III.
METODOLOGI PENELITIAN
A. WAKTU DAN TEMPAT Penelitian dilaksanakan mulai 1 Agustus 2009 sampai dengan 18 Januari 2010 di Laboratorium SBRC (Surfactant and Bioenergy Research Center) LPPM IPB dan Laboratorium Departemen Teknologi Industri Pertanian IPB. B. BAHAN DAN ALAT Bahan yang digunakan terdiri atas bahan yang diteliti dan bahan kimiawi untuk analisis. Bahan yang diteliti terdiri atas gliserol (hasil pemisahan dari metil ester dalam pembuatan biodiesel hasil transesterifikasi minyak jarak pagar dengan katalis basa kalium), asam sulfat (H2SO4), asam nitrat (HNO3), dan asam fosfat (H3PO4). Bahan kimiawi untuk analisis tercantum dalam prosedur pengujian di Lampiran 2–4. Alat yang digunakan terdiri atas alat-alat proses dan alat-alat ukur untuk analisis. Alat-alat proses terdiri atas gelas Erlenmeyer 300 mL, gelas reaksi 250 mL, pengaduk magnetik, batang pengaduk magnetik, pipet volumetrik 10 mL, pipet volumetrik 1 mL, corong gelas, labu pemisah 500 mL, kertas saring Whatman 42, pompa vakum, gelas Erlenmeyer vakum, corong Buchner, karet sumbat penutup, alumunium foil, lemari asap, sudip, batang pengaduk gelas, botol dan plastik sampel, dan gegep penjepit. C. METODE PENELITIAN Penelitian terdiri atas empat tahap, yaitu: 1. Analisis gliserol hasil samping biodiesel jarak pagar dengan katalis basa kalium; 2. Pemurnian gliserol hasil samping biodiesel jarak pagar menggunakan asam nitrat, asam sulfat, dan asam fosfat; 3. Analisis gliserol hasil pemurnian; 4. Analisis garam kalium sebagai hasil samping pemurnian gliserol dengan perlakuan terbaik.
11
Analisis gliserol hasil samping esterifikasi-transesterifikasi minyak jarak pagar terdiri atas: uji pH, kadar gliserol, kadar abu, dan kadar zat menguap pada 1050C. Cara kerja pengujian tercantum dalam Lampiran 1–4. Perlakuan faktor yang diteliti dapat dilihat pada diagram alir yang ditunjukkan Gambar 2. Prinsip penelitian ini adalah dekomposisi gliserol melalui netralisasi katalis basa terlarut dan pemecahan sabun dengan asam mineral membentuk garam dan asam lemak bebas, dilanjutkan pemisahan antara lapisan asam lemak bebas, lapisan gliserol, dan endapan garam.
Gliserol hasil samping esterifikasitransesterifikasi minyak jarak pagar
Penambahan asam sedikit demi sedikit dalam keadaan teraduk (400 rpm) selama 1 jam
HNO3, H2SO4, H3PO4
Disaring dengan kertas saring dan pompa vakum
Gliserol dan asam lemak
Endapan garam
Analisis Dipisahkan dengan labu pemisah
Gliserol
Asam Lemak
Analisis Gambar 2. Bagan Alir Penelitian
12
Dekomposisi gliserol dilakukan dalam gelas Erlenmeyer 300 mL dengan pengadukan terus-menerus dan penambahan sedikit demi sedikit asam mineral. Pemisahan antara endapan garam dengan gliserol dilakukan dengan cara penyaringan dengan kertas saring Whatman 42 dan pompa vakum. Pemisahan lapisan gliserol dan asam lemak dilakukan dengan pengendapan secara gravitasi dengan labu pemisah. Pengujian dilakukan terhadap fase gliserol dan endapan garam yang berhasil dipisahkan. Analisis yang dilakukan terhadap fase gliserol terdiri atas: pH, kadar abu, dan kadar gliserol. Pengujian dilakukan terhadap garam kalium hasil pemisahan dari fase gliserol dengan kadar abu terendah, terdiri atas: kadar kalium, kadar klorida, dan kadar unsur hara makro (kadar sulfur, kadar nitrogen, atau kadar fosfor), dan kadar asam bebas (sebagai H2SO4, HNO3, atau H3PO4). Prosedur analisis kimia dilakukan menurut uji kimia pupuk anorganik dalam Petunjuk Teknis Analisis Kimia Tanah, Air, dan Pupuk yang dikeluarkan Balai Penelitian Tanah (Sulaeman et al., 2005), SNI, dan Official Methods of Analysis of AOAC International (Horwitz, 2000) sebagaimana
terlampir pada Lampiran 1–4.
