PENGARUH PERBANDINGAN MOLAR REAKTAN PADA PROSES ESTERIFIKASI PLASTISIZER ISOBUTIL LAURAT Oleh: Nirwana1), Irdoni1)dan Zaid Isramar Hardani1)
ABSTRACT In chemical industry, plasticizer has very important role on changing synthetic resin material character until getting the hardness and softness degree. This research is about the influence of substrate molar comparison on synthesising isobuthyl lauric plasticizer with natural zeolite catalyst which is activated to be H-Zeolite. This research was done in Mineral and Natural Material Technology Laboratory of Engineering Faculty of Riau University, Pekanbaru. The method of making isobuthyl lauric plasticizer is esterification between lauric acid and alcohol isobuthyl (isobuthanol), with molar comparison (1:2);(1:3);(1:4) using catalyst 15% lauric acid weight base, temperature 100oC- 104oC during 420 minutes. The optimum result of this process, on molar comparison 1:3 with reaction conversion 71,02%. Lauric isobuthyl plasticizer is characterized with physical and chemical character analysis, results density of lauric isobuthyl = 0,854 g/ml, viscosity 3,28 cp, specific gravity 0,841 gr/ml, color (m=6 ; k= 40 ; b=9), refraktive index = 1,4588, water dosage = 0,832 %wt and esther value =130,84 mg KOH/g sample. Key words: Lauric Acid, Esterification, H-Zeolite, Lauric Isobuthyl, Plasticizer
PENDAHULUAN Plastisizer dalam konsep sederhana adalah sebagai pelarut organik dengan titik didih tinggi atau suatu padatan dengan titik leleh rendah, yang apabila ditambahkan ke dalam resin akan menurunkan gaya akumulasi intermolekularpada rantai panjang polimer, sehingga kelenturan (flexibility), kelunakan (softness), pemanjangan (elongation) dan kemampuan kerja (workability) bahan akan bertambah (Sadi dan Guritno, 1996 ).Plastisizer dari bahan baku minyak nabati sudah mulai dikembangkangkan, seperti darisaflover oil, rice oil, menhaden oil , minyak kedelai (Sadi, 1992). Sedangkan industri plastisizer dari bahan baku minyak bumi dianjurkan untuk dikurangi, seperti DOA (Dioctyl Adipate), BDAS (Butyl Diasetoksi Stearat), DINP (Diiso Nonyl Phthalat) dan DOP (Dioctyl Phthalat) , karena minyak bumi tidak dapat diperbaharui. Salah satu yang dapat dijadikan sebagai bahan baku alternatif plastisizer berbasis minyak
1
nabati adalah minyak sawit, yakni jenis monoester seperti isopropil oleat (IPO) dan isobutil oleat (IBO) (Haryono, 2007). Pengembangan minyak sawit sebagai bahan baku plastisizer akan turut serta mengembangkan nilai ekonomis minyak tersebut. Pengkonversian asam lemak menjadi metil ester dapat dilakukan dengan reaksi esterefikasi, yakni asam lemak diesterifikasi dengan alkohol. Ghozali (2008), telah mereaksikan isobutanol dengan asam oleat pada temperature 100 oC, menghasilkan konversi sebesar 93,22% dengan katalis H2SO4 sejumlah 4% dan perbandingan mol reaktan antara isobutanol dengan asam oleat 2:1 berbasiskan berat asam oleat. Reaksi esterifikasi dapat dikatalisis oleh asam, baik katalis homogen maupun heterogen. Penggunaan katalis heterogen pada reaksi esterifikasi asam lemak dengan alkohol dapat mempermudah proses pemisahan katalis dari campuran reaksi. Katalis asam padat (heterogen) yang saat ini banyak digunakan adalah zeolit alam teraktivasi.
