Pemanfaatan Zirkon Hasil Samping Pertambangan Timah Sebagai Penyangga Katalis Reaksi Reformasi Kukus Metanol
(Utilization of Zircon from the By-product of Tin Mining as Catalysts Support for Steam Reforming of Methanol)
SKRIPSI
Meta Widiastri 10503015
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Pemanfaatan Zirkon Hasil Samping Pertambangan Timah sebagai Penyangga Katalis Reaksi Reformasi Kukus Metanol
SKRIPSI
Meta Widiastri 10503015
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
Abstract ZrSiO4 (zircon) is one of the by-product of tin mining. ZrSiO4 potency as a catalyst support was never been studied before. In this research, zircon is used as support for Cu based – catalysts, and their activities in steam reforming of methanol are tested. Cu/ZrSiO4 and Cu/ZnO/ZrSiO4 catalysts were synthesized by incipient wetness impregnation method. Catalysts that have been synthesized were Cu/ZrSiO4 with 9% and 15% Cu-mole (9%Cu/ZrSiO4 and 15%Cu/ZrSiO4); Cu/ZrSiO4 catalysts with different calcination temperature (300oC and 500oC); and 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4 catalyst. Characteristic and activity of the catalysts were compared to LTSC (Low Temperature Shift Conversion) commercial catalyst (Cu/ZnO/Al2O3). Steam reforming of methanol catalyzed by those catalyst at 300oC showed methanol conversion of 15% for 9%Cu/ZrSiO4, 28% for 15%Cu/ZrSiO4, 4% for 15%Cu/ZrSiO4 (Tcalcination = 300oC), and 21% for 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4. XRD diffractograms show that the catalysts are crystalline. The BET measurement results shows that specific surface area are 4.94 m2/g for ZrSiO4, 5.58 m2/g for 15%Cu/ZrSiO4, and 2.74 m2/g for 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4. Keywords: Cu/ZrSiO4, incipient wetness impregnation, steam reforming of methanol
ii
Abstrak ZrSiO4 (zirkon) merupakan hasil samping pertambangan timah. Potensi ZrSiO4 sebagai penyangga katalis belum pernah diteliti sebelumnya. Pada penelitian ini telah disintesis katalis Cu/ZrSiO4 menggunakan metode incipient wetness impregnation untuk reaksi reformasi kukus metanol (RKM). Katalis yang telah disintesis, antara lain katalis Cu/ZrSiO4 dengan variasi komposisi mol Cu sebesar 9% dan 15%; katalis Cu/ZrSiO4 dengan variasi temperatur kalsinasi sebesar 300oC dan 500oC; dan katalis 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4. Karakteristik dan aktivitas katalis-katalis tersebut dibandingkan dengan katalis LTSC (Low Temperature Shift Conversion) komersial (Cu/ZnO/Al2O3). Dari hasil uji aktivitas katalis, diperoleh tingkat konversi metanol pada temperatur 300oC sebesar 15% untuk katalis 9%Cu/ZrSiO4, 28% untuk katalis 15%Cu/ZrSiO4, 4% untuk katalis 15%Cu/ZrSiO4 (Tkalsinasi = 300oC), dan 21% untuk katalis 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4. Difraktogram XRD menunjukkan bahwa seluruh katalis Cu/ZrSiO4 memiliki fasa kristalin. Pengukuran adsorpsi isoterm BET menghasilkan luas permukaan spesifik sebesar 4,94 m2/g untuk ZrSiO4, 5,58 m2/g untuk katalis 15%Cu/ZrSiO4, dan 2,74 m2/g untuk katalis 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4. Kata kunci: Katalis Cu/ZrSiO4, incipient wetness impregnation, reformasi kukus metanol
iii
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh: Nama: Meta Widiastri NIM: 10503015
Telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung, September 2007
Pembimbing,
Dr. I Nyoman Marsih 132129256
iv
Persembahan For Allah SWT, The Most Gracious, The Most Merciful... I’m just a kid…
“Jika Allah Menolong kamu, maka tak ada orang yang dapat mengalahkan kamu; jika Allah membiarkan kamu (tidak memberi pertolongan), maka siapakah gerangan yang dapat menolong kamu (selain) dari Allah sesudah itu? Karena itu hendaklah kepada Allah saja orang-orang mukmin bertawakal.” (Q.S. Ali Imran: 160)
And for Mom…
v
Ucapan Terima Kasih Alhamdulillahirabbil’alamin. Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas limpahan rahmat, hidayah, berkah, dan karunia-Nya yang senantiasa mengiringi penulis hingga terselesaikannya Skripsi ini. Shalawat dan salam juga senantiasa teriring kepada nabi besar Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat, dan pengikut beliau hingga akhir zaman. Akhirnya Skripsi yang berjudul “Pemanfaatan Zirkon Hasil Samping Pertambangan Timah sebagai Penyangga Katalis Reaksi Reformasi Kukus Metanol” ini selesai juga. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan penghargaan, rasa hormat dan cinta yang dalam kepada Imu, Cahya Widiyati dan Papi, Herry Poernomo yang telah membesarkan penulis dan selalu memberikan kasih sayangnya, dorongan semangat serta doa untuk keberhasilan dan keselamatan penulis hingga selesainya pembuatan Skripsi ini.
