas oil and ethanol with sulfuric acid catalyst has density 0.86 g/mL, viscosity 10.42 cSt, and refraction index 1.46, and (3) the dominance results of ethyl ester synthesis from jatropha curcas oil and ethanol with sugarH2SO4 catalyst and sulfuric acid catalyst are the same, they are ethyl palmitate, ethyl linoleate,ethyl oleate, and ethyl stearate. Keywords: sugar catalyst, sugar-H2SO4 catalyst, ethyl ester from jatropha curcas oil.

PENDAHULUAN Biodiesel adalah metil atau etil ester dari asam lemak yang bersumber dari minyak tanaman (atau hewan) melalui reaksi trans-esterifikasi dengan bantuan katalis (Meher dkk., 2006). Katalis yang sering digunakan dalam sintesis biodiesel dapat

1

2

digolongkan menjadi katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis homogen merupakan katalis yang berfasa sama dengan reaktan sedangkan katalis heterogen sebaliknya. Dalam pembuatan biodiesel yang berbahan baku minyak, katalis homogen berfasa cair dan katalis heterogen berfasa padat. Meher dkk. (2006) menyebutkan bahwa katalis homogen basa dalam reaksi trans-esterifikasi mempunyai kelemahan, yaitu menghasilkan produk samping berupa sabun dan menyebabkan sulitnya proses pemisahan biodiesel dengan katalis. Katalis homogen asam yang biasa digunakan dalam reaksi trans-esterifikasi adalah asam sulfat yang sangat efektif sebagai katalis, namun demikian susah dipisahkan dengan hasil sintesis. Pada transesterifikasi trigliserida penggunaan katalis heterogen lebih efektif (Ma dkk., 1999). Penelitian tentang sintesis biodiesel melalui reaksi trans-esterifikasi dengan berbagai macam katalis padat yang bersifat asam telah dilakukan untuk mengurangi kemungkinan pembentukan sabun. Namun demikian, keaktifan dan kestabilan katalis padat yang bersifat asam tersebut sangat rendah dibandingkan dengan katalis asam yang tidak padat. Zong dkk. (2006) telah meneliti katalis gula yang terbuat dari Dglukosa dan menemukan bahwa katalis gula tersebut sangat efektif serta sedikit menghasilkan pencemaran. Katalis gula yang diteliti oleh Zong dkk. (2006) dibuat dari D-glukosa yang dipanaskan sebagai proses karbonisasi tak sempurna. Serbuk yang diperoleh kemudian dipanaskan dalam asam sulfat pekat. Pemanasan dengan asam sulfat bertujuan agar karbon tak sempurna dapat mengikat gugus sulfonat (-SO3H) yang berfungsi sebagai sisi aktif katalis heterogen asam. Katalis gula dan katalis asam sulfat sama-sama menggunakan proton sebagai katalis dalam reaksi trans-esterifikasi. Pada reaksi trans-esterifikasi dengan katalis gula yang telah diteliti oleh Vasudevan & Briggs (2008), Toda (2005), dan Zong dkk. (2006) tidak disebutkan secara jelas rendemen hasil reaksi, analisis hasil reaksi, dan mekanisme reaksi transesterifikasi yang terjadi. Karena beberapa faktor itulah peneliti melakukan uji efektifitas katalis gula pada reaksi trans-esterifikasi menggunakan minyak jarak pagar dan etanol. Penelitian ini juga menggunakan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat dalam trans-esterifikasi minyak jarak pagar dan etanol untuk membandingkan karakter hasil sintesis yang diperoleh. METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah seperangkat alat refluks, hotplate merk Cimarec, piknometer 10 mL, beaker glass, gelas ukur 100 mL, corong kaca, bejana Kromatografi Lapis Tipis (KLT), pelat KLT Silica Gel 60 F254, lampu UV 254 nm, neraca analitik merk Ohaus ketelitian 0,01 g, labu leher tiga 250 mL, termometer 100°C, corong pisah 100 mL, viskometer Otswald, refraktometer Abbe, sentrifugator merk Kokusan tipe H-103n, furnace, dan GC-MS merk Shimadzu QP 5000. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah gula pasir (sukrosa), minyak jarak pagar (BALITTAS), etanol (teknis yang didestilasi), asam sulfat pekat (p.a), kloroform (p.a), indikator universal, larutan barium klorida 0,1 M, dan magnesium sulfat anhidrat.

