Zeolit Dengan Metode Microwave Polyol Process untuk Sintesis Renewable Diesel Menggunakan Minyak Jarak Pagar

Preparasi dan Karakterisasi Katalis NiMo/Zeolit Dengan Metode Microwave Polyol Process untuk Sintesis Renewable Diesel Menggunakan Minyak Jarak Pagar Ahmad Faisal1, Bambang Heru Susanto1 Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424 E-mail : [email protected] E-mail : [email protected]

Abstrak Bahan bakar nabati memiliki potensi yang sangat besar untuk menjawab kebutuhan energi dalam negeri maupun dunia. Proses yang digunakan ialah reaksi hidrodeoksigenasi yang produknya dikenal dengan renewable diesel. Penelitian ini berfokus pada preparasi katalis NiMo/Zeolit dengan modifikasi metode konvensional yaitu metode microwave polyol process untuk sintesis renewable diesel. Dari hasil uji karakterisasi BET dan XRD diketahui katalis memiliki luas permukaan 5,45 m2/g dan memiliki ukuran kristal rata-rata 62,98 nm. Katalis digunakan untuk mensintesis renewable diesel dengan kondisi operasi suhu 375oC, tekanan 12 bar, loading katalis 1% massa minyak jarak dan kecepetan pengaduk 800 rpm. Berdasarkan hasil uji GC-MS menunjukan katalis NiMo/Zeolit mampu mengkonversi minyak jarak sebesar 88,61% dengan selektivitas produk renewable diesel sebesar 35,26 serta yield 21,5%. Berdasarkan hasil Uji FTIR dan Uji sifat fisik produk, renewable diesel hasil reaksi menggunakan katalis NiMo/Zeolit memiliki spesifikasi yang lebih baik dari solar komersial dengan nilai densitas: 0,833 gr/cm3, viskositas: 3,02 cst, Indek setana: 61,01.

Preparation and Characterization NiMo/Zeolite Catalyst Using Microwave Polyol Process Method for Synthesizing Renewable Diesel from Jathropa Oil Abstract Biofuels have great potential to fulfill the energy needs of Indonesia. The process used is hydrodeoxygenation reaction (HDO) whose products are known as renewable diesel. This study focuses on preparation NiMo/Z catalyst for sintesizing renewable diesel from jatropha oil. Preparation of NiMo/zeolit catalyst is done by using microwave polyol process method which gives the surface area of 5.45m2/g and has an average crystal size of 62.98nm. NiMo/Zeolit catalyst used to synthesize renewable diesel at 375oC, pressure 12 bar, catalyst loading 1% mass of Jathropa Oil and stirer speed of 800 rpm. Based on the test results of GC-MS showed the catalyst NiMo/Zeolit has the conversion of jatropha oil 88,61% with renewable diesel product selectivity of 35.26 and 21.5% yield. According to result of FTIR and product physical properties, renewable diesel products has better specifications than commercial diesel with density values: 0.833 gr/cm3, viscosity: 3.02 cst, cetane index: 61.01 Keyword: Renewable diesel; NiMo/Zeolit; Microwave polyol process

1. Pendahuluan Bahan bakar bio memiliki potensi yang sangat besar untuk menjawab kebutuhan energi dalam negeri maupun dunia. Bahan bakar bio ini dapat menjadi alternatif energi seiring menipisnya ketersediaan bahan bakar fossil. Biodiesel merupakan salah satu jenis bahan bakar bio yang dapat dijadikan sebagai bahan bakar alternatif yang dihasilkan melalui reaksi transesterifikasi triglisetrida menggunakan bahan baku minyak nabati yang dapat diperbaharui

Preparasi Dan..., Ahmad Faisal, FT UI, 2014

dan produk yang dihasilkan ramah terhadap lingkungan. Namun, kandungan oksigen yang masih tinggi menjadi salah satu kelemahan utama biodiesel karena menurunkan heating value serta merusak mesin kendaraan. Oleh sebab itu perlu dilakukan modifikasi untuk dapat menurunkan kadar oksigen pada biodiesel, salah satunya dengan reaksi hidrodeoksigenasi (Susanto, 2012) yang produknya dikenal dengan renewable diesel. Proses ini dapat mengkonversi trigliserida menjadi hidrokarbon dengan bantuan gas hidrogen. Ide dasarnya adalah mereaksikan minyak nabati dalam reaktor tangki berpengaduk pada tekanan dan suhu tinggi menggunaan katalis nano. Reaksi pembentukan renewable diesel dengan jalur hidrodeoksigenasi ini melibatkan katalis untuk dapat menurunkan energi aktivasi reaksi dan meningkatkan selektivitas reaksi. Jenis katalis yang telah terbukti memiliki aktivitas tinggi untuk reaksi ini ialah logam NiMo. Boyas (2012) telah berhasil mensisntesis renewable diesel menggunakan katalis NiMo/Al2O3 menghasilkan produk utama n-heptadekana dan n-oktadekana dengan konversi renewable diesel sebesar 80% wt. Penelitian serupa dengan menggunakan katalis NiMoCe/Al2O3 dengan bahan baku minyak jarak telah berhasil menghasilkan renewable diesel dengan konversi 88% (Liu et al., 2012). Hal ini membuktikan keaktifan inti katalis NiMo untuk sintesis renewable diesel. Namun fasa aktif katalis Ni dan Mo sendiri tidak memiliki permukaan yang luas sehingga reaksi menjadi tidak efektif dan efisien karena tidak seluruh pusat aktifnya dapat mengadakan kontak dengan reaktan. Oleh karena itu, komponen logam Ni dan Mo perlu didistribusikan pada suatu permukaan padatan penyangga yang memiliki luas permukaan besar seperti zeolit (Bakri, 2008). Hal ini dipertegas oleh penelitian yang dilakukan Susanto dan Wiyo (2013) yang menggunakan zeolit sebagai penyangga pada inti katalis Pd yang berhasil memberikan luas permukaan yang besar dan memberikan konversi hingga 91,44%. Proses preparasi katalis NiMo umumnya masih menggunakan teknik konvensional yang menggunakan metode incipient-wetness, yang mana metode ini membutuhkan waktu preparasi hingga 24 jam dan konsumsi energi yang besar dalam mempreparasinya (Boyas, 2012). Untuk itu, perlu adanya modifikasi pada proses pemanasan dalam preparasi katalis untuk dapat mengurangi waktu preparasai dan konsumsi energi. Modifikasi dilakukan dengan menggunakan radiasi elektrik microwave sebagai media pemanasan. Seperti yang dilaporkan Chuang (2012), modifikasi pemanasan dengan microwave merupakan metode yang sederhana, efisien dan membutuhkan waktu yang cepat yaitu sekitar 3 sampai 5 menit untuk mensintesis katalis. Selain itu, waktu yang cepat diperlukan untuk menghindari terjadinya pertumbuhan logam katalis yang besar, karena katalis akan berukuran semakin besar dengan seiring bertambahnya waktu (He Li et al., 2012).


