USULAN PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA
JUDUL PROGRAM PEMBUATAN ADSORBEN DARI ZEOLIT ALAM MALANG UNTUK PEMURNIAN BIOETANOL MENJADI FUEL GRADE ETHANOL (FGE)
BIDANG KEGIATAN PKM – AI
Diusulkan oleh: Diesta Noer Pratama Widjaja 5203009010 Angkatan 2009 Aprilianus Yohan 5203009001 Angkatan 2009 Yemima Miracle Sutjahjo 1213012014 Angkatan 2012
UNIVERSITAS KATOLIK WIDYA MANDALA SURABAYA 2013 i
Surat Pernyataan Sumber Tulisan PKM-AI Saya yang menandatangani Surat Pernyataan ini: Nama : Diesta Noer Pratama Widjaja NIM : 5203009010 1) Menyatakan bahwa PKM-AI yang saya tuliskan bersama anggota tim lainnya benar bersumber dari kegiatan yang telah dilakukan: - Skripsi yang telah dilakukan sendiri oleh penulis bukan oleh pihak lain. - Pembuatan Adsorben dari Zeolit Alam Malang untuk Pemurnian Bioetanol menjadi Fuel Grade Ethanol (FGE) - Surabaya, 2012 2) Naskah ini belum pernah diterbitkan atau dipublikasikan dalam bentuk prosiding maupun jurnal sebelumnya. Demikian Surat Pernyataan ini dibuat dengan penuh kesadaran tanpa paksaan pihak manapun juga untuk dapat digunakan sebagai mana mestinya.
ii
HALAMAN PENGESAHAN USULAN PKM 1. Judul Kegiatan
2. 3.
4. 5.
: Pembuatan Adsorben dari Zeolit Alam Malang untuk Pemurnian Bioetanol menjadi Fuel Grade Ethanol (FGE) Bidang Kegiatan : PKM-AI Ketua Pelaksana Kegiatan a. Nama Lengkap : Diesta Noer Pratama Widjaja b. NIM : 5203009010 c. Jurusan : Teknik Kimia d. Universitas : Universitas Katolik Widya Mandala Surabaya e. Alamat Rumah dan No HP : Jl Tembok Sayuran Barat I/2A Surabaya, 081938472024 f. Alamat Email :
[email protected] Anggota Pelaksana Kegiatan : 3 orang Dosen Pendamping a. Nama Lengkap dan Gelar : Dr. Ir. Suratno Lourentius, MS b. NIP : 521.87.0127 c. Alamat Rumah dan No HP : Jl. Penjaringan Timur III/PI-17 Surabaya, 08179335427 Surabaya, 14 Maret 2013
iii
PEMBUATAN ADSORBEN DARI ZEOLIT ALAM MALANG UNTUK PEMURNIAN BIOETANOL MENJADI FUEL GRADE ETHANOL (FGE) Diesta Noer Pratama Widjaja, Aprilianus Yohan, Yemima Miracle Sutjahjo Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Katholik Widya Mandala Surabaya Kalijudan 37 Surabaya, 60114 Abstrak Adsorpsi merupakan cara yang biasa digunakan untuk memperoleh Fuel Grade Ethanol (FGE). FGE digunakan sebagai bahan campuran biopremium. Adsorben yang umum digunakan sebagai adsorben adalah kalsium oksida dan molecular sieve. Kalsium oksida dan molecular sieve memiliki kelemahan, selain mengadsorpsi air ternyata juga mengadsorpsi etanol. Penelitian ini bertujuan untuk mempreparasi dan mengkarakterisasi zeolit alam Malang sehingga dapat digunakan sebagai adsorben dalam proses dehidrasi bioetanol. Secara kimiawi, zeolit alam direndam dan diaduk selama tiga jam menggunakan H2SO4 dengan kadar 1%, 2%, 3%, 4%, 5%. Selanjutnya, zeolit dikalsinasi dalam furnace dengan variasi suhu 200oC, 300oC, 400oC, 500oC, 600oC, 700oC selama dua jam. Setelah proses aktivasi, zeolit alam dicampur dengan bioetanol 95% selama tiga jam. Zeolit alam dan bioetanol dipisahkan dan bioetanol yang diperoleh diukur indeks biasnya. Bioetanol dengan indeks bias tertinggi diuji dengan GC dan zeolit alam termodifikasi dikarakterisasi dengan EDX. Dari hasil penelitian diperoleh daya adsorpsi air tertinggi zeolit alam sebesar 0,45 gram air/gram adsorben dengan kondisi proses aktivasi zeolit yaitu menggunakan larutan H2SO4 2% dan suhu kalsinasi 600oC. Konsentrasi bioetanol setelah adsorpsi sebesar 99,7%. Data kesetimbangan adsorpsi air dalam bioetanol mengikuti persamaan Freundlich. Kata kunci: Zeolit, bioetanol, adsorpsi Abstract Adsorption is the process commonly used to make Fuel Grade Ethanol (FGE). FGE is used as a mixture of biopremium. Adsorbent commonly used are calcium oxide and molecular sieve. Calcium oxide and molecular sieve as absorbents has disadvantages because those materials adsorb