3

Eksperimen Preparasi Katalis Gula Sebanyak 40 gram gula dimasukkan 4 krusibel dan dipanaskan dalam furnace pada suhu ± 400⁰C hingga diperoleh berat konstan. Setelah dingin, hasil pemanasan dimasukkan dalam gelas beaker kemudian ditambah 7 mL asam sulfat pekat 96% sedikit demi sedikit. Setelah itu campuran dipanaskan di atas hot plate pada suhu ± 150⁰C kemudian ditambah 50 mL air sedikit demi sedikit selanjutnya disaring. Residu yang dihasilkan dicuci dengan air hingga air cucian tidak keruh bila ditambahkan barium klorida. Residu tersebut selanjutnya dikeringkan dalam oven pada suhu ± 60⁰C kemudian dihaluskan. Sintesis Etil Ester Minyak Jarak Pagar dengan “Katalis Gula” Ke dalam labu leher tiga dimasukkan 30 gram minyak jarak pagar, 3 gram katalis gula, dan 33 gram etanol (42 mL), kemudian direfluks sambil diaduk dengan pengaduk magnetik pada suhu ± 80⁰C. Jalannya reaksi dimonitor dengan KLT setiap 2 jam hingga tidak terjadi perubahan Rf noda pada KLT. Karena sampai jam ke-8 tidak ada tanda-tanda reaksi yang terjadi, maka reaksi dihentikan. Setelah dingin, campuran disentrifugasi selama 30 menit dengan kecepatan ± 3000 rpm. Hasil sentrifugasi berupa campuran keruh dengan endapan hitam yang kemudian disimpan sebagai perbandingan. Sintesis Etil Ester Minyak Jarak Pagar dengan “Katalis Gula-H2SO4” Ke dalam labu leher tiga dimasukkan 30 gram minyak jarak pagar, 3 gram katalis gula, 2 mL asam sulfat pekat 96%, dan 33 gram etanol (42 mL), kemudian direfluks sambil diaduk dengan pengaduk magnetik pada suhu ± 80ᵒC. Jalannya reaksi dimonitor dengan KLT setiap 2 jam hingga tidak terjadi perubahan Rf noda pada KLT. Setelah dingin, campuran disentrifugasi selama 30 menit dengan kecepatan ± 3000 rpm. Hasil sentrifugasi berupa tiga lapisan. Lapisan atas berwarna kuning, lapisan tengah tidak berwarna, dan lapisan bawah berupa padatan hitam. Hasil sentrifugasi tersebut kemudian dipisahkan dengan dekantasi. Lapisan tengah hasil sintesis dilarutkan dalam air. Lapisan atas hasil sintesis dimasukkan dalam corong pisah, ditambah 40 mL akuades hangat, dikocok ± 5 menit kemudian didiamkan hingga terbentuk dua lapisan. Lapisan bawah dikeluarkan untuk dilakukan pengecekan pH menggunakan indikator universal. Pencucian dengan air hangat dilakukan hingga pH air cucian sama dengan pH air sebelum digunakan untuk mencuci. Selanjutnya ditambahkan magnesium sulfat anhidrat pada lapisan atas yang telah dipisahkan untuk menghilangkan sisa air yang masih ada. Sintesis Etil Ester Minyak Jarak Pagar dengan Katalis Asam Sulfat Ke dalam labu leher tiga dimasukkan 30 gram minyak jarak pagar, 2 mL asam sulfat pekat 96%, dan 33 gram etanol (42 mL), kemudian direfluks sambil diaduk dengan pengaduk magnetik pada suhu ± 80ᵒC. Jalannya reaksi dimonitor dengan KLT setiap 2 jam hingga tidak terjadi perubahan Rf noda pada KLT. Setelah dingin, campuran disentrifugasi selama 30 menit dengan kecepatan ± 3000 rpm. Hasil