Pada penelitian ini akan dilakukan sintesis katalis NiMo yang sudah terbukti memiliki aktivitas yang baik, namun menggunakan cara preparasi yang berbeda yaitu dengan metode microwave polyol process dan menggunakan penyangga zeolit. pH larutan, pemberian senyawa penstabil KBr serta proses aktivasi akan divariasikan untuk mendapat hasil yang optimum yang dapat memberikan luas permukaan, aktivitas dan selektivitas yang tinggi.

2. Tinjauan Pustaka 2.1 Komponen Katalis 2.1.1

NiMo Sebagai inti Katalis

Komponen aktif dapat mempercepat reaksi dan merupakan tahap awal dalam desain katalis. Komponen aktif merupakan pusat aktif katalis yang bertanggung jawab pada reaksi utama, mempercepat dan mengarahkan jalannya reaksi. Pada umumnya hampir semua logam transisi dapat digunakan untuk katalis, karena loga transisi kaya akan elektron, telah mengisi orbital 3d dan memiliki elektron tidak berpasangan sehingga mudah berikatan dengan atom lain. Salah satunya adalah logam Ni yang mempunyai konfigurasi elektron [Ar] 3d84s2 (Bakrie, 2008). Logam Ni digunakan sebagai katalis karena logam ini mempunyai aktivitas dan selektivitas yang baik dalam suatu reaksi, sedangkan penggunaan logam Mo dalam katalis berperan sebagai promotor yang dapat meningkatkan kinerja katalis (Rifqi, 2012). Penggunaan katalis NiMo sebagai inti katalis sudah luas digunakan dalam reaksi hidrooksigenasi. Harganya yang murah namun memiliki aktivitas yang baik memberikan nilai lebih untuk katalis NiMo. Seperti yang dilaporkan Boyas et al. (2011), penggunaan inti katalis NiMo dengan penyangga Al2O3, sudah teruji dengan baik menghasilkan produk utama nheptadekana dan n-oktadekana dengan konversi renewable diesel sebesar 80% wt. 2.1.2

Zeolit Sebagai Penyangga Katalis

Fasa aktif katalis Ni dan Mo sendiri tidak memiliki permukaan yang luas sehingga reaksi menjadi tidak efektif dan efisien karena tidak seluruh pusat aktifnya dapat mengadakan kontak dengan reaktan. Oleh karena itu, komponen logam Ni dan Mo perlu didistribusikan pada suatu permukaan padatan penyangga yang memiliki luas permukaan besar seperti zeolit (Bakri, 2008). Struktur yang khas dari zeolit, yakni hampir sebagian besar merupakan kanal dan pori, menyebabkan zeolit memilki luas permukaan yang besar. Keadaan ini dapat dijelaskan bahwa masing masing pori dan kanal dalam maupun antar kristal dianggap berbentuk silinder, maka luas permukaan total zeolit adalah akumulasi dari luas permukaan (dinding) pori dan kanal-