)Staf Pengajar Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau, Pekanbaru
85
86
Menurut (Nasikin dkk., 2004) zeolit alam yang diaktifasi menjadi H-Zeolit merupakan katalis asam, sehingga dapat mengkatalisasi asam lemak dengan alkohol secara esterifikasi. Susanto dan Nasikin (2008) melakukan reaksi esterifikasi asam oleat dengan oktanol menggunakankataliszeolitalam dengan perbandingan berat 2% terhadap asam oleat didapatkan konversi reaksi 80,73% dengan lama reaksi 420 menit. Dalam penelitian ini akan dilakukan pembuatan plastisizer secara esterifikasi dengan mereaksikan asam laurat dan isobutil alkohol, dengan menggunakan katalis H-zeolit. METODE PENELITIAN Bahan Bahan baku utama yaitu asam laurat, isobutanol, zeolit alam, aquades, indikator pp, HCL, ethanol, asam oksalat (C2H2O4.2H2O), dinatrium tetra borax (Na2B4O7.10H2O), ammonium nitrat (NH4NO3). Peralatan Peralatan yang digunakan terdiri dari tiga kategori yaitu alat pereaksi, alat gelas dan alat analisa. Alat pereaksi terdiri darilabu leher tiga, kondensor, pengaduk, hot plate, oil batchdan termometer.Alat gelas terdiri dari corong pisah , gelas ukur, corong, pipet tetes, pipet gondok, erlenmeyer dan gelas piala. Sedangkan alat analisa yang digunakan ialah piknometer, buret, viscometer oswald, lovibon tintometer, refractometer index, Gas Chromatography-Mass Spectrophotometer (GCMS), Fourier Transform Infra Red (FTIR), XRay Diffractometer (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Surface Area Analyzer (SAA). Penyiapan Bahan Baku Asam laurat terlebih dahulu dicairkan pada suhu 80°C selama kurang lebih 15 menit, selanjutnya dilakukan penyaringan untuk memisahkan kotoran. Persiapan Katalis H-Zeolit Zeolit alam yang sudah dipisahkan dari pengotor secara fisik selanjutnya dicuci dengan
air biasa hingga air sisa pencucian tidak lagi terlihat keruh, kemudian dibilas dengan aquades dan dikeringkan. Zeolit kering yang sudah bersih dari kotoran secara fisik, ditumbuk sampai halus, zeolit tersebut ditimbang seberat ± 500 gram dan diletakkan pada wadah (erlenmeyer 500 ml), kemudian ditambahkan larutan pengaktif yaitu amonium nitrat (NH4NO3) 1 N, sambil diaduk terus menerus selama 3 hari dengan menggunakan magnetic stirrer. Selanjutnya dilakukan pencucian dengan aquades hingga mencapai kondisi netral (pH 7) dan disaring dengan kertas saring serta dikeringkan. Zeolit yang sudah kering diovenkan selama 24 jam pada suhu 120°C, kemudian zeolit dikalsinasi dalam furnace pada suhu 500°C selama 4 jam (Banon dan Suharto, 2004). Sintesa Isobutil Laurat Asam laurat sebanyak 50 gram dimasukkan kedalam labu leher tiga yang dilengkapi pengaduk, selanjutnya dipanaskan didalam oil batch dengan suhu 100-104°C. Kemudian dimasukkan katalis H-Zeolitsebanyak 7,5 gram (15% berat asam laurat). Selanjutnya lakukan pengadukkan dengan kecepatan 200 rpm selama kurang lebih 30 menit. Kemudian tambahkan isobutanol dalam jumlah mol bervariasi, masing masing sebanyak 46,14 ml (1:2) ; 69,20 ml (1:3) dan 92,27 ml (1:4). Pemanasan dengan mengunakan pendingin terbalik (refluks) dijaga pada suhu 100-104ºC pada kecepatan pengadukan 200 rpm selama 420 menit.Kemudian produk yang diperoleh didiamkan selama 24 jam dipisahkan dari air dan katalis, dengan cara memasukkan semua campuran kedalam corong pisah. Analisa Hasil Analisa hasil dilakukan terhadap katalis dan produk. Analisa katalis terdiri dari analisa XRay Diffractometer (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) dan Surface Area Analyzer (SAA) dengan metode BET. Sedangkan analisa produk dilakukan uji viskositas, densitas, indeks bias, warna, Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan Gas Chromatography-Mass Spectrophotometer (GC-MS).