Beliau
adalah semangat penulis untuk terus bangkit dan berjuang. Terima kasih juga penulis sampaikan untuk adik-adik penulis yaitu Ethenia Novianty Windaningrum dan Fauzan Afif yang telah memberi semangat dan doa untuk penulis. Dalam penyusunan skripsi ini, penulis juga banyak memperoleh dorongan, bantuan, dan masukan dari berbagai pihak.
Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis hendak
menyampaikan permintaan maaf yang sebesar-besarnya dan terima kasih yang setulustulusnya serta teriring doa semoga Allah SWT membalas setiap kebaikan dengan kebaikan yang berlipat ganda kepada: 1.
Bapak Dr. I Nyoman Marsih sebagai dosen pembimbing 1 atas bimbingan, nasehat, ajaran, dorongan, dan bantuan yang diberikan selama proses pengerjaan penelitian ini.
2.
Bapak Dr. Ir. IGBN Makertihartha dari Program Studi Teknik Kimia ITB sebagai dosen pembimbing 2 atas bimbingan, nasehat, dorongan, ajaran, dan bantuan yang diberikan selama penelitian.
3.
Bapak Dr. Ir. Subagjo dan Ibu Dr. Ir. Melia Laniwati Gunawan dari Program Studi Teknik Kimia ITB atas dorongan, masukan, ajaran, dan arahan yang diberikan selama penelitian.
vi
4.
Bapak Dr. Ir. Syoni Soepriyanto, M.Sc. dari Program Studi Teknik Metalurgi ITB atas bantuan zirkon yang digunakan dalam penelitian ini serta masukan-masukan berharganya.
5.
Bapak Dr. Muhammad Bachri Amran atas berbagai masukan pada penelitian ini.
6.
Ibu Dr. Irma Mulyani atas motivasi dan masukannya.
7.
Ibu Dr. Rita Anggraeni selaku dosen wali selama penulis menjalani tahap persiapan bersama dan tahap sarjana muda di ITB atas dorongan, bantuan, dan ajarannya.
8.
Seluruh dosen Program Studi Kimia ITB yang telah berjasa membimbing dan memberikan ilmu serta pengalamannya kepada penulis.
Kalian adalah Pahlawan
Tanpa Tanda Jasa. 9.
Seluruh staf di Program Studi Kimia ITB: Pak Bandi, Bu Ela, Pak Toto, Bu Soni, Bu Tini, Pak Wandi, Pak Aep, Mas Handi, Pak Yadi, Pak Budi, Pak Win, Pak Dede, Pak Lanang, Pak Kawi, Pak Ajat, Pak Anchu, dan para petugas perpustakaan atas segala bantuan dan dukungannya dalam membuka jalan hingga selesainya Skripsi ini.
10.
Seluruh staf dan dosen di Program Studi Teknik Kimia ITB atas bantuan dan kerja samanya.
11.
Kelompok PKMP yang telah bekerja sama dalam mengerjakan penelitian selama ini: Fendy, Priscillia, Devi, dan Dani. You are nice partner, guys.
12.
Seluruh penghuni Solid State and Catalyst Lab ITB: Shinchan, Pak Zul, Bu Fahima, Bu Afifah, Bu Ati, Pak Akram, Pak Rolan, Mbak Fitri, Teh Fara, Teh Evi, Pak Cepi, Pak Mauritz, Teh Sun, Teh Fika, Teh Emil, Andri, Dicky, Daniel, Hani, dan Dhani, atas motivasi, bantuan, dan kesabarannya selama penulis bekerja di sana.
13.