kanal penyusun zeolit. Semakin banyak jumlah pori yang dimiliki, semakin besar luas permukaan total yang dimiliki zeolit. Menurut Dyer (1988), luas permukaan internal zeolit dapat mencapai puluhan bahkan ratusan kali lebih besar dibanding bagian permukaaan luarnya. Luas permukaan yang besar ini sangat menguntungkan dalam pemanfaatan zeolit baik sebagai adsorben ataupun sebagai katalis heterogen. Selain itu, zeolit digunakan sebagai pengemban katalis karena zeolit dapat mendorong terjadinya difusi molekul ke dalam ruang bebas diantara kristal-kristalnya. Oleh karena itu, dimensi serta lokasi saluran di dalam struktur zeolit mempunyai peranan yang penting. 2.2 Metode Preparasi Katalis Nano Partikel Metode microwave polyol process merupakan salah satu metode sintesis nanopartikel yang terbukti sederhana dan efektif untuk sintesis partikel koloid logam. Dalam metode ini, etilen glikol (EG) umumnya digunakan sebagai pelarut untuk garam logam dan pertumbuhan media dari partikel logam. Mekanisme yang terjadi pada metode poliol ini ialah garam precursor yang mengandung ion logam terlarut dalam pelarut EG dan ion logam tersebut akan tereduksi menjadi bermuatan nol dengan menerima elektron yang diberikan oleh gugus hidroksil etilen glikol. Sintesis logam nanopartikel dengan proses poliol microwave yaitu poliol dapat dengan cepat terjadi pemanasan oleh radiasi gelombang microwave karena dielektrik konstan yang tinggi. Pemanasan microwave yang cepat dan seragam menyebabkan cepatnya pengurangan ion logam dan pembentukan inti logam, sehingga sangat memudahkan pembentukan partikel yang kecil dan seragam. Dalam metode ini terjadi pertukaran ion antara ion logam dengan penyangga yang dibantu dari interaksi etilen glikon (Zhao et al., 2006). Menurut Zhao (2006), dalam penelitiannya dilaporkan bahwa pengaruh pH pada larutan polyol mempengaruhi ukuran partikel logam katalis. Selain itu menurut He, Li (2013) penggunaan senyawa penstabil seperti KBr serta jenis pelarut juga dapat mengontrol pembentukan ukuran partikel katalis. Penilitian lain menunjukan lama waktu pemanasan serta energi irradiasi yang dipancarkan oleh microwave juga dapat mempengaruhi hasil akhir pembentukan katalis (Chuang, 2012). 2.2.1

Pengaruh Pelarut

Solvent atau pelarut memainkan peran penting dalam mempreparasi katalis menggunakan metode microwave polyol process ini. Untuk mendapatkan strukutur katalis nano yang berbeda bisa didapatkan dengan memvariasikan komposisi pelarutnya. Sifat fisika dan kimia dari pelarut seperti kepolaran, viskositas, titik didih dapat mempengaruhi kelarutan serta


mekanisme perpindahan massa partikel logam katalis selama proses sintesis (He Li et al., 2012). Pelarut yang baik memiliki viskositas yang rendah. Viskositas yang tinggi akan memberikan hambatan yang lebih besar pada partikel logam dari garam prekursor untuk dapat berdifusi dan menempel pada permukaaan penyangga katalis. Sedangkan titik didih pelarut dibutuhkan untuk memastikan bahwa sampai pada suhu reaksi reduksi, pelarut masih belum terdekomposisi sehingga masih mampu menyumbang agen pereduksi yang dapat mereduksi ion logam menjadi logam. 2.2.2

Pengaruh pH Larutan

pH larutan merupakan faktor yang sangat penting dalam mempreparasi katalis. Setiap metode preparasi katalis memiliki pH optimum yang berbeda-beda. Chuang (2012) pada penelitiannya membuktikan penambahan larutan basa NaOH sampai pH 8 memberikan hasil yang optimum. Alasan utama ialah karena dengan penambahan basa memberikan sumber pereduksi OH- yang dapat bereaksi dengan ion logam membentuk padatan logam. Alasan lain ialah adanya ion asetat yang membentuk ion chelate yang dapat berfungsi sebagai penstabil yang mengontrol pertumbuhan Ion logam. 2.2.3

Pengaruh Lama Waktu Pemanasan dan Energi Irradiasi Microwave

Lama waktu pemanasan merupakan faktor yang juga sangat mempengaruhi proses sintesis katalis. Inti nucleus logam muali terbentuk pada awal proses pemanasan, selanjutnya partikel logam akan terus membesar seiring pertambaan suhu dan waktu pemanasan. Ketika suhu telah cukup tinggi, logam katalis mulai beraglomerasi membentuk padatan yang lebih besar. Ini artinya proses sintesis harus dilakukan pada suhu yang tidak terlalu tinggi untuk mencegah percepatan terjadinya aglomerasi. He Li (2013) pada penelitiannya berhasil mendapatkan waktu optimum sintesis katalis yaitu 2 menit. Waktu sintesis yang terlalu cepat belum memberikan kesempatan ion logam untuk tereduksi menjadi partikel logam, sedangkan waktu sintesis yang terlalu lama akan menyebabkan partikel logam yang terbentuk beraglomerasi membentuk partikel dengan ukuran yang besar. 2.2.4

Pengaruh Senyawa Penstabil

Penggunaan senyawa penstabil dalam sintesis nano katalis berfungsi untuk dapat mencegah terjadinya aglomerasi katalis nano partikel. Senyawa penstabil ini juga dapat mempengaruhi laju pertumbuhan nano katalis, namun hal ini bergantung pada jenis pelarut, temperature dan jenis senyawa penstabil itu sendiri (He Li, 2013). Jenis senyawa penstabil yang umum digunakan ialah KBr, PVP dan CVTAB. Dari ketiga senyawa tersebut KBr lebih


unggul dengan pertimbangan mudah dicuci dan ramah lingkungan. He Li (2013) pada penelitiannya membuktikan bahwa kehadiran KBr sebagai senyawa penstabil dapat mendispersikan partikel nano secara merata. Selain itu KBr juga dapat mengontrol ukuran dan bentuk dari partikel tanpa menghambat penyangga logam inti katalis.