D. RANCANGAN PERCOBAAN Percobaan dirancang dan dianalisis menurut Montgomery (2001) dengan software Microsoft Office Excel 2003 sebagai alat bantu analisis statistik. Berdasarkan SNI 06-1564-1989 tentang Gliserol Kasar, dan perlunya pengaturan pH dalam pemurnian gliserol hasil samping biodiesel, dipilih lah variabel respon yang diamati, yaitu: pH, kadar gliserol, dan kadar abu dalam gliserol hasil pemisahan dari asam lemak bebas dan garam kalium. Adapun variabel bebas terdiri atas dua faktor, yaitu: jenis asam mineral dan jumlah mmol asam. Rancangan percobaan yang digunakan adalah rancangan percobaan faktorial acak lengkap dengan tiga kali ulangan. Tinjauan pustaka menunjukkan bahwa garam kalium yang diperoleh dari tambang garam di alam berupa KCl. Selanjutnya, garam KCl menjadi bahan baku bagi produksi senyawa kalium lainnya seperti kalium hidroksida
13
dan garam kalium lain. Garam kalium yang bernilai tinggi di antaranya adalah kalium nitrat, kalium sulfat, dan kalium fosfat. Berdasarkan hal ini dipilih tiga jenis asam mineral, yaitu: asam nitrat, asam sulfat, dan asam fosfat. Dengan ketiga jenis asam ini, pemurnian gliserol (hasil samping transesterifikasi minyak jarak pagar dengan katalis KOH) akan memberikan hasil samping berupa garam kalium nitrat, kalium sulfat, dan kalium fosfat. Asam sulfat yang digunakan adalah asam sulfat pekat 96% (b/b) dengan bobot molekul 98,07 g.mol-1 dan massa jenis 1,84 g.cm-3. Dengan persamaan (1), diperoleh bahwa molaritas asam sulfat adalah 18,01 M. Asam nitrat yang digunakan adalah asam nitrat pekat 68,60% (b/b) dengan bobot molekul 63,01 g.mol-1 dan massa jenis 1,40 g.cm-3. Dengan persamaan (1), diperoleh bahwa molaritas asam nitrat adalah 15,27 M. Asam fosfat yang digunakan adalah asam fosfat pekat 85,60% (b/b) dengan bobot molekul 97,97 g.mol-1 dan massa jenis 1,69 g.cm-3. Dengan persamaan (1), diperoleh bahwa molaritas asam fosfat adalah 14,74 M.
M =
%(b b ) × ρ × 10 Mr
Persamaan (1)
Keterangan :
M
: Molaritas (M)
%(b b ) : Persentase bobot gram zat terlarut dalam 100 gram larutan
ρ
: Massa jenis larutan (g.cm-3)
Mr
: Bobot molekul zat terlarut (g.mol-1)
Analisis gliserol hasil samping biodiesel jarak pagar menunjukkan kadar KOH sebesar 2,39% (b/b). Hal ini menunjukkan bahwa dalam 200 g bahan terdapat 4,78 g KOH. Dengan bobot molekul KOH sebesar 56,1 g.mol-1 diperoleh jumlah KOH dalam 200 g bahan adalah 85,12 mmol. Basa kalium merupakan basa kuat sehingga akan terionisasi sempurna dalam air. Ionisasi satu mol KOH dalam air akan menghasilkan satu mol K+ dan satu mol OH- (Gambar 3). Diperlukan H+ dalam jumlah yang sama
14
dengan OH- untuk menetralkannya. Maka, diperlukan 85,12 mmol H+ untuk menetralkan KOH yang larut dalam 200 g bahan gliserol. Analisis gliserol hasil samping biodiesel jarak pagar menunjukkan kadar K-oleat sebesar 7,82% (b/b). Hal ini menunjukkan bahwa dalam 200 g bahan terdapat 15,64 g K-oleat. Dengan bobot molekul K-oleat sebesar 320,56 g.mol-1 diperoleh jumlah K-oleat dalam 200 g bahan adalah 48,78 mmol. Ionisasi satu mol K-oleat dalam air akan menghasilkan satu