Prosiding Seminar Nasional
ISSN : 1410-5667
FUNDAMENTAL DAN APLIKASI TEKNIK KIMIA 2002 Surabaya, 31 Oktober – 1 November 2002
SINTESA SODIUM SIANAT (SDC) DARI UREA DAN SODIUM KARBONAT Tontowi Ismail dan Komalasari Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Alamat kontak : 0811377463, email :
[email protected] Abstrak Penelitian ini dimaksudkan untuk membantu usaha produksi sodium sianat(SDC) ,yang merupakan bahan baku pestisida golongan karbamat dan sampai sekarang masih diimport. Penelitian dilakukan dengan mencampur terlebih dahulu urea dan sodium karbonat secara homogen, kemudian direaksikan dalam Reaktor Tubular. Perbandingan mol urea dengan sodium karbonat adalah (1,6 : 1), (1,8 :1) dan (2 : 1).Temperatur reaksi divariasi antara 150 – 3500 C dan waktu selama 30 – 60 menit. Sodium sianat yang terbentuk dianalisa dengan metoda gravimetri. Hasil terbaik yang diperoleh adalah kadar sodium sianat 86,04 % dengan kandungan sodium karbonat 7,75 %, yang didapat pada temperatur 300 0C dan perbandinga mol urea dan sodium karbonat 2 : 1 serta waktu reaksi 45 menit. Abstract The research has conducted to suppot an efford domestic production of sodium cyanate, which is a raw material of pesticide product of carbamate group and mainly is still an import commodity . To produce SDC , urea and sodium carbonat was mixed homogeneously and sent to a tubular reactor type. The mol ratio of urea and sodium carbonat was done in the range of (1,6 :1) , (1,8 : 1) and (2:1). Reaction temperatur was held between 150 – 3500 C and reaction time was 30 – 60 minutes. The result of the experiment reveal that the highest SDC content was 86,04 %, with sodium carbonate content was 7,75 % in which temperatur reaction of 3000 C and time exposure of 45 minutes. Kata kunci : sodium sianat, reaktor tubular.
MB.11 - 1
PENDAHULUAN Sodium sianat digunakan sebagai bahan aktif pestisida golongan karbamat, disamping itu juga digunakan untuk industri baja, farmasi,elektroplating dan lainnya. Pengadaan di Indonesia masih tergantung import, walaupun usaha produksi dalam negeri sudah berlangsung namun mutu produknya masih rendah. Penelitian yang intensip perlu diadakan agar ketergantungan import dapat diakhiri. SDC yang diinginkan umumnya mempunyai kadar 90 % dengan kadar impuritis, anatar lain seperti sodium sianida dan ammonia sekecil mungkin. Sehubungan dengan hal tersebut, penelitian dilakukan dengan tujuan mendapatkan SDC yang berkadar tinggi, menggunakan reaktan urea dan sodium karbonat dengan proses reaksi fusi . Adanya sifat fisika yang sangat beda diantara reaktan dan produknya,misalnya beda titik leleh antara kedua reaktan yang jauh sekali, yaitu 132,50C , 8510C dan 5500 C masing –masing untuk urea, sodium karbonat dan SDC, disamping itu sifat kelarutan reaktan yang berbeda terhadap solvent tertentu, menyebabkan banyak cara proses yang dapat dilakukan.. Reaksi yang berlangsung secara umum adalah : 2 CO(NH2 )2 + Na2 CO3
2 NaOCN + 2 NH3 + CO 2 + H2 O
Metoda pembuatan sodium sianat yang telah dilakukan antara lain : Pembuatan SDC dalam fasa larutan, dimana sodium karbonat dan urea dilarutkan didalam dimethyl sulfoxida. Proses dilakukan dengan mengaduk larutan dan reaksi pada temperatur sekitar 1850 C (US Patent Off. No. 3,167,387 th. 1965). Pembuatan SDC dengan reaksi fusi Urea dimasukkan bersama dengan sodium karbonat kedalam reaktor rotary mill, dengan perbandingan mol (1,8:1) sampai (3:1) dan diaduk.Temperatur reaksi berkisar antara 200 –3000C dengan waktu sampai dengan 4 –5 jam (US Patent Off. 1965 no.3,188,171). Urea ditambahkan secara bertahap kedalam reaktor yang telah diisi sodium karbonat yang telah dipanaskan sampai dengan 3500C sambil diaduk agar