3. Metode Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah asam oleat sebagai senyawa model, zeolit lampung sebagai penyangga katalis, garam (NH4)6Mo7O24.4H2O dan Ni(NO3)2.6H2O sebagai sumber inti aktif, etilen glikol dan gliserol sebagai sumber polyol, KBr sebagai senyawa pensatbil, HCl 3M untuk aktivasi zeolit, KOH 0,8 M dan NaOH 0,2 M pelarut pada pembentukan polynuclear hydroxocomplexes. Aktivasi penyangga- zeolit lampung jenis klinoptilolit dicuci menggunakan air demineral sambil diaduk selama 24 jam. selanjutnya diaktivasi menggunakan HCl 3M sambil diaduk dan dipanaskan pada suhu 50oC. Zeolit dibilas sampe pH netral dan dikeringkan pada suhu 300 oC selama 3 jam. Sintesis katalis perlakuan 1-katalis Pd/zeolit 1 dengan kandungan Pd 5% disintesis melalui

metode

microwave

polyol

process

dalam

larutan

polyol

EG

dengan

(NH4)6Mo7O24.4H2O dan Ni(NO3)2.6H2O sebagai prekusor. Garam precursor dilarutkan dalam akuades 15 mL selanjutnya larutan tersebut kemudian ditambah dengan 15 mL larutan Etilen Glikol. Campuran ditambah dengan 5 gram zeolit dan KOH (0,8 M) sampai pH 8-9 yang kemudian didispersi dengan ultrasonikasi selama 135 menit. Setelah diultrasonikasi, larutan dimasukkan ke dalam microwave pada 800 W selama 3 menit dan dipanaskan pada suhu 300 oC didalam furnance selama 2 jam. Karakterisasi katalis- katalis yang dihasilkan dikarakterisasi melalui beberapa parameter uji. XRD untuk menentukan sifat dan jenis kristal katalis, BET untuk menentukan luas area, pori dan ukuran pori katalis dan SEM-EDAX untuk mengetahui morfologi dan komposisi katalis. Reaksi hidrodeoksigenasi- hidrodeoksigenasi asam oleat dilakukan dalam reaktor tumpak 330 cc yang terintegrasi dengan sebuah kondenser dan furnace. asam oleat dijadikan sebagai umpan dan Pd/Zeolit sebagai katalis dengan perbadingan 100:1. kecepatan pengaduk dan tekanan selama reaksi dijaga konstan pada 800 rpm dan 12 bar. Suhu reaksi jaga pada 375oC. setiap 15 menit gas yang dihasilkan dianalisis secara online menggunakan GC-TCD untuk


mengidentifikasi gas karbon dioksida, karbon monoksida dan metana. rangkai peralatan dapat dilihat pada Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Rangkaian Reaktor Hidrodeoksigenasi

Karakterisasi produk bawah- produk bawah didestilasi dan detstilat yang dihasilkan diuji sifat fisika dan kimianya. Pengujian yang dilakukan meliputi uji densitas, viskositas, indek setana, FT-IR dan identifikasi komponen menggunakan GC-MS.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Analisis XRD

Gambar 2. Difraktogram XRD untuk berbagai katalis (a) Zeolit Teraktivasi, (b) NiMo/Z-7, (c) NiMo/Z7Ac,t (d) NiMo/Z-9 dan (e) NiMo/Z-22

Hasil karakterisasi katalis NiMo/Zeolit diperoleh difraktogram yang pada Gambar 2. Mengacu pada penelitian Vafeian, Yaser (2013) difraksi NiO berada pada 2!= 37,3; 43,4; 63; 75,6 and 79,6, sedangkan mengacu pada penelitian Palcheva (2012) difraksi MoO3 berada pada 2!= 24,2; 27,3; 47,4 dan 57,2. Berdasarkan hasil uji XRD, pada setiap katalis yang dipreparasi telah terbentuk peak logam Ni dan Mo pada masing-masing 2 theta tersebut.


Zeolit yang semula memiliki peak yang lemah, setelah diembankan katalis pada permukaannya memiliki peak yang tajam. Intensitas peak melambangkan kristalinitasnya, semakin tajam peak yang didapat partikel cenderung lebih baik kekristalinitasnya. Kristalinitas katalis NiMo/Zeolit Alam akan berpengaruh terhadap aktivitas katalitik. Apabila kristalinitas tinggi maka katalis juga memiliki sifat katalitik tinggi, stabil pada suhu tinggi. Kristalinitas yang tinggi juga dapat dikatakan bahwa pengemban tersebut bebas dari pengotor sehingga sifat-sifat fisik katalis NiMo/Z tidak terganggu. 4.2 Hasil Analisis BET Berdasarkan Tabel 1, dilihat bahwa luas permukaan setiap katalis lebih kecil dibandingkan dengan luas permukaan penyangga zeolit sebelum di embankan logam. Hal ini mengindikasikan bahwa impregnasi logam Ni dan Mo pada penyangga zeolit menutup sebagian pori zeolit sehingga mengakibatkan luas permukaan yang menjadi lebih kecil. Kemungkinan lain ialah katalis NiMo terdispersi merata pada permukaan luar dan membentuk gumpalan-gumpalan yang menutupi sebagian besar permukaan penyangga. Sehingga menyebabkan penurunan luas permukaan yang besar. Tabel 1. Hasil Uji BET

Katalis

Luas Permukaan (m2/g)

Volume Pori (cc/g)

Diameter Pori (A)