AGRIPLUS, Volume 22 Nomor : 02 Mei 2012, ISSN 0854-0128
87
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik Zeolit Alam Teraktivasi Analisis mineral zeolit alam meliputi penentuan jenis mineral penyusun zeolit dengan menggunakan difraksi sinar-X pada alat X-Ray Diffractometer (XRD), penentuan mikrofotografi (bentuk katalis) dengan menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) dan penentuan luas permukaan BET dengan Surface Area Analyzer(SAA). Spektra difraksi sinar-x sampel zeolit alam teraktifasi dapat dilihat pada Gambar
Penentuan luas permukaan katalis HZeolit dilakukan dengan menggunakan alat Surface Area Analyzer (SAA) dengan metoda perhitungan luas permukaan BET. Dari hasil uji dengan BET, diperoleh hasil bahwa katalis HZeolit memiliki luas permukaan sebesar 22,0540 m2/g. Proses esterifikasi bertujuan untuk mengubah asam laurat menjadi Isobutil Laurat. Reaksi ini bersifat reversible, sehingga diperlukan meningkatkan jumlah molar salah satu reaktan untuk mengarahkan reaksi ke arah produk. Konversi reaksi berdasarkan perbandingan molar reaktan dapat dilihat pada Tabel 1. Sedangkan grafik angka asam terhadap perbandingan molar reaktan serta grafik konversi terhadap perbandingan molar reaktan dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4. Tabel 1. Konversi Reaksi Berdasarkan Perbandingan Molar Reaktan
Gambar 1.Difraktogram Katalis H-Zeolit Berdasarkan hasil data spektrum XRD (difraktogram) dari JCPD pada Gambar 1, karakterisasi secara kuantitatif ditujukan untuk mengetahui angka kristalinitas produk H-Zeolit. Katalis H-Zeolit memiliki 3 puncak tertinggi pada nilai d (jarak antar kristal) berturutturut3.963,44 dan 3,21. Menurut JCPDS no 50490, puncak tertinggi itu berada pada 22,4860; 25,8630dan 27,7970yang dibaca secara horizontal (2θ) merupakan puncak untuk mineral mordenit. SEM merupakan pencitraan material dengan mengunakan prinsip mikroskopi. Dalam analisis foto SEM dapat diketahui bentuk dan perubahan permukaan dari katalis. Hasil SEM katalis H-Zeolit dapat dilihat dalam Gambar 2.
Mol As Laurat: Isobutanol. 1: 2 1: 3 1:4
Angka Asam (mg KOH/g sampel) 95,520 80,023 83,314
Konversi Reaksi (%) 65,41 71,02 69,83
Gambar 3.Grafik Angka Asam terhadap Perbandingan Molar Reaktan
Gambar 2 Hasil SEM Katalis H-Zeolit
AGRIPLUS, Volume 22 Nomor : 02 Mei 2012, ISSN 0854-0128
88
Tabel 2.Hasil Karakterisasi Produk Isobutil Laurat
69
1 2
Appearance Color
3 4
Specific Gravity Acid Value
5
Ester Value
6
Refraktive Index
7
Unit
IBL
APHA
Kuning m=6 k=40 b=9
65.41
63 60 1:3 1:4 perbandingan mol
Gambar 4.Grafik Konversi terhadap Perbandingan Molar Reaktan
Kadar Air
%wt
0,832
8
Viskositas
cp
3.28
9
Densitas
g/ml
0.854
Hasil Karakterisasi FTIR untuk Asam Laurat dan Isobuti Laurat Perbandingan hasil analisa karakterisasi FTIR asam laurat dan isobutil laurat dapat dilihat pada Gambar 5. ASAM LAURAT ISOBUT IL LAURAT
779.24
1122.57
545.85
684.73
939.33
1467.83 1431.18 1409.96
1246.02 1217.08 1192.01
1350.17
894.97
725.23
1083.99
1897.95
540.07
1708.93 1695.43
2320.37
1301.95
2769.78 2800
1112.93
1037.70
1192.01
1284.59
1240.23
1411.89
1377.17
1732.08 1710.86
1465.90
3082.25 4000 3600 3200 ISOBUTIL LAURAT VS ASAM LAURAT
1001.06
721.38
821.68