not only water, but also ethanol. This research is aimed to prepare and characterize Malang natural zeolite, therefore can be used as adsorbent in bioethanol dehydration process. Natural zeolite was soaked for three hours using H2SO4 with concentration of 1%, 2%, 3%, 4%, 5%. Following this, the zeolite was heated for two hours in furnace at temperature of 200oC, 300oC, 400oC, 500oC, 600oC, 700°C. After the activation process, natural zeolite was mixed with 95% ethanol for three hours. The natural zeolite and bioethanol was separated and bioethanol was analysed with refractometer. Bioethanol with the highest refractive index was analysed by GC and modified natural zeolites were characterized by EDX. Zeolite adsorption capacity was 0,45 gram water/gram adsorbent with activation process condition of zeolite, using H2SO4 2% and calcination temperature of 600oC. Bioethanol concentration after adsorption was 99,7%. Equilibrium adsorption data of water in bioethanol following the Freundlich equation. Keywords: Zeolite, bioethanol, adsorption
4
PENDAHULUAN Saat ini adsorben sudah banyak digunakan oleh masyarakat luas, hal ini dikarenakan adsorben sangat mudah didapatkan. Adsorben adalah suatu zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain baik cairan maupun gas pada proses adsorpsi. Jenis – jenis adsorben yang digunakan untuk proses adsorpsi berbeda – beda, tergantung dari zat apa yang ingin diserap (adsorbat). Kemampuan adsorpsi secara langsung dipengaruhi oleh kualitas dari adsorbennya. Jenis – jenis adsorben yang sering digunakan untuk proses adsorpsi antara lain: karbon aktif, bentonit, clay aktif, aluminium dioksida, silika dioksida aktif, zeolit, aluminosilicate, ion exchange resin. (Levine, 2002). Pada saat ini untuk mendapatkan adsorben sintetis sangatlah mudah, tetapi biaya untuk mendapatkannya sangatlah mahal. Adsorben sintetis adalah adsorben yang sudah dimodifikasi sedemikian rupa, sehingga dapat menyerap adsorbat dalam jumlah yang banyak. Maka dari itu banyak penelitian – penelitian yang bertujuan untuk memodifikasi adsorben agar adsorben tersebut mempunyai karakteristik yang hampir sama dengan karakteristik dari adsorben sintetis, sehingga adsorben tersebut dapat menyerap adsorbat dalam jumlah yang banyak. Salah satu jenis adsorben yang mudah untuk didapatkan adalah zeolit. Zeolit merupakan kristal aluminosilikat dengan struktur berbentuk kerangka dan mempunyai pori berukuran molekul (Mustain, 1997). Semua zeolit yang ditemukan di alam selalu mengandung air. Air merupakan molekul polar yang sangat mudah teradsorpsi di permukaan zeolit. Karena ukurannya kecil, air akan mengisi seluruh saluran dan rongga-rongga dalam kristal zeolit (Rini, 2010). Pada penelitian ini digunakan zeolit alam yang berasal dari Malang, kecamatan Bululawang. Masyarakat sekitar kecamatan Bululawang menggunakan zeolit sebagai pakan ternak, dan juga sebagai pakan ikan, sehingga penggunaan zeolit ini kurang efektif, padahal zeolit ini dapat digunakan sebagai adsorben. Pada penelitian ini digunakan zeolit sebagai adsorben untuk memurnikan bioetanol yang berasal dari PT. Molindo Raya dengan kadar 95% menjadi Fuel Grade Etanol (FGE) dengan kadar 99,5%. Zeolit ini dimodifikasi terlebih dahulu dengan menggunakan asam H2SO4 dan juga dikalsinasi dengan menggunakan furnace. Tujuan modifikasi ini agar zeolit alam ini mempunyai struktur dan komposisi yang sama dengan zeolit sintetis, sehingga dapat menyerap air yang ada dalam bioetanol dalam jumlah besar. METODOLOGI Kondisi Operasi Kondisi yang digunakan: Kondisi tetap: ukuran partikel zeolit alam 80 mesh, waktu pemanasan furnace 2 jam, perbandingan zeolit dengan H2SO4 1:10, perbandingan zeolit degan bioetanol 1:10. Kondisi berubah Suhu aktivasi (200oC, 300oC, 400oC, 500oC, 600oC, 700oC) dan kadar larutan H2SO4 (1%, 2%, 3%, 4%, dan 5%).