Zeolit*

51,9

0,004

10,53

NiMo/Z-7

5,45

0,041

301

NiMo/Z-9

7,02

0,046

257

NiMo/Z-22

2,6

0,014

209

Hasil BET yang didapat juga menunjukan bahwa selain terjadi penurunan luas permukaan yang signifikan, katalis hasil preparasi memiliki diameter pori yang besar, yaitu dengan rentang 0,014 s.d. 0,041 cc/g. Pori yang besar ini berkaitan dengan struktur penyangga zeolit yang mengindikasikan bahwa zeolit hasil aktivasi tidak berbentuk balok yang rata, namun lebih mengarah ke bentuk yang berlubang-lubang. Volume pori dan diameter pori yang besar ini mengindikasikan bahwa struktur zeolit ini sangat berpori dan memiliki ruang antar pori yang cukup luas. Rosdiana (2006) dalam penelitiannya menjelaskan bahwa ukuran pori yang besar memiliki ruang kosong yang cukup banyak untuk terjadinya reaksi dipermukaan pori. Selain itu, dengan besarnya ukuran pori penyangga akan sangat memungkinkan partikel-partikel reaktan untuk dapat berinteraksi dengan katalis sampai pada bagian pori-pori peyangga zeolit, sehingga reaksi tidak hanya dapat terjadi pada permukaan luar saja namun juga dapat terjadi pada bagian dalam pori katalis.


Berdasarkan hasil uji karakterisasi BET yang dilakukan, terlihat bahwa katalis NiMo/Z-9 memiliki luas permukaan yang paling besar dibanding dengan luas permukaan katalis NiMo/Z-9 dan NiMo/Z-22. Luas permukaan katalis yang besar sangat dibutuhkan untuk meningkatkan tumbukan pada reaksi yang akan mempengaruhi laju kinetika reaksi. Namun demikian, adakalanya luas permukaan katalis yang besar dihindari karena hal ini menunjukkan bahwa inti aktif yang diembankan pada penyangga hanya sedikit yang menempel pada pori penyangga. Jika dibandingkan pada masing-masing penyangga, luas permukaan katalis sebanding dengan ukuran dan volume pori. Ukuran dan volume katalis besar jika luas permukaan katalis besar. 4.3 Hasil Analisis SEM-EDX Dari Gambar 3 dan 4 dapat dilihat bahwa baik pada perbesaran 1000x maupun 10000x keempat katalis NiMo/Z yang dihasilkan memiliki morfologi yang cenderung bergumpal. Terlihat bahwa masih terdapat partikel yang berukuran kecil dan terdapat pula yang berukuran besar. Secara kasar terlihat bahwa bentuk morfologi katalis yang kasar dan tersusun atas partikel yang berbentuk kotak serpihan. Selain itu tampak pula beberapa aggregate atau gumpalan yang terbentuk dari beberapa partikel berukuran kecil. Hal ini membuktikan bahwa katalis berpenyangga yang dihasilkan masih belum memiliki ukuran yang seragam.

Gambar 3. Hasil Karakterisasi SEM dengan perbesaran 1000x (a) NiMo/Z-7, (b) NiMo/Z-7 act, (c) NiMo/Z-9, (d) NiMo/Z-22

Dari hasil karakterisasi EDAX antara katalis NiMo/Z-7 dan NiMo/Z-7 teraktivasi, terlihat bahwa perlakuan aktivasi menggunakan gas hidrogen pada suhu 375oC dengan tekanan 12 bar telah berhasil mereduksi oksida logam katalis menjadi logam (Tabel 2). Hal ini ditunjukan dengan kenaikan jumlah persen massa logam NiMo dari 4,4% menjadi 5,25%, lalu diikuti dengan penurunan kandungan oksigen dari 43,77% menjadi 39,64%.


Tabel 2. Hasil Uji EDAX Sampel Katalis Elemen

% Berat NiMo/Z-7

NiMo/Z -7 act

NiMo/Z -9

NiMo/Z -22

O

43,77

39,64

38,09

40,68

Al

12,92

13,90

19,71

19,72

Si

31,30

31,73

26,31

28,89

Mo

3,25

3,90

2,30

0,24

K

7,61

9,44

12,54

10,29

Ni

1,15

1,39

1,05

0,19

Katalis NiMo/Z-22 merupakan katalis yang paling sedikit jumlah Ni dan Mo yang terdeteksi dan jauh dari target loading katalis. Berdasarkan Tabel 2 dapat dilihat bahwa total persentase massa Ni dan Mo hanya sebesar 0,43%, sedangkan target loading katalis NiMo ialah 5%. Hal ini menandakan bahwa terjadi banyak losses selama proses preparasi katalis. Katalis NiMo/Z dipreparasi dengan metode yang sama yaitu menggunakan metode microwave polyol process. Namun berbeda dengan katalis yang lain, pada preparasi katalis NiMo/Z-22 menggunakan pelarut berbeda yaitu campuran EG dan glycerol dengan rasio 1:9. Pelarut glycerol memiliki viskositas yang lebih tinggi dan memiliki titik didih yang lebih tinggi dibanding dengan etilen glikol. Tingginya viskositas glycerol menyebabkan hambatan precursor (ion Ni dan Mo) untuk terdifusi menuju permukaan penyangga akan semakin tinggi dan dapat menyebabkan adanya kemungkinan tidak tertempelnya inti logam katalis pada permukaan. Selain itu, pada proses pemanasan menggunakan microwave pada daya maksimum 800W, precursor mengalami pemanasan yang seragam dan sangat cepat. Kemungkinan adanya ion Ni dan Mo yang teruapkan bersama larutan lain sangat tinggi mengingat inti logam yang belum menempel pada permukaan penyangga. Hal ini menyebabkan losses yang cukup tinggi dan menurunkan jumlah loading aktual katalis. 4.4 Hasil Uji Katalis Pada Sintesis Renewable Diesel 4.4.1 Uji Kestabilan dan Keaktifan Katalis Berdasarkan hasil analisis sampel gas dengan menggunakan GC-TCD, pada Gambar 5 terlihat bahwa hidrogen sebagai reaktan mengalami penurunan yang cukup cepat diawal dan cenderung konstan diakhir. Selain itu terlihat bahwa gas CO2 dan CO terus naik seiring waktu bertambah. Terbentuknya gas tersebut mengindikasikan bahwa telah terjadi reaksi karboksilasi yang menghasilkan gas CO2 dan reaksi karbonilasi yang menghasilkan gas CO. Selain itu, pembentukan gas CO dan CO2 yang terus naik sampai 46% menunjukan bahwa katalis memiliki keaktifan yang tinggi.