4

sentrifugasi berupa dua lapisan. Lapisan atas berwarna kuning dan lapisan bawah tidak berwarna. Hasil sentrifugasi tersebut kemudian dipisahkan dengan cara dekantasi. Lapisan bawah hasil sintesis dilarutkan dalam air. Lapisan atas hasil sintesis dimasukkan dalam corong pisah, ditambah 40 mL akuades hangat, dikocok ± 5 menit kemudian didiamkan hingga terbentuk dua lapisan. Lapisan bawah dikeluarkan untuk dilakukan pengecekan pH menggunakan indikator universal. Pencucian dengan air hangat dilakukan hingga pH air cucian sama dengan pH air sebelum digunakan untuk mencuci. Selanjutnya ditambahkan magnesium sulfat anhidrat pada lapisan atas yang telah dipisahkan untuk menghilangkan sisa air yang masih ada. Karakterisasi dan Identifikasi Hasil Sintesis Kromatografi Lapis Tipis. Pemantauan menggunakan KLT dilakukan untuk mengetahui terbentuknya etil ester minyak jarak pagar. Sampel hasil sintesis dengan katalis gula, katalis gula-H2SO4, katalis asam sulfat, dan sampel minyak jarak pagar ditotolkan pada pelat KLT kemudian dielusi menggunakan kloroform. Identifikasi noda pada pelat KLT tersebut dilakukan dengan lampu UV. Massa Jenis. Pengukuran massa jenis dilakukan dengan piknometer 10 mL. Piknometer dibersihkan dan dikeringkan kemudian ditimbang. Sampel hasil sintesis dengan katalis gula dimasukkan dalam piknometer kemudian ditimbang. Pengukuran massa jenis juga dilakukan pada sampel hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4, katalis asam sulfat, dan sampel minyak jarak pagar. Viskositas. Pengukuran viskositas dilakukan menggunakan viskometer Ostwald. Sampel hasil sintesis dengan katalis gula dimasukkan dalam tabung viskometer Ostwald kemudian dicatat waktu yang diperlukan sampel tersebut untuk mengalir dari tanda batas atas sampai tanda batas bawah. Pengukuran viskositas juga dilakukan pada sampel hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4, katalis asam sulfat, sampel minyak jarak pagar, dan akuades sebagai pembanding. Pengukuran viskositas masing-masing dilakukan sebanyak tiga kali. Indeks Bias. Penentuan indeks bias dilakukan dengan cara meneteskan sampel hasil sintesis dengan katalis gula pada prisma refraktometer Abbe. Pembacaan indeks bias dilakukan saat garis pisah terang gelap berada tepat pada posisi silang dari lensa pengamatan. Suhu saat pengukuran yang ditampilkan oleh refraktometer dicatat. Penentuan indeks bias juga dilakukan pada sampel hasil sintesis dengan katalis gulaH2SO4, katalis asam sulfat, dan sampel minyak jarak pagar. GC-MS. Identifikasi dengan GC-MS dilakukan dengan menganalisis kromatogram yang didapatkan dari GC dan spektrum massa yang didapatkan dari MS. Analisis kromatogram yang didapatkan dari GC didasarkan pada luas area, waktu retensi, dan banyaknya puncak. Analisis spektrum massa yang didapatkan dari MS dilakukan dengan cara menginterpretasi fragmen-fragmen yang ada pada spektrum. Spektrum