5
Bahan Bahan yang digunakan untuk adsorpsi air dalam bioetanol adalah Bioetanol teknis 95% yang diperoleh dari PT. Molindo Raya, Zeolit alam asal Malang kecamatan Bululawang, Asam sulfat 96%, Kertas saring Whatman 42. Metode Penelitian Dalam penelitian ini zeolit alam yang akan digunakan terlebih dahulu diayak dengan siever agar diperoleh zeolit dengan ukuran partikel yang sama yaitu sebesar 80 mesh. Langkah selanjutnya zeolit akan direndam menggunakan bahan kimia asam sulfat dengan variasi konsentrasi 1%, 2%, 3%, 4%, 5% yang bertujuan untuk menghilangkan pengotor-pengotor dalam zeolit alam. Setelah itu zeolit dipisahkan dari asam sulfat menggunakan corong buchner disertai pencucian dengan aquades, kemudian zeolit akan dipanaskan dalam furnace dengan suhu 200oC-700oC selama 2 jam. Setelah 2 jam zeolit didinginkan terlebih dahulu. Zeolit hasil aktivasi digunakan untuk mengadsorpsi air dalam bioetanol dan dipelajari daya adsorpsinya dilihat dari kemurnian bioetanol. Pada tahap terakhir akan dilakukan karakteristik zeolit alam yang memiliki adsorpsivitas tertinggi. Karakteristik zeolit yang diuji adalah komposisi zeolit dengan menggunakan EDX. Fuel Grade Ethanol (FGE) dianalisa menggunakan GC untuk mengetahui kemurniannya. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik Zeolit Sebelum dan Sesudah Modifikasi Analisa komposisi zeolit dilakukan pada zeolit sebelum dan setelah modifikasi. Energy Dispersive X-ray (EDX) merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui komposisi mineral dalam zeolit seperti Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P. Alat ini bekerja dengan cara menembakkan sinar berenergi tinggi seperti elektron, proton, atau x-ray pada sampel. Kemudian energi tersebut akan dilanjutkan ke alat penerima untuk selanjutnya diterjemahkan dalam bentuk puncak-puncak yang menunjukkan macam-macam mineral yang ada dalam sampel. Keunggulan alat ini yaitu tingkat kesalahan yang kecil karena menggunakan elektron untuk mengetahui komposisi sampel. Selain itu waktu analisa yang cepat mempermudah memperoleh hasil analisa.
Gambar 1. Hasil Analisa EDX Pada Zeolit Sebelum Modifikasi
6
Tabel 1. Komposisi Zeolit Sebelum Modifikasi Element Wt% At% 02.64 05.14 CK 34.14 49.93 OK 01.49 01.51 NaK 02.68 02.58 MgK 08.07 07.00 AlK 23.07 19.23 SiK 01.63 00.98 KK 15.91 09.29 CaK 10.38 04.35 FeK Correction ZAF Matrix Tabel 2. Komposisi Zeolit Sesudah Modifikasi Element Wt% At% 52.51 62.11 CK 37.53 33.33 OK 0.85 0.53 NaK 0.32 0.19 MgK 1.70 0.89 AlK 2.38 1.20 SiK 1.85 0.82 SK 2.06 0.73 CaK 0.81 0.20 FeK Correction ZAF Matrix Pada Tabel 1 dan Tabel 2 dapat dilihat hasil analisa komposisi zeolit sebelum dan sesudah modifikasi secara berurutan, dari hasil analisa terlihat bahwa terjadi perubahan persen massa untuk Si dan Al. Si mengalami perubahan massa dari 23,07% menjadi 2,38% dan Al dari 8,07% menjadi 1,70%. Perubahan juga terjadi pada perbandingan Si dengan Al yaitu dari 2,86 menjadi 1,4. Semakin kecil perbandingan Si dengan Al maka menyebabkan terjadinya dealuminasi semakin kecil sehingga zeolit akan bersifat hidrofil. Pada Gambar 2 terjadi penambahan unsur S sedangkan pada Tabel 1 tidak terdapat unsur tersebut. Menurut literatur zeolit tidak mengandung unsur S. Penambahan unsur S pada Tabel 2 disebabkan adanya SO42- yang melekat pada permukaan zeolit dan membentuk garam. Daya Adsorpsi Zeolit pada Berbagai Suhu Kalsinasi dan Konsentrasi H2SO4 Dari hasil penelitian diketahui pengaruh suhu kalsinasi dan konsentrasi H2SO4 yang dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.