mol K+ (Gambar 3) karena kation K+ dalam K-oleat berasal dari basa kalium. Anion oleat berasal dari asam oleat yang merupakan asam lemah. Karena itu, hidrolisis satu mol anion oleat cenderung akan menghasilkan satu mol OHkarena H+ cenderung berikatan kembali dengan anion oleat (Gambar 3). Akibatnya, larutan K-oleat akan bersifat basa. Berdasarkan jumlah K-oleat dalam 200 g bahan, maka diperlukan 48,78 mmol H+ untuk netralisasi basa akibat hidrolisis sabun K-oleat. Jumlah total H+ dari asam mineral yang digunakan dalam penelitian ini adalah penjumlahan dari jumlah H+ untuk netralisasi basa karena KOH terlarut dan basa karena sabun K-oleat terlarut. Hasilnya adalah 133,90 mmol H+. Asam sulfat merupakan asam kuat. Dalam air, satu mol asam sulfat dianggap terionisasi sempurna menghasilkan dua mol H+ dan satu mol SO42(Gambar 8). Jumlah asam sulfat dijadikan patokan jumlah mmol H+ untuk netralisasi dalam penelitian ini. Sejumlah 133,90 mmol H+ diperoleh dari 66,95 mmol asam sulfat. Ionisasi asam-basa yang diuraikan di atas adalah ionisasi dalam pelarut air. Karena bahan penelitian adalah gliserol, diambil beberapa tingkat faktor jumlah mmol asam mulai dari di bawah 66,95 mmol asam sulfat, dilanjutkan dengan beberapa tingkat jumlah mmol sampai dengan lima tingkat. Hal ini bertujuan untuk antisipasi terhadap kekuatan asam nitrat dan asam fosfat yang berbeda dengan asam sulfat. Jumlah mmol asam yang ditambahkan terdiri atas lima tingkat, yaitu: 54 mmol, 90 mmol, 126 mmol, 162 mmol, dan 198 mmol (ditambahkan ke dalam 200 g bahan gliserol). Jumlah asam 54 mmol diambil untuk memudahkan pengukuran karena sama dengan 3 mL asam sulfat 18,01 M.
15
Rentang 36 mmol pada jumlah mmol asam antartingkat diambil untuk tujuan serupa karena sama dengan 2 mL asam sulfat 18,01 M. Besarnya volume tiap jenis asam yang ditambahkan (ke dalam 200 g bahan gliserol) sesuai tingkat jumlah mmol asam dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Volume Asam untuk Perlakuan Jumlah mmol Asam Jumlah mmol
Volume Asam yang Ditambahkan H2SO4 18,01 M HNO3 15,27 M H3PO4 14,74 M Mr = 98,07 g.mol-1 Mr = 63,01 g.mol-1 Mr = 97,97 g.mol-1
54 90 126 162 198
3,00 mL 5,00 mL 7,00 mL 9,00 mL 10,99 mL
3,54 mL 5,90 mL 8,25 mL 10,61 mL 12,97 mL
3,66 mL 6,11 mL 8,55 mL 10,99 mL 13,43 mL
Model dasar rancangan percobaan adalah sebagai berikut. y = β0 + β1 x1 + β2 x2 + β12 x1 x2 + ε Keterangan: y
: Respon pada perlakuan jenis asam ke-i dan jumlah mol ke-j
β0
: Konstanta nilai respon awal (saat x = 0)
β1 x1
: Pengaruh jenis asam ke- i
β2 x2
: Pengaruh jumlah mol asam ke-j
β12 x1 x2 : Pengaruh interaksi antara jenis dengan jumlah mmol asam ε
: Galat percobaan Jenis asam (x1) merupakan faktor kualitatif, sedangkan jumlah mmol
asam (x2) merupakan faktor kuantitatif. Model dasar hasil regresi dinyatakan dengan persamaan untuk tiap jenis asam sebagai berikut. y = β0 + β1 x1 + ε Keterangan: y
: Respon pada perlakuan jumlah mol ke-i untuk tiap jenis asam
β0
: Konstanta nilai respon (y) awal (saat x = 0)
β1 x1
: Pengaruh jumlah mmol ke-i untuk tiap jenis asam
ε
: Galat percobaan
16