homogen. Selama penambahan ini reaksi berlangsung dan temperatur akan turun sampai 1500C, dengan waktu 140 menit (US Patents Off. 1965 no 3,197,275). Pembuatan SDC dari Urea dan Sodium Karbonat dengan penambahan Air Pada awal proses perbandingan mol urea dan sudium karbonat diatur antara 0,4 –0,6 : 1 , diaduk dan dipanaskan sampai mencapai 1350–1500 C, kemudian dinaikkan menjadi 1,5 –1,7 :1, sehingga semua urea habis bereaksi. Campuran tersebut selanjutnya ditambahkan air 30% dari campuran dan diaduk, yang mengakibatkan temperatur turun. Campuran kembali dipanaskan ke level temperatur 135 –1500 C,dan kemudian ditambahkan urea hingga perbandingan total urea dan sodium karbonat mencapai 2 –2,1 : 1 , dan temperatur dipertahankan hingga urea bereaksi sempurna. ( US Patent no. 4,000,249 th 1976). Pembuatan Sodium Sianat dari Urea dan Sodium Karbonat dengan Solvent Proses dilakukan dengan penambahan solvent yang selektip melarutkan urea tetapi tidak melarutkan sodium karbonat, sehingga reaksi akan berlangsung hiterogen. Solvent yang digunakan antara lain adalah : 1,2 dichlorbenzene, benzonitrile, 2-phenylbutane, dan mesitylene. Suhu reaksi diatur mendekati suhu didih solven dan dipertahankan 2,6 jam (US Patent no. 4,495,107 th 1985). MATERIAL DAN METODOLOGI Proses reaksi yang dipilih adalah reaksi fusi, dengan reaktan urea granular dan sodium karbonat. Kedua reaktan dicampur sehingga homogen, kemudian dimasukkan kedalam reaktor. Reaktor yang dimaksud adalah reaktor tubular, yang terdiri dari pipa sus 316 dengan panjang 30 cm berdiameter 2 cm , yang dipasang pada sistem reaktor Strohlein Instrument CS-2/TH. Pemanasan reaktor dilakukan memanaskan udara sekitar reaktor dengan pemanas listrik, yang dilengkapi dengan peralatan kontrol temperatur dan indikator. Sensor temperatur dengan termokopel yang dipasang pada reaktor dan reaktan. Gas hasil reaksi dapat dikeluarkan melalui vent yang dibuka selama proses reaksi berlangsung. Keseluruhan proses berlangsung secara semi kontinyu. Variabel penelitian ditentukan dengan perbandingan mol reaktan urea dengan sodium karbonat ditentukan (1,6:1), (1,8:1) dan (2:1); temperatur reaksi berlangsung pada 200, 250, 300 dan 3500C dan waktu reaksi dilangsungkan pada 30 , 45 dan 60 menit. Analisa hasil untuk produk dikerjakan dengan metode gravimetri, baik terhadap produk SDC maupun sisa sodium karbonat.
MB.11 - 2
HASIL DAN DISKUSI Hasil reaksi sintesa SDC yang diperoleh disusun pada tabel 1 dan gambar 1 .Sisa sodium karbonat tersisa dalam produk ditunjukkan dalam gambar 2. SDC yang dihasilkan mempunyai kadar 83,23 % sedangkan kadar sodium karbonat adalah 8,07 %, dimana perbandingan mol urea dan sodium karbonatnya adalah 2 :1, temperatur reaksi 3000 C dengan waktu reaksi yang diperlukan adalah 60 menit. Penelitian untuk waktu reaksi 30 dan 45 menit, dengan perbandinggan mol urea dengan sodium karbonat 2:1 ,serta temperatur 3000 C ditunjukkan pada tabel 2 Tabel 1. Kadar Sodium Sianat dan Sodium Karbonat dalam Produk Selama 60 Menit Presentasi SDC dan Na2CO3 dalam produk, % berat Urea : NA2CO3 Mol
Temperatur, o C
Gram
150
200
250
300
350
SDC Na2CO3 SDC Na2CO3 SDC Na2CO3 SDC Na2CO3 SDC Na2CO3 26,12
71,37
1,8 : 1 27 : 26,5 68,33
24,16
2 : 1 30 : 26,5 74,81
19,06
Kadar SDC dalam produk, % berat
1,6 : 1 24 : 26,5 60,52
18,22
76,17
16,74
78,58
12,53
75,24
17,12
77,92
15,24
82,15
10,05
60,19
20,79
78,60
11,44
79,57
12,54
83,23
8,07
62,56
22,64
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
45,61
1,6 : 1 1,8 : 1 2,0 : 1
150
200
250
300
350
Temperatur reaksi, oC
Kadar Na2CO3 dalam produk, % berat
Gambar 1. Kadar Sodium Sianat dalam Produk dengan Reaktor Tubular
40 35 30 25 20 15 10 5 0
1,6 : 1 1,8 : 1 2,0 : 1