100 80 60 40 20 0 0

50 H2

100 CO

150 CH4

CO2

Gambar 4. Hasil GC-TCD Gas Selama Reaksi

Pada Gambar 5 juga menggambarkan bahwa tidak ada penurunan yang signifikan dalam pembentukan gas CO dan CO2. Penurunan ini mengindikasikan bahwa kemungkinan penurunan gas tersebut disebabkan oleh telah semakin sedikitnya reaktan yang dapat bereaksi dan juga disebabkan oleh deaktivasi katalis. Deaktivasi katalis ini kemungkinan disebabkan runtuhnya struktur penyangga zeolit alam. Struktur zeolit alam hasil preparasi memiliki rasio Si/Al yang rendah yaitu 2.42. Rendahnya rasio ini berdampak pada katalis yang tidak stabil pada suhu tinggi. Sehingga setelah beberapa waktu struktur akan mengalami kerusakan. Namun, data GC-TCD memperlihatkan penurunan yang tidak signifikan, sehingga dapat disimpulkan, dalam skala lab telah berhasil dibuktikan bahwa katalis memiliki kestabilan yang baik dalam reaksi selama 3 jam. Tabel 3. Konversi, Selektivitas dan Yield Renewable Diesel Sampel

Konversi (%)

RD-NiMo/Z

88,615

Selektivitas Renewable Diesel (%)

Yield (%)

35,260

21,515

Dari Tabel 4.7 dapat dilihat bahwa konversi reaktan menjadi produk pada kondisi operasi o

375 C tekanan 12 bar menggunakan katalis NiMo/Z mencapai konversi 88,615%. Berdasarkan data ini, katalis NiMo/Z terbukti memiliki keaktivan yang tinggi yang mampu mengubah minyak jarak menjadi produk akhir. Adapun produk-produk yang dihasilkan adalah produk bawah yang mengandung renewable diesel. Tabel 4.7 juga menunjukan tingkat selektivitas kedua katalis. Selektivitas katalis NiMo/Z untuk menghasilkan produk renewable diesel ialah 35,260% dan yield katalis NiMo/Z memiliki yield mencapai 21,515%.


4.4.2 Sifat Fisik Renewable Diesel 4.4.2.1 Densitas

Gambar 5. Hasil Uji Densitas Produk dan Perbandingannya dengan Minyak Jarak dan Solar Komersial

Pada Gambar 6 diatas dapat dilihat bahwa nilai densitas dari produk renewable diesel yang dihasilkan dari katalis NiMo/Z yang disintesis menggunakan metode microwave polyol process telah terjadi penurunan dari densitas bahan bakunya yaitu minyak jarak. Selain itu, dapat dilihat bahwa densitas renewable diesel hasil reaksi menggunakan katalis NiMo/Z berada dibawah nilai densitas biodiesel dan berada pada rentang densitas solar komersil. Hasil ini menunjukkan bahwa reaksi hidrodeoksigenasi dengan bahan baku minyak jarak telah berhasil menghasilkan renewable diesel dengan kualitas densitas yang lebih baik. Turunnya densitas dari bahan menjadi produk renewable diesel, diakibatkan telah terputusnya ikatan rantai karbon panjang pada minyak jarak menjadi rantai karbon pendek yang akan menurunkan bobot molekul produk renewable diesel. Bobot molekul suatu komponen akan mempengaruhi nilai densitas komponen yang bersangkutan. 4.4.2.2 Viskositas Pada Gambar 7 menunjukan hasil uji viskositas dari hasil produk renewable diesel menggunakan katalis NiMo/Zeolit, terlihat jelas pada Gambar 7 bahwa terjadi penurunan yang sangat signifikan pada viskositas minyak jarak sebagai bahan baku dasar terhadap produk hasil reaksi hidrodeoksigenasi dengan katalis NiMo/Z. Produk hasil reaksi menggunakan katalis NiMo/Z memiliki viskositas 3,02 cst yang artinya terjadi penurunan viskositas sebesar 40 cst (penurunan sebesar 92,8%) dari bahan baku asalnya yaitu minyak jarak. Viskositas produk juga masih berada pada rentang viskositas solar komersial yang mengacu pada ASTM D975 (1,9 – 4,1 cst), namun sedikit dibawah batas standar viskositas Biodiesel.


Gambar 6.