7
Gambar 2. Hubungan Antara Suhu Kalsinasi Dengan Daya Adsorpsi Untuk Berbagai Konsentrasi H2SO4
Gambar 3. Hubungan Antara Konsentrasi H2SO4 Dengan Daya Adsorpsi Untuk Berbagai Suhu Kalsinasi Pada Gambar 2 dapat dilihat pengaruh suhu kalsinasi terhadap daya adsorpsi untuk berbagai konsentrasi H2SO4. Pada suhu 600oC dengan konsentrasi larutan H2SO4 2% diperoleh daya adsorpsi tertinggi sebesar 0,45 gram air/gram adsorben. Semakin tinggi suhu kalsinasi, maka daya adsorpsi zeolit meningkat karena air dalam pori-pori zeolit semakin banyak yang hilang dan pori-pori zeolit juga semakin terbuka sehingga akan memudahkan zeolit untuk mengadsorpsi air. Hal ini sesuai dengan penelitian Febriana (2009) yang mengatakan bahwa kenaikan suhu kalsinasi menyebabkan kenaikan daya adsorpsi, tetapi kenaikan suhu kalsinasi untuk zeolit alam mempunyai batasan hingga 1050 oC. Untuk pemanasan dengan suhu lebih dari 700oC akan merusak struktur dari zeolit, sehingga kemampuan adsorpsi zeolit akan menurun sedangkan suhu di bawah 200oC tidak akan menguapkan seluruh air yang ada di dalam pori-pori zeolit sebab memerlukan suhu yang lebih tinggi dari suhu penguapan air untuk menguapkan air yang ada di dalam pori-pori. Pada suhu berkisar antara 200300oC pada konsentrasi H2SO4 berkisar antara 1-5% ditemukan daya adsorpsi yang konstan disebabkan pori-pori zeolit yang belum terbuka seluruhnya sehingga zeolit tidak menyerap air secara maksimal.
8
Pada Gambar 3 dapat dilihat pengaruh konsentrasi H2SO4 terhadap daya adsorpsi zeolit untuk berbagai suhu kalsinasi. Grafik menunjukkan kenaikan daya adsorpsi pada setiap kenaikan konsentrasi H2SO4 karena H2SO4 berperan menghilangkan pengotor-pengotor yang ada di permukaan zeolit seperti feldspar, kaolin, kuarsa, lempung, dan tufa sehingga air lebih mudah teradsorpsi ke dalam pori-pori zeolit. Namun daya adsorpsi mengalami penurunan mendekati konsentrasi H2SO4 5% disebabkan zeolit akan mengalami dealuminasi ketika konsentrasi H2SO4 lebih besar dari 5%. Dealuminasi merupakan peristiwa berkurangnya komposisi mineral aluminium (Al) yang mengakibatkan perubahan pada rasio Si/Al pada zeolit. Hal ini sesuai dengan penelitian Heraldy (2003) yang mengatakan bahwa zeolit akan terdealuminasi dengan perlakuan asam menggunakan H2SO4 pada konsentrasi 6% dengan perubahan komposisi mineral Al dari 2,49% menjadi 1,3%. Pada grafik terlihat bahwa daya adsorpsi tertinggi pada suhu 600oC konsentrasi H2SO4 2% yaitu 0,45 g air/g adsorben. Kurva Kesetimbangan Adsorpsi Pada Gambar 4 dapat dilihat kurva kesetimbangan adsorpsi dari berbagai persamaan.