2922.16
2640.55 2617.40 2561.47
3095.75
2465.03
1815.02 1782.23
2357.01 2316.51
2181.49 2154.49 2102.41 2017.54
3315.63
%T
2954.95 2920.23 2850.79
Karakterisasi Produk Isobutil Laurat Uji sifat fisika - kimia untuk produk isobutil laurat yang dihasilkan meliputi pengukuran densitas, viskositas, bilangan asam, bilangan ester, specific gravity, indeks bias, kadar air, dan pengambilan spektrum FTIR dari produk sintesa, serta dilakukan analisa GC-MS. Pengukuran densitas dan viskositas, bilangan asam, bilangan ester, specific gravity, indeks bias, kadar air dilakukan untuk identifikasi awal perubahan sifat fisika dan kimia dari proses konversi kimia. Hasil karakterisasi produk isobutyl laurat dapat dilihat pada Tabel 2
130,84 1.4588
3469.94
Dari hasil penelitian pada Gambar 3 dan 4 dapat dilihat bahwa pada perbandingan molar reaktan (asam laurat : isobutanol) sebesar 1:3 memberikan produk dengan angka asam terendah 80,03 mg KOH/g sampel, dan konversi rekasi tertinggi yakni 71,02%. Secara stokiometri reaksi ini berjalan dengan perbandingan molar 1:1, tetapi karena reaksinya reversible maka diperlukan melebihkan jumlah molar salah satu reaktan, agar reaksi bergerak kearah produk. Beberapa penelitian terdahulu yang berdekatan konteks ini, menyarankan untuk menambahkan jumlah molar dari alkohol. Alkohol yang digunakan disini adalah isobutanol, didapat bahwa perbandingan molar asam laurat dengan isobutanol yang baik adalah 1:3 (50 gram asam laurat dengan 69,20 ml isobutanol).
0,841 80,39
n25
2848.86
1:2
gr/ml mg KOH/g Sampel mg KOH/g Sampel
2727.35 2667.55 2642.48 2598.12
66
Keterangan
3311.78
Konversi (%)
No
69.83
677.01
71.02
72
939.33
75
2400
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600 1/cm
Gambar 5.Perbandingan Spektrum FTIR Asam Laurat (hitam) dengan Isobutil Laurat (merah) Gambar 5 dapat dilihat perbedaan bilangan gelombang untuk gugus ester dari masing-masing sampel. Untuk bilangan gelombang gugus ester C=O asam laurat terletak pada bilangan 1708-1695 cm-1adalah ikatan C=O yang menunjukkan gugus asam karboksilat. Analisa tersebut menunjukkan gugus fungsional
AGRIPLUS, Volume 22 Nomor : 02 Mei 2012, ISSN 0854-0128
89
COOH menjadi gugus –COOC-.Sedangkan untuk hasil analisa FTIR produk isobutil laurat dapat dilihat bahwa spektrum FTIR memperlihatkan bilangan gelombang 1284-1192 cm-1 adalah ikatan C-O-C yang menunjukkan adanya gugus ester, bilangan gelombang 29202850cm-1 adalah ikatan C-H yang menunjukkan gugus metil dan alifatik, serta bilangan gelombang 1732-1710 cm-1 adalah ikatan C=O yang menunjukkan gugus ester.Dari hasilanalisis tersebut menunjukkan terjadinya perubahan gugus fungsi ester pada produk yaitu isobutil laurat. Hasil Karakterisasi GC-MS untuk Asam Laurat dan Isobutil Laurat Produk yang isobutil laurat dianalisis dengan GC-MS, dan dibandingkan dengan hasil GC-MS asam laurat. Gambar 6 dan 7 merupakan kromatogram asam laurat dan isobutyl laurat (IBL). Analisis ini menginformasikan bahwa reaksi telah berjalan sebagaimana direncanakan, tetapi hasilnya belum murni, sehingga pada kromatogram dari produk masih muncul puncak yang menunjukkan masih adanya asam laurat. Atau dapat ditambahkan juga, bahwa konversi reaksi belum 100%.