150
200
250
300
350
Temperatur reaksi, oC
Gambar 2. Kadar Sodium Karbonat dalam Produk dengan Reaktor Tubular Tabel 2. Kadar Sodium Sianat dan Sodium Karbonat pada Berbagai Waktu Waktu, menit
Kadar SDC, % berat
Kadar Na2CO3, % berat
60 45
83,23 86,04
8,07 7,75
30
76,58
11,89
MB.11 - 3
37,24
100
% berat
80
Kadar SDC, % berat Kadar Na2CO3, % berat
60 40 20 0 30
45
60
Waktu reaksi, menit
Gambar 3. Kadar Sodium Sianat dan Sodium Karbonat pada Berbagai Waktu Dengan Reaktor Tubular Hasil reaksi pada waktu 45 menit menunjukkan kadar SDC 86,04 % dengan kadar sodium karbonat 7,75 %. Secara stoichiometri, perbandingan mol urea dengan sodium karbonat adalah 2:1, untuk memperoleh kadar SDC 100 %, sedangkan untuk mendapatkan kadar SDC 90 % diperlukan perbandingan 1,8 :1. Rendahnya kadar produk SDC disebabkan karena dekomposisi urea pada suhu 200 – 3000 C menjadi biuret, triuret amelida dan melamine ( Ulmann,1985), yang merupakan impuritis dari produk tersebut. Bertambahnya waktu reaksi dari 45 sampai ke 60 menit, pada temperatur reaksi 3000C, mengakibatkan turunnya kandungan SDC. Hal tersebut disebabkan terdekomposisinya SDC pada daerah dinding reaktor yang memang temperaturnya lebih tinggi dari bagian dalam reaktor. TINJAUAN AWAL KINETIKA REAKSI Untuk mengamati fenomena reaksi sintesa SDC dari urea dan sodium karbonat, dilakukan percobaan pada temperatur 3000 C dengan waktu reaksi dari 0 – 30 menit , yang hasilnya ditunjukkan dalam tabel 3. Pada temperatur tersebut urea ( titik leleh 1350 C) akan berada dalam keadaan lelehan, sedangkan sodium karbonat ( titik leleh 8510 C) akan tetap pada fasa padatan.Oleh karena itu maka fenomena reaksi yang terjadi diasumsikan berlangsung dipermukaan partikel sodium karbonat, yaitu reaksi antara lelehan urea dengan sodium karbonat. Tabel 3. Kadar SDC yang Diperoleh pada Berbagai Waktu t ( menit ) 0 5
SDC ( % berat ) 0 30,22
10 15 20 25 30
48,17 61,15 70,06 77,25 76,58
SDC hasil reaksi berupa padatan ( titik leleh SDC =5500 C), yang menempel dipermukaan sodium karbonat. Dianggap bahwa partikel pada awalnya berbentuk bola, dan volumenya akan selalu konstan walaupun dipermukaan sodium karbonat akan terbentuk SDC. Sodium karbonat akan mengecil ukurannya seiring dengan terjadinya reaksi, demikian juga dengan jumlah lelehan urea. Dari fenomena ini, maka model kinetika difusi ash layer control ( Levenspiel,1999) dapat digunakan untuk meramal kecepatan reaksinya. Waktu yang diperlukan untuk reaksi sodium karbonat terkonversi sempurna dinyatakan dengan persamaan berikut:
τ
=
ρB R2 6 b De C Al
MB.11 - 4
dan hubungan fraksi waktu dengan konversi reaksi adalah: t/τ = 1 – 3 ( 1 – XB)2/3 + 2 (1 – XB ) Dari hubungan antara t/τ vc 1 - XB yang dihitung dengan persamaan diatas dan dengan yang dihitung dari percobaan dapat digunakan untuk menentukan De. Ukuran partikel rata-rata sodium karbonat adalah 1,85 x 10 –4 m, densitas sodium karbonat : 0,0441 mol/cc , konsentrasi lelehan urea : 0,0441 mol/cc, dan dengan persamaan diatas, difusi efektif dari reaktan liquid dalam ash layer, D e ,dapat ditentukan melalui perhitungan trial and error sedemikian sehingga harga t/τ dari percobaan mendekati harga teoritis. Hubungan antara t/τ vs 1 - XB untuk percobaan disusun dalam tabel4. Harga De yang didapat = 1,3357 x 10-9 cm2/detik. Tabel 4. Harga t/τ untuk Difusi ash layer Pengontrol Secara Eksperimen untuk Harga De = 1.3357 x 10-9 cm2/detik t ( menit )
XB
t/τ
1 - XB
0 5
0 0,2609
0 0,04673
1 0,7391
10 15 20 25 30
0,4311 0,5621 0,6561 0,7347 0,7272
0,09345 0,14018 0,18690 0,23363 0,28035
0,5689 0,4379 0,3439 0,2653 0,2728
Keseuaian antara gambar t/τ vs 1 - XB hasil percobaan dengan hasil perhitungan teoritis ditunjukkan pada gambar 3.