Hasil Uji Viskositas Produk dan Perbandingannya dengan Minyak Jarak dan Solar Komersial

Penurunan viskositas disebakan oleh terjadinya pemutusan ikatan karboksilat dari minyak jarak yang mengandung gugus karbonil (CO) dan hidroksil (–OH). Gusus –OH pada ikatan karboksilat dapat membentuk ikatan hydrogen dengan gugus karbonil (CO) yang mengakibatkan ikatan antar molekul semakin kuat dan viskositas zat pun ikut tinggi. Oleh sebab itu, selama reaksi hidrodeoksigenasi terjadi proses pemutusan gugus karboksilat pun terjadi yang mengakibatkan nilai viskositas mengalami penurunan. Secara umum, bahan bakar diesel harus memiliki viskositas yang kecil sehingga memastikan diesel dapat mengalir pada proses cold starting pada mesin. Namun adakalanya viskositas yang terlalu kecil dihindari, karena terlalu kecilnya viskositas dapat menyebabkan power losses pada temperature yang tinggi di mesin. 4.4.2.3 Angka Setana

Gambar 7.

Hasil Uji Angka Setana Produk dan Perbandingannya dengan Minyak Jarak dan Solar Komersial


Hasil pengukuran indek setana yang terlihat pada Gambar 8 menunjukkan bahwa nilai indek setana dari produk renewable diesel yang dihasilkan oleh reaksi HDO menggunakan katalis NiMo/Z telah

memenuhi nilai minimum indek setana yang diperbolehkan oleh

ASTM-D975. Indek setana produk RD-NiMo/Z memiliki indeks setana 61,01 yang lebih baik dari indeks setana solar komersial dan biodiesel. Hal ini membuktikan bahwa katalis NiMo/Zeolit memiliki kaktifan yang tinggi dan mampu mengarahkan ke reaksi dekarboksilasi, dekarbonilasi, perengkahan serta hidrodeoksigenasi menjadi lebih efektif sehingga mampu menghasilkan renewable diesel yang memiliki spesifikasi lebih unggul dari solar komersial. 4.4.3 Gugus FTIR Pada Gambar 9 dapat dilihat bahwa minyak jarak, solar komersil dan produk-produk renewable diesel yang dihasilkan dengan katalis NiMo memiliki serapan pada panjang gelombang 2940 cm-1 yang menunjukkan adanya ikatan C-H dan C-C. Selain rantai lurus, ketiga senyawa ini memiliki serapan yang sama pada bilangan gelombang 1650-1450 cm-1.

Gambar 8. Hasil Uji FTIR Sampel (a) Rd-NiMo/Z, (b) Solar Komersial, (c) Minyak Jarak

Serapan ini disebabkan oleh vibrasi ulur dari –C–C- yang menunjukkan adanya cincin aromatik. Terlihat pula bahwa gugus C=O karbonil yang terbaca pada bilangan gelombang 1700-1750 mengalami penurunan sangat tajam dibandingkan dengan minyak jarak yang mengindikasikan kandungan senyawa karbonil mengalami penurunan. Pada spectra IR minyak jarak ditemukan gugus C-O pada bilangan gelombang 1150 cm-1 selain C=O pada


bilangan gelombang 1710 cm-1. Hal ini mengkonfirmasikan bahwa komponen penyusun minyak jarak ialah berupa ester. Sedangkan pada spectra IR solar maupun produk RDNiMo/Z tidak terdapat serapan C-O yang mengindikasikan produk hasil reaksi maupun solar tidak terdapat gugus ester. Gugus ester telah berhasil terengkah baik melalui jalur reaksi karboksilasi maupun karbonilasi.

5. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini antara lain: 1. Katalis terbaik hasil preparasi menggunakan metode microwave polyol process ialah katalis NiMo/Z-7 yang dipreparasi menggunakan perlakuan satu, dengan penambahan senyawa KBr dan dalam suasan basa (pH=8,3) 2. Katalis NiMo/Z-7 yang dihasilkan dari perlakuan 1 memiliki kristalitas yang tinggi dengan ukuran kristal NiMo 62,98 nm serta memiliki luas permukaan 5,45 m2/g, ukuran pori 301 Å dan volume pori 0,041 cc/g. 3. Uji aktivitas katalis pada reaksi hidrodeoksigenasi menunjukkan bahwa katalis NiMo/zeolit-7 perlakuan 1 pada Suhu 375oC dan tekanan 12 bar mampu menghasilkan produk renewable diesel dengan konversi 88,615%, selektivitas fraksi renewable diesel dan yield fraksi masing-masing: 35,260 dan 21,515% (wt) 4. Renewable diesel hasil reaksi menggunakan katalis NiMo/Z memiliki spesifikasi yang lebih baik dari solar komersial dengan nilai densitas: 0,833 gr/cm3, viskositas: 3,02 cst, Indek setana: 61,01.