Gambar 7.Kromatogram GC Isobutil Laurat Perbandingan Hasil Karakterisasi Plastiszer DOP (Di-oktil Phthalat), IBO (Isobutil Oleat) dan IBL(Isobutil Laurat). Dari hasil analisa uji sifat fisika produk didapatkan hasil karakterisasi produk plastisizer isobutil laurat (IBL). Plastisizer isobutil laurat karakteristiknya dibandingkan dengan plastisizer komersil Dioktil Phthalat (DOP) dan plastisizer ester isobutil oleat(IBO) (Ghozali, 2008) yang dapatdilihat pada Tabel 3.
Gambar 6. Kromatogram GC Asam Laurat
AGRIPLUS, Volume 22 Nomor : 02 Mei 2012, ISSN 0854-0128
90
Tabel 3. Perbandingan Hasil Karakterisasi DOP, IBO dan IBL No
Keterangan
1
Appearance
2
Color
Unit
DOP
IBO
IBL
Jernih
Kuning
Kuning
10
m=8 k=60 b=10
m=6 k=40 b=9
grml -1 mg KOHg Sampel -1 mg KOHg Sampel
0,9856
0,91
0,841
0,011
9,50
80,39
286,5
197,6
130,84
APHA -1
3
SpecificGravity
4
AcidValue
5
EsterValue
6
RefraktiveIndex
n25
1.4834
1.4564
1.4588
7
Kadar Air
%wt
0,06
0,57
0,832
Tabel 3 memperlihatkan bahwa hasil karakteristik produk plastisizer isobutil laurat jika dibandingkan dengan plastisizer komersil (DOP) dan plastisizer isobutil oleat terlihat perbedaan yang cukup jauh terutama pada hasil karakteristik angka asam, angka ester dan kadar air yaitu untuk DOP berturut-turut 0,011 mg KOHg-1 sampel, 286,5 mg KOHg-1 sampel 0,06%wt, untuk IBO 9,50 mg KOHg-1 sampel, 197,6 mg KOHg-1 sampel, 0,57%wt, sedangkan IBL 80,39 mg KOHg-1 sampel, 130,84 mg KOHg-1 sampel, 0,832%wt. Hal tersebut terjadi karena pada penelitian ini, produk yang didapatkan belum begitu murni sehingga perlu dilakukan pemurnian lebih lanjut agar mendapatkan hasil karakteristik yang lebih baik. Selain itu, hasil karakteristik pada Tabel 3 juga menunjukkan karakteristik plastisizer dari ketiga sampel (produk) mendapatkan angka indeks bias yang hampir sama yaitu untuk DOP = 1,4834, IBO = 1,4564 dan IBL = 1,4588. KESIMPULAN Berdasarkan hasil yang telah diperoleh dari penelitian dan pembahasan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan: (1) Hasil Karakterisasi produk dengan menggunakan FTIR dan GC-MS menunjukkan bahwa reaksi esterifikasi antara isobutanol dengan asam laurat menghasilkan gugus ester isobutil laurat. (2) Perbandingan molar antara asam laurat dengan isobutanol sebesar 1:3 memberikan nilai konversi yang tertinggi, yakni 71,02%. (3)
Adapun untuk karakteristik plastisizer isobutil laurat pada penelitian ini diperoleh hasil densitas = 0,854 gml-1, viskositas 3,28 cp, specific gravity0,841 grml-1, warna (m=6; k= 40; b=9), refraktive index = 1,4588, kadar air = 0,832%wt dan angka ester =130,84 mg KOHg-1 sampel.