Seluruh anggota Laboratorium Teknik Reaksi Kimia dan Katalisis ITB, terutama Evan, Sesep, Kak Rendi, dan Kak Nurendra atas bantuan, arahan, kesabaran, dan keceriaanya selama penulis menggunakan reaktor reformasi kukus metanol dan GC di sana; Anti, Cynthia, Debby, Thicon, Yanti, Wanto, Rika, Eka, Gempal, Tomi, Jimmy, Kak Ivan, Teh Fitri, dan Teh Maria atas kebersamaannya. Juga kepada semua temanteman di Program Studi Teknik Kimia ITB yang sering penulis jumpai selama penulis bekerja di sana: Tika, Fikri, Edo, Kak Ris, Naomi, Farah, Teh Yesi, Ida, Rahmi, Emi, Mira, cs, atas motivasi dan keceriaanya.
14.
Teman-teman kelompok 10 Litkim Merdeka!!!: Erma, Mukti, Puji, Fitri, Ristny, Kak Emir, atas doa, bantuan, dorongan, kerja sama, dan keceriaanya selama ini.
vii
15.
Teman-teman satu angkatan kimia 2003 atas kebersamaan, semangat, dan keceriaannya selama penulis kuliah di ITB, terutama kepada Nila, Ami, Tian, Arman, Keni, Budi, Adit, Asep, Howie, dan Yoga.
16.
Teman-teman seperjuangan di Gamais, Amisca, Kamamuki, dan Kokesma, terutama “tim FSLDK ceria” Gamais atas doa, kerja sama, kebersamaan, keceriaan, kesabaran, dan motivasinya yang telah membantu penulis menjadi dewasa.
17.
Para senior dan junior di Program Studi Kimia ITB: Kak Kiki, Teh Imas, Teh Reni, Kak Rahman, Elviera, Nurin, Yuli, Oki, Okah, Ita, Mita, Nia, Mia, Kory, dan Mpil atas doa, bantuan, masukan, motivasi dan kesabarannya selama penulis kuliah di ITB.
18.
Para KBB-ers: Bu Irah, Pak Agus, Windi, Eka, Syifa, Fani, Dhian, Mbak Febi, Reni, Ajeng, Ratna, Eva, Jo, Mbak Fika, Devi, Mbak Opie, Rheza, Nurul, Mbak Ririn, Agtri, Novi, Santiek, Prima, Mbak Aisah, Mbak Risma, Mbak Ega, Mbak Titi, Joy, dan Tri atas doa, kebersamaan, keceriaan, motivasi, kesabaran, dorongan, bantuan, pengertian, dan makanannya selama ini.
19.
Para alumni Padmanaba, terutama Djipat-ers dan Pad Rover-ers, juga guru-guru tercinta. Viva Teratai Merah!
20.
Aang, Pangeran Zuko, Katara, Sokka, Toph Bei Fong, Paman Iroh, Appa, Momo, Naruto, Gon, Kilua, Cemani, Break, Kit Kat, Mas Nana, Sadam, Ji Do Ri, cs. Thanks for all real and unreal stuff.
21.
Semua pihak yang telah membantu, mendoakan, dan mendorong penulis selama ini, yang namanya tak mungkin disebut satu per satu. Terima kasih.
Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis terbuka terhadap saran, kritik, serta masukan untuk perbaikan laporan ini. Akhir kata, penulis berharap semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Bandung, September 2007
Penulis
viii
Daftar Isi Abstract.................................................................................................................................... ii Abstrak.................................................................................................................................... iii Persembahan .............................................................................................................................v Ucapan Terima Kasih ............................................................................................................. vi 1
2
3
Pendahuluan......................................................................................................................1 1.1
Latar Belakang Penelitian........................................................................................1
1.2
Objek Penelitian ......................................................................................................3
1.3
Tujuan Penelitian.....................................................................................................3
Tinjauan Pustaka...............................................................................................................5 2.1
Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)....................................................................................5
2.2
Sumber-Sumber Hidrogen untuk Sel Bahan Bakar...............................................15
2.3
Reaksi Konversi Metanol Menjadi Hidrogen........................................................16
2.4
Katalis RKM..........................................................................................................17
2.5
Metoda Sintesis Katalis RKM ...............................................................................24
2.6
Karakterisasi Katalis RKM....................................................................................26
2.7
Uji Aktivitas Katalis RKM....................................................................................28
Percobaan........................................................................................................................34 3.1
Peralatan ................................................................................................................34
3.2
Bahan.....................................................................................................................36
3.3
Prosedur.................................................................................................................36
4
Hasil dan Pembahasan ....................................................................................................40
5
Kesimpulan dan Saran ....................................................................................................50 5.1
Kesimpulan............................................................................................................50
5.2
Saran......................................................................................................................50
Daftar Pustaka.........................................................................................................................51 Lampiran........................…...............…...…...……...……...…......…....................................55 ix
Daftar Tabel Tabel 2.1 Hasil percobaan Linstrom.......................................................................................18 Tabel 3.1 Daftar peralatan untuk sintesis, karakterisasi, dan uji aktivitas katalis...................34 Tabel 3.2 Bahan-bahan untuk sintesis, karakterisasi, dan uji aktivitas katalis .......................36 Tabel 4.1 Nilai hasil uji aktivitas katalis.................................................................................43
x
Daftar Gambar
Gambar 2.1 Sel elektolisis ........................................................................................................5 Gambar 2.2 Mobil sel bahan bakar Honda ...............................................................................7 Gambar 2.3 Sel bahan bakar terbaru.........................................................................................7 Gambar 2.4 Prinsip kerja sel bahan bakar ................................................................................8 Gambar 2.5 Skema kerja PEMFC...........................................................................................10 Gambar 2.6 Skema kerja AFC ................................................................................................11 Gambar 2.7 Skema kerja PAFC..............................................................................................12 Gambar 2.8 Skema kerja SOFC..............................................................................................13 Gambar 2.9 Skema kerja MCFC.............................................................................................14 Gambar 2.10 Skema kerja keseluruhan jenis sel bahan bakar ................................................14 Gambar 2.11 Stasiun pengisian bahan bakar hidrogen...........................................................16 Gambar 2.12 Skema representasi partikel Cu pada penyangga ZrO2 dalam katalis Cu/ZrO2 19 Gambar 2.13 Hasil analisis TPR Dutta ...................................................................................20 Gambar 2.14 Diagram pembuatan zirkonil klorida dari zirkon ..............................................21 Gambar 2.15 Diagram pembuatan zirkonia dari zirkonil klorida dengan metode presipitasi.22 Gambar 2.16 Struktur zirkon ..................................................................................................23 Gambar 2.17 Ilustrasi metode impregnasi ..............................................................................25 Gambar 2.18 Ilustrasi metode kopresipitasi............................................................................26 Gambar 2.19 Penataan tipe geometri Bragg-Brentano pada analisis XRD ............................26 Gambar 2.20 Contoh pola difraksi sinar-X.............................................................................27 Gambar 2.21 Diagram alir RKM ............................................................................................28 Gambar 2.22 Pengaruh temperatur terhadap aktivitas katalis.................................................31 Gambar 2.23 Pengaruh komposisi umpan terhadap aktivitas katalis......................................31 xi
Gambar 2.24 Pengaruh waktu pemakaian katalis terhadap aktivitas katalis ..........................32 Gambar 3.1 Diagram alir sintesis CuO/ZrSiO4 dengan metode Incipient Wetness Impregnation...................................................................................................................37 Gambar 3.2 Diagram alir sintesis CuO/ZnO/ZrSiO4 dengan metode Incipient Wetness Impregnation...................................................................................................................38 Gambar 3.3 Diagram alir uji aktivitas katalis .........................................................................38 Gambar 4.1 Ilustrasi pembasahan Cu(NO3)2 (warna biru) pada penyangga (warna putih) ....41 Gambar 4.2 Penampakan fisik penyangga ZrSiO4 selama proses sintesis katalis Cu/ZrSiO4 42 Gambar 4.3 Kurva konversi metanol terhadap temperatur reaksi RKM ................................44 Gambar 4.4 Diagram hasil pengukuran luas permukaan menggunakan metode BET ...........45 Gambar 4.5 Difraktogram XRD katalis 9%Cu/ZrSiO4 ...........................................................46 Gambar 4.6 Difraktogram XRD katalis 15%Cu/ZrSiO4 .........................................................46 Gambar 4.7 Difraktogram XRD katalis 15%Cu/15%ZnO/ZrSiO4 .........................................47 Gambar 4.8 Puncak CuO pada PDF 80-1916 .........................................................................48 Gambar 4.9 Puncak ZnO pada PDF 80-0074 .........................................................................48 Gambar 4.10 Puncak ZrSiO4 pada PDF 83-1383 ...................................................................49
xii