Gambar 4. Kurva Kesetimbangan Adsorpsi dengan Berbagai Persamaan Dari hasil perhitungan diperoleh SSE untuk masing-masing persamaan. Untuk persamaan Langmuir diperoleh SSE sebesar 0,0159%, persamaan Freundlich diperoleh SSE sebesar 0,0125%, persamaan Sips diperoleh SSE sebesar 0,0032%, dan persamaan Toth diperoleh SSE sebesar 0,0770%. Berdasarkan hasil SSE dari semua persamaan diperoleh nilai SSE terkecil yaitu SSE menggunakan persamaan Sips dan nilai SSE terbesar menggunakan persamaan Toth. Nilai parameter untuk masing-masing model adsorpsi diperoleh dengan cara linearisasi untuk model adsorpsi Langmuir dan Freundlich dan fitting pada sigma plot untuk model adsorpsi Sips dan Toth. Nilai afinitas adsorpsi (k) 9
pada model adsorpsi Sips dan Toth sebesar 40,8787 gram air/gram adsorben dan 70,7841 gram air/gram adsorben. Nilai tersebut teralu besar untuk nilai afinitas adsorpsi (k) sehingga model adsorpsi Sips dan Toth tidak dapat digunakan walaupun persamaan Sips memiliki nilai SSE terkecil. Persamaan Langmuir memiliki nilai parameter afinitas adsorpsi (kL) dan kapasitas maksimum adsorpsi (qmax) sebesar 170,4790 gram air/gram adsorben dan 0,7405 gram air/gram adsorben. Nilai kL pada persamaan Langmuir teralu besar karena pada umumnya digunakan untuk adsorpsi pada fase gas sehingga persamaan Langmuir kurang cocok untuk penelitian ini. Persamaan Freundlich memiliki nilai parameter afinitas adsorpsi (kF) dan karakteristik heterogenitas (n) sebesar 1,6571 gram air/gram adsorben dan 3,4199. Menurut McCabe, Nilai karakteristik heterogenitas (n) lebih besar dari 1 untuk persamaan Freundlich menunjukan bahwa zeolit tersebut lebih mudah menyerap cairan sehingga persamaan Freundlich sesuai untuk penelitian ini. Model persamaan adsorpsi penelitian ini mengikuti persamaan Freundlich dan diperoleh persamaan adsorpsi sebagai berikut: 1
qe 1, 6571. ce
3,4199
Tabel 3. Parameter Adsorpsi Untuk Berbagai Persamaan Adsorpsi Model adsorpsi Parameter Zeolit alam qmax 0,7405 Langmuir kL 170,4790 kF 1,6571 Freundlich n 3,4199 qmax 0,8326 Sips kS 40,8787 n 1,9852 qmax 0,6466 Toth kT 70,7841 t 5,9045 KETERANGAN qe = kapasitas adsorpsi (g air/g adsorben) qmax = kapasitas adsorpsi maksimum (g air/ g adsorben) ce = konsentrasi air dalam larutan (g/cm3) kL = konstanta afinitas adsorpsi pada persamaan Langmuir (mL/g adsorben) kF = konstanta afinitas adsorpsi pada persamaan Freundlich (mL/g adsorben) kS = konstanta afinitas adsorpsi pada persamaan Sips (mL/g adsorben) kT = konstanta afinitas adsorpsi pada persamaan Toth (mL/g adsorben) t = karakterisasi sistem adsorpsi pada persamaan Toth n = karakterisasi sistem adsorpsi pada persamaan Freundlich dan Sips KESIMPULAN Dari penelitian pembuatan adsorben dari zeolit alam untuk proses pemurnian bioethanol menjadi fuel grade ethanol diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. Untuk proses aktivasi, konsentrasi larutan H2SO4 2% dan suhu kalsinasi zeolit alam 600oC merupakan kondisi untuk memperoleh daya adsorpsi tertinggi
10
pada proses adsorpsi air dalam bioetanol menggunakan zeolit alam asal Malang sebesar 0,45 gram air/gram adsorben. Bioetanol mengalami perubahan kosentrasi dari 95% menjadi 99,7%. 2. Perbandingan Si/Al untuk zeolit sebelum dan sesudah aktivasi adalah 2,86 dan 1,4. 3. Model persamaan yang sesuai dengan penelitian ini adalah persamaan Freundlich dengan nilai parameter yang diperoleh qmax sebesar 1,6571 dan n sebesar 3,4199 sehingga berdasarkan persamaan Freundlich diperoleh persamaan adsorpsi untuk penelitian ini sebagai berikut. 1
qe 1, 6571. ce
3,4199
DAFTAR PUSTAKA Febriana, V., Pengaruh Suhu Kalsinasi Pada Aktivasi Zeolit Alam Terhadap Kemampuan Mengadsorpsi Ion Besi(III), Skripsi S1, Universitas Negeri Malang, Malang, 2009. Heraldy, E.; Hisyam, S. W., Characterization and Activation of Natural Zeolite From Ponorogo. Indonesian Journal of Chemistry, 2003, Vol. 3, 91-97. Levine, I. N., Physical Chemistry,6th Ed., McGraw Hill, New York, 2002; p. 570. Mccabe, L. W.; Smith, C. J.; Harriot, P., Unit Operation of Chemical Engineering, 7th Ed., McGraw-Hill, New York, 2004. Mustain, Konversi Zeolit Alam menjadi ZSM-5, Tesis S2, Universitas Institut Teknologi Bandung, Bandung, 1997. Rini, D. K., Optimasi Aktivasi Zeolit Alam untuk Dehumifikasi Udara, Skripsi S1, Universitas Diponegoro, Semarang, 2010.
11