5

massa yang didapatkan dari MS dibandingkan dengan spektrum massa pada library WILEY7.LIB. HASIL DAN PEMBAHASAN Preparasi Katalis Gula Dari pemanasan 17 jam diperoleh padatan hitam.Warna hitam pada hasil yang diperoleh diduga berasal dari karbon akibat lepasnya molekul air pada sukrosa setelah dipirolisis. Hasil pemanasan kemudian ditambah asam sulfat pekat sehingga dihasilkan campuran berwarna coklat dan menggumpal. Setelah itu dipanaskan dengan suhu ± 150°C selama 6 jam. Pada waktu penambahan asam sulfat pekat, dinding beaker menjadi hangat yang mengindikasikan adanya reaksi antara asam sulfat pekat dengan gula hasil pemanasan. Setelah dilakukan pemanasan, warna coklat makin pekat. Campuran coklat kehitaman yang dihasilkan kemudian ditambah air dan didiamkan hingga tidak terlalu panas. Campuran tersebut selanjutnya disaring dan residu yang didapatkan dicuci dengan air. Campuran disaring dan residu dicuci dengan air sampai ion SO42- tidak terdeteksi pada filtrat. Setelah dilakukan pengeringan pada suhu 60°C, diperoleh serbuk hitam mengkilat. Sintesis Etil Ester Minyak Jarak Pagar dengan Katalis Gula Reaksi trans-esterifikasi minyak jarak pagar dengan katalis gula tidak menghasilkan perbedaan Rf antara minyak jarak pagar dan hasil refluks. Campuran hasil refluks kemudian disentrifugasi untuk meyakinkan ada atau tidaknya reaksi. Setelah disentrifugasi didapatkan campuran dengan satu lapisan yang diduga berupa minyak jarak pagar dan padatan hitam berupa katalis. Hal tersebut menunjukkan bahwa tidak terjadi reaksi trans-esterifikasi pada sintesis dengan katalis gula. Sintesis Etil Ester Minyak Jarak Pagar dengan Katalis Gula-H2SO4 Reaksi trans-esterifikasi minyak jarak pagar dengan katalis gula-H2SO4 menghasilkan perbedaan Rf antara minyak jarak pagar dan hasil refluks yang mengindikasikan adanya senyawa yang berbeda dari minyak jarak pagar. Campuran hasil refluks kemudian disentrifugasi untuk meyakinkan ada atau tidaknya reaksi. Setelah disentrifugasi didapatkan campuran dengan tiga lapisan. Lapisan atas diduga berupa hasil sintesis, lapisan tengah diduga berupa gliserol dan sisa etanol, lapisan bawah berupa katalis. Lapisan atas yang diduga metil ester kemudian dimurnikan. Terbentuknya tiga lapisan tersebut menunjukkan bahwa terjadi reaksi transesterifikasi pada sintesis dengan katalis gula-H2SO4.Untuk meyakinkan bahwa hasil reaksi dengan katalis gula-H2SO4 adalah etil ester, maka dilakukan karakterisasi dan identifikasi. Sintesis Etil Ester Minyak Jarak Pagar dengan Katalis Asam Sulfat Katalis asam sulfat merupakan katalis yang umum digunakan dalam sintesis biodiesel. Hasil KLT menunjukkan adanya perbedaan Rf minyak jarak pagar dan hasil refluks yang mengindikasikan adanya senyawa yang berbeda dari minyak jarak pagar. Campuran hasil refluks kemudian disentrifugasi untuk meyakinkan ada atau tidaknya reaksi. Setelah disentrifugasi didapatkan campuran dengan dua lapisan.

6

Lapisan atas diduga berupa hasil sintesis dan lapisan bawah berupa katalis. Lapisan atas yang diduga etil ester kemudian dimurnikan. Terbentuknya dua lapisan tersebut menunjukkan bahwa terjadi reaksi trans-esterifikasi pada sintesis dengan katalis asam sulfat. Untuk meyakinkan bahwa hasil reaksi dengan katalis asam sulfat adalah etil ester, maka dilakukan karakterisasi dan identifikasi. Karakterisasi dan Identifikasi Hasil Sintesis Karakterisasi dan identifikasi hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat meliputi massa jenis, viskositas, indeks bias dan GC-MS. Data hasil uji massa jenis, viskositas dan indeks bias tercantum pada Tabel 1. Tabel 1 Data Perbandingan Karakteristik Hasil Sintesis dengan Katalis Gula-H2SO4 dan Hasil Sintesis dengan Katalis Asam Sulfat Hasil Sintesis Parameter Dengan Katalis Gula-H2SO4 Dengan Katalis H2SO4 Wujud Cair Cair Warna Kuning jernih Oranye jernih Massa Jenis 0,862 g/mL 0,861 g/mL Viskositas 8,76 cSt 10,417 cSt Indeks Bias 1,458 1,460

Hasil analisis spektrum massa puncak-puncak pada kromatogram GCMSmenunjukkan bahwa kandungan etil ester minyak jarak pagar hasil sintesis dengan katalis gula-H2SO4 yang dominan adalah etil palmitat, etil linoleat, etil oleat, dan etil stearat yang strukturnya dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Kandungan Etil Ester Minyak Jarak Pagar Hasil Sintesis dengan Katalis Gula-H2SO4 Waktu Etil Ester Kadar Retensi (tR) Nama Struktur (%) 19,367

Etil Palmitat

12

21,100

Etil Linoleat

16,33

21,405

Etil Oleat

4,81

21,524

Etil Stearat

2,529

Hasil analisis spektrum massa puncak-puncak pada kromatogram GC-MS menunjukkan bahwa kandungan etil ester minyak jarak pagar hasil sintesis dengan katalis asam sulfat yang dominan adalah etil palmitat, etil linoleat, etil oleat, dan etil stearat yang strukturnya dapat dilihat pada Tabel 3.