DAFTAR PUSTAKA Anonim. Teknologi Untuk Memperoleh Nilai Tambah Sawit.http//seafast.ipb.ac.id/seafast.info/, diakses pada tanggal 17 Maret 2010. Bradin, D.S., 1996. Biodiesel Fuel, US PATENT No.US. 5.578.090. Brady, I.E dan J.R. Holum,1988. Fundamentals of Chemistry, 3rd Edition.Singapura : John Wiley & Sons. Compton, Brady, 2006. Plasticizer Ester.US PATENT No. 0270868. Fessenden, R.J,dan Fessenden, J.S,1990, Kimia Organik, edisi ke satu, Penerbit Erlanga. Ghozali, M., 2008.Penentuan Kondisi Optimum Proses Isobutil Oleat, Skripsi, Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Kimia, Universitas Indonesia, Depok. Haryono, A dan Wulandari, 2007.Plasticization Effect
AGRIPLUS, Volume 22 Nomor : 02 Mei 2012, ISSN 0854-0128
E.T., of1,4
91
Butanedioldioleate as The Palm Oil Based Secondary Plastisizer and its Plasticization Effect On Polyvinyl Chloryde. Proceeding of International Conference On Natural Polimer, Jakarta. Haryono, A dan Wulandari, E.T., 2007.Synthesis of Isobutyl Oleat from Palm Oil as The Plasticizer of DOP on PVC Resin. Proceeding of International Conference On Chemistry Science, Yogyakarta. Haryono, A, Kresnadi, H dan Nugroho, H.R., 2007. Syinthesis 1,4 Butanedioldioleate as The Palm Oil Based Secondary Plastisizer and its Plasticization Effect On Polyvinyl Chloryde. Proceeding of International Conference On Chemistry Science, Yogyakarta. Hui, Y.H., 1996. Bailey’s Industrial Oil and Fat Products, New York : Jhon Wiley 7 Sons Inc, Vol 5. Ketaren, S, 1986. Pengantar Teknologi Minyak Dan Lemak Pangan. Jakarta: UI Press. Lepper, H., Friesenhagen, L., 1986. Process for the Production of Fatty Acid Esters of Short- Chain Aliphatic Alcohols from Fats and/or Oils Containing Free Fatty Acids.US : 4.608.202. Mellan, I, 1963.Industrial Plasticizer.Pergamon Press Book.New York, 302p. Nasikin, M., A, dkk, 2004.Perengkahan katalitik Fasa Cair Minyak Sawit Menjadi Biogasolin.Palembang: Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia. Obrien, R.D., 1998. Fats and Oils Formulating and Processing for Aplications.US: Technomic Publishing Company, Inc.
Richardson James T, 1989.Principles of Catalyst Development.Plenum Press. New York. Sadi,
S dan G, Purboyo, 1996.Konsep Agroindustri Untuk Produksi Plasticizer dari Minyak Sawit Secara Terpadu.Warta PPKS, Vol 4 (2) : 75-83.
Sadi, S, 1992. Proses In-Situ Epoksidasi Minyak sawit. Buletin Perkebunan, RISPA, Vol 23 (2) : 115-124. Satterfield Charles N, 1991. Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice. 2nded, McGraw Hill, Inc. Sears, J.K dan J.R. Darby, 1982.The Technology of Plasticizer. Jhon Willey & Sons, New York, 1166p. Stern, R., dkk, 1987.Process for Manufacturing a Composition of Fatty Acid Esters Useful as Gas Oil Substitute Motor Fuel with Hidrated Ethyl Alcohol and the Resultant Esters Composition.US : 4.695.411. Susanto, B, H dan M, Nasikin, 2008. Reaksi Esterifikasi Asam Oleat dengan Alkohol Rantai Panjang Berkatalis Zeolit Untuk Memproduksi Plumas Dasar Bio.Pekanbaru: Prosiding Seminar Nasional Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia 2008. Wypich, G, 2004. Handbook of Plasticizer.US : Chemtech Publishing, Inc. Zahrina, I. dan Sunarno, 2006. Kajian Awal Esterifikasi Asam Lemak Bebas Yang Dikandung Minyak Sawit Mentah pada Katalis Zeolit Sintesis.Pekanbaru: Prosiding Seminar Nasional Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia 2006.
AGRIPLUS, Volume 22 Nomor : 02 Mei 2012, ISSN 0854-0128