1,2 1 1 - XB
0,8
t/tvs 1-XB secara teoritis
0,6
t/tvs 1-XB secara eksperim en
0,4 0,2 0 0
0,5
1
1,5
t/t
Gambar 3. Kesesuaian antara t/τ vs 1 - XB Teoritis dengan Hasil Eksperimen, pada Harga Koefisien difusi efektif, De = 1.3357 x 10-9 cm2/detik
KESIMPULAN 1. 2. 3.
Kadar SDC yang diperoleh tertinggi adalah 86,04 % dengan kandungan sodium karbonat 7,75 %. Waktu reaksi yang diperlukan 45 menit untuk perbandingan mol urea : sodium karbonat = 2 : 1, pada temperatur 3000 C. Pendekatan model reaksi sodium karbonat yang dikontrol oleh difusi ash layer dapat digunakan dengan harga De sebesar 1,3357 x 10-9 cm2/ detik. Pengaruh panas yang kurang merata dalam reaktor dapat mempengaruhi mutu produk.
MB.11 - 5
NOTASI b Cal De ρB t τ R XB
:koefisien stoichiometri dari zat yang bereaksi :konsentrasi liquid, mol/ cc :koefisien difusi efektif dari reaktan liquid dalam ash layer,cm2/detik :densitas zat B, mol/cc :waktu reaksi, menit :waktu yang diperlukan partikel padat untuk bereaksi sempurna, menit :jari-jari partikel, cm :Fraksi reaktan B (sodium karbonat )yang terkonversi dalam produk.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Irving Sochol, Jay Y. Welsh.(1976)”Preparation of Alkali Metal Cyanates”, United States Patent, no. 4,000,249 . 2. Kirk Othmer. 1993 Encyclopedia of Chemical Technology, edisi 3, vl. 1, 7, & 23, John Willey & Sons Inc., New York. 3. Leon Remi Ghyssaert. (1965) Process for Producing Metal Cyanates, United Patent Office, no. 3,188,171. 4. Levenspiel, Octave.(1999) Chemical Reaction Engineering, edisi 3, John Willey & Sons, New York. 5. Motonobu Goto, Bhupesh C. Roy, and Tsutomu Hirose.(1996) Extraction of Ginger Oil with Supercritical Carbon Dioxide: Experiment and Modeling, Ind. Eng. Chem. Res., 35, 607-612. 6. Motonobu Goto, Bhupesh C. Roy, and Tsutomu Hirose.(1996) Extraction of Ginger Oil with Supercritical Carbon Dioxide: Experiment and Modeling, Ind. Eng. Chem. Res., 35, 607-612. 7. Toekelt,, W. G.(1965) Alkalimetal Cyanates, United States Patent., no.3,197,275 . 8. Ullman. (1985) Encyclopedia of Industrial Chemistry, edisi 5,VCH Verlagsgesellscaft, Weinheim, Germany. 9. William B. Dodge.(1985) Process for Producing Alkali Metal Cyanates”,United States Patent, no. 4,495,107 . 10. Windholz, M., et al.(1977) The Merck index, an Encyclopedia of Chemical, Drugs, and Biologicals, edisi 10, Merck&Co. Inc, New York, 8427, 8438, 8439,
MB.11 - 6