7

Tabel 3 Kandungan Etil Ester Minyak Jarak Pagar Hasil Sintesis dengan Katalis Asam Sulfat Waktu Etil Ester Kadar Retensi (tR) Nama Struktur (%) 19,377

Etil Palmitat

19,13

21,110

Etil Linoleat

34,31

21,298

Etil Oleat

3,18

21,387

Etil Stearat

10,63

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, katalis gula tidak dapat digunakan sebagai katalis dalam reaksi trans-esterifikasi. Hal ini ditunjukkan dengan tidak adanya perubahan setelah reaksi, baik pada penampakan fisik maupun hasil KLT. Katalis gula-H2SO4 yang merupakan campuran antara katalis gula dan asam sulfat dapat digunakan sebagai katalis dalam reaksi trans-esterifikasi. Hal ini ditunjukkan dengan adanya perubahan fisik dan hasil KLT setelah reaksi. Selain perubahan fisik dan hasil KLT, kemampuan katalis gula-H2SO4 juga didukung oleh hasil karakterisasi dan identifikasi meliputi uji massa jenis, viskositas, indeks bias dan GC-MS. Hasil sintesis dengan katalis asam sulfat menunjukkan adanya perubahan fisik dan Rf yang berbeda antara minyak dengan hasil sintesis pada KLT. Kemampuan asam sulfat sebagai katalis didukung dengan hasil karakterisasi dan identifikasi meliputi uji massa jenis, viskositas, indeks bias dan GC-MS. Kesimpulan yang didapatkan dari analisis tersebut adalah kemampuan katalis gula-H2SO4 untuk digunakan dalam reaksi trans-esterifikasi bukan berasal dari katalis gula, melainkan dari asam sulfat. Kesimpulan tersebut bertentangan dengan penelitian yang dilakukan oleh Vasudevan & Briggs (2008), Toda (2005), dan Zong dkk. (2006) yang menyatakan bahwa katalis gula dapat mengkatalisis reaksi trans-esterifikasi. Perbedaan kesimpulan tersebut kemungkinan diakibatkan oleh perbedaan kondisi saat preparasi katalis gula, yaitu tidak disertai dengan aliran gas nitrogen. Akibatnya, hasil pemanasan berupa karbon sehingga tidak terjadi sulfonasi. PENUTUP Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, disimpulkan bahwa “katalis gula” tidak menunjukkan aktivitas katalitik pada sintesis etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol, sedangkan katalis gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat menunjukkan aktivitas katalitik pada sintesis etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol. Karakter etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol dengan katalis gula-H2SO4 memiliki massa jenis 0,86 g/mL, viskositas 8,76 cSt, dan indeks bias 1,46, sedangkan etil ester dari minyak jarak pagar dan etanol dengan katalis asam sulfat memiliki massa jenis 0,86 g/mL, viskositas 10,42 cSt, dan indeks bias 1,46. Hasil sintesis dengan katalis

8

gula-H2SO4 dan katalis asam sulfat menunjukkan komponen etil ester dominan yang sama, yaitu etil palmitat, etil linoleat, etil oleat, dan etil stearat. DAFTAR PUSTAKA Ma, F. & Hanna, M. A. 1999. Biodiesel Production: A Review. Bioresource Technology. 70: 1-15. Meher, L. C., Sagar, D. V. & Naik, S. N. 2006. Technical Aspects of Biodiesel Production by Transesterification—A Review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 10: 248-268. Toda, M., Takagaki, A., Okamura, M., Kondo, J. N., Hayashi, S., Domen, K. & Hara, M. 2005. Biodiesel Made with Sugar Catalyst. Nature, 1: 438. Vasudevan, P. T & Briggs, M. 2008. Biodiesel Production Current State of the Art and Challenges. J. Ind. Microbiol Biotechnol, 35: 421-430. Zong Min-Hua, Duan Zhang-Qun, Lou Wen-You, Smith, T. J. & Wu, H. 2007. Preparation of a Sugar Catalyst And Its Use For Highly Efficient Production of Biodiesel. Green Chem, 9: 434-437.