6. DAFTAR PUSTAKA Arasyid, G. (2010). Pembuatan Etanol dari Sampah Pasar Melalui Proses Pemanasan dan Fermentasi Bakteri Zymomonas Mobilis. Tugas Akhir. Program Studi Teknik Lingkungan Institut Teknologi Sepuluh November, 2-3. Bakri H., Ridla S. (2008). Kaoline Sebagai Sumber SiO2 Untuk Pembuatan Katalis Ni/SiO2 : Karakterisasi dan Uji Katalis Pada Hidrogenasi Benzena Menjadi Sikloheksana. Makara Sains, 12(1). 37-43. Boyás, R. S., Yanyong, L., & Tomoaki, M. (2011). Production of Green Diesel By Hydrocracking of Canola Oil On Ni-Mo/γ-Al2O3 And Pt-Zeolitic Based Catalysts. Instituto Politécnico Nacional , 1-7. Boyas, R. S., Zarraga, F. T., & Loyo, F. D. (2012). Hydroconversion of Triglycerides into Green Liquid Fuels. ISBN 978-953-51-0785-9 , 203-206. Chuang K.H., Shih, K., Wey M.Y., (2012). The Influence of Microwave Irradiation and Polyol Precursor pH on Cu/AC and its CO Oxidation Performance. Catalyst for Sustainable Energy(17), 1-8. He Li, Zhang S., Ye Lin, (2012). Pd/C Cataysts Synthesized by Microwave Assisted Polyol Method for Methanol Electro-Oxidation. International Journal of Electrochemical Science(8), 1-16. Immer, J. G., Kelly, M. J., & Lamb, H. (2010). Catalytic Reaction Pathways in Liquid-Phase Deoxygenation of C18 Free Fatty Acids. Applied Catalysis A: General, 375(1), 134-139. Istady, B. (2011). Fundamental dan Aplikasi: Teknologi Katalis untuk Konversi Energi. Badan Penelitian Universitas Diponegoro, 1-13.


Juan L., Jon K. (2010). Biodiesel Production from Jatropha Oil by Catalytic and non-catalytic approaches: An Overview. Bioresources Technology, 102(1), 452-460. Kalnes T., Marker Terry., Shonnard, David R. (2007). Green Diesel: A Second Generation Biofuel. International Journal of Chemical Reactor Engineering, 5(1), 1-11. Koh, Y., Ying, May, (2011). A Review of Biodiesel Production from Jatropha Curcas L. Oil. Renewable and Sustainable Energy Review, 15(1), 2240-2251. Knothe, G., (2010). Biodiesel and Renewable Diesel: A comparison. Progress in Energy and Combustion Science (36) 364-373. Lestari, Y., (2010). Kajian Modifikasi dan Karakterisasi Zeolit Alam Dari Berbagai Negara, Seminar Nasional Kimia, Universitas Negeri Yogyakarta, Yogyakarta. 1-12. Liherlinah, Abdullah, M. A., Khairurrijal. (2009). Sintesis Nanokristallin CuO/ZnO/Al2O3 untuk Mengubah Metanol Menjadi Hidrogen untuk Bahan Bakar Kendaraan Fuel Cell. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, 2(1), 90-95. Madsen, A.T. (2011). Catalytic Production of Biodiesel. 13.: Thesis. Departement of Chemistry-Technical University of Denmark, 120-129 Masita M., Senok K., Harlan., (2013). Syntesized Green Diesel Through Hydrodeoxygenation using Pt/C Catalyst. Noble Catalyst for Sustainable Energy(17), 1-8. Ochoa, H. (2012). Hydrocarbons Production Through Hydrotreating of Methyl Esters over Ni and Co Supported on SBA-15 and Al-SBA-15. Catalyst Today(17), 1-8. Osman, S. (2007). Hydrodeoxygenation Of Aliphatic And Aromatic Oxygenates On Sulphided Catalysts For Production Of Second Generation Biofuels. Doctoral Thesis Helsinki University of Technology. 755-764 Rifqi, K. (2012). Preparasi, Karakterisasi, dan Uji Aktivitas Katalis NiMo/Zeolit Alam dalam Proses Catalytic Cracking Jelantah Menjadi Biogasoline. Indonesian Journal of Chemical Science, 1(1). 1-7. Rosdiana, T. (2006). Pencirian dan Uji Aktivitas Katalitik Zeolit Alam Teraktivasi. Skripsi. Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor. 23-24 Simakova, I., (2010). Catalytic Transformation of Fatty Acid Derivatives for Food, Oleochemicals, Fuels over Carbon Supported Platinum Group Metals. Doctoral Thesis. ABO Academy University, Finland, 28-78. Sinaga, A.C., (2011). Preparasi, Karakterisasi, dan Uji Reaksi Katalis Nano NiO/Al2O3 untuk Sintesis Bahan Bakar Bio Non Ester dari Minyak Jarak Melalui Pirolisis Berkatalis. Skripsi. Program Studi Teknik Kimia Universitas Indonesia, 18-67. Susanto, B.H., Nasikin, M., Sukrino, Ayuko, S. (2012). Deoksigenasi Berkatalis Pd/C dari Asam Oleat Sebagai Senyawa Model Minyak Nabati Untuk Sintesis Solar Terbarukan. Jurnal Teknik Kimia Indonesia, 11(3). 159-165. Susanto, B.H., Nasikin, M., Sukrino, Wiyo A. Synthesis of Renewable Diesel Through Hydrodeoxygenation Using Pd/Zeolite Catalyst, The International Conference on Chemical Engineering UNPAR 2013, Bali, November 2013. 1-8 Widjajanti, E., Pengaruh Katalisator Terhadap Laju Reaksi. Yogyakarta: Fakultas Matematika dan Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Yogyakarta, 18-25. Zhao, J., Chen, W., Zheng, Y., Li, X., & Xu, Z. (2006). Microwave Polyol Synthesis of Pt/C Catalysts with SizeControlled Pt Particles for Methanol Electrocatalytic Oxidation. Journal of Materials Science, 41(17), 5514- 5518. Zhong He, Yuan, (2012). Hydrodeoxygenation of Model Compounds and Catalytic system for pyrolysis bio-oils upgrading. Catalyst for Sustainable Energy(17), 28-52.


Zeolit Dengan Metode Microwave Polyol Process untuk Sintesis Renewable Diesel Menggunakan Minyak Jarak Pagar

Recommend Documents