KONVERSI MINYAK SAWIT MENJADI BIOGASOLINE ...

i

KONVERSI MINYAK SAWIT MENJADI BIOGASOLINE

MENGGUNAKAN KATALIS Ni/ZEOLIT ALAM

Skripsi

disajikan sebagai salah satu syarat

untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

Program Studi Kimia

oleh

Puji Eka Rahayu

4350408002

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2012

ii

PERNYATAAN

Saya menyatakan bahwa skripsi ini bebas plagiat, dan apabila di kemudian hari

terbukti terdapat plagiat dalam skripsi ini, maka saya bersedia menerima sanksi

sesuai ketentuan peraturan perundang-undangan.

Semarang, 04 November 2012

Puji Eka Rahayu 4350408002

iii

PERSETUJUAN PEMBIMBING

Skripsi ini telah disetujui oleh pembimbing untuk diajukan ke Sidang Panitia

Ujian Skripsi Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Negeri Semarang.


Pembimbing I Pembimbing II

Drs. Sigit Priatmoko, M.Si Sri Kadarwati, S.Si., M.Si NIP. 196504291991031001 NIP. 198111142003122003

iv

PENGESAHAN

Skripsi yang berjudul

Konversi Minyak Sawit menjadi Biogasoline Menggunakan Katalis Ni/ Zeolit

Alam

disusun oleh

Nama : Puji Eka Rahayu

NIM : 4350408002

telah dipertahankan di hadapan sidang Panitia Ujian Skripsi FMIPA Universitas

Negeri Semarang pada tanggal

Panitia:

Ketua Sekretaris

Prof. Dr. Wiyanto, M.Si. Dra. Woro Sumarni, M.Si. NIP. 196310121988031001 NIP. 196507231993032001

Ketua Penguji

Dr. Kasmadi Imam S, M.S. NIP. 195111151979031001

Anggota Penguji/ Anggota Penguji/ Pembimbing Utama Pembimbing Pendamping

Drs. Sigit Priatmoko, M.Si Sri Kadarwati, S.Si., M.Si NIP. 196504291991031001 NIP. 198111142003122003

v

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

MOTTO:

Jangan Pernah Berkata Tidak Bisa Sebelum Mencoba Melakukannya.

Sukses Bukanlah Tujuan Hidupku, Tetapi Sukses Adalah Jalan Hidupku.

Tugas Akhir II ini kupersembahkan untuk:

Bapak dan Ibuku tersayang

Teman-teman seperjuangan Kimia Angkatan 2008

dan Ni & Ni-Mo lovers

Semua orang yang menyayangiku

vi

PRAKATA

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan kasih dan

kemurahan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan TA II yang berjudul

”Perengkahan Katalitik Minyak Jelantah Menjadi Biogasoline Menggunakan

Padatan Ni-Mo/Zeolit Alam”. Selama menyusun TA II ini, penulis telah banyak

menerima bantuan, kerjasama, dan sumbangan pemikiran dari berbagai pihak.

Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis sampaikan ucapan terima kasih

kepada:

1. Rektor Universitas Negeri Semarang.

2. Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri

Semarang.

3. Ketua Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam


4. Ketua Prodi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam


5. Drs. Sigit Priatmoko, M.Si sebagai Pembimbing I yang telah memberikan

petunjuk, arahan, dan bimbingan dalam penyusunan Skripsi ini.

6. Sri Kadarwati, S.Si., M.Si sebagai Pembimbing II yang telah memberikan

arahan, nasihat, dan motivasi dalam penyusunan Skripsi ini.

7. Dr. Kasmadi Imam S, M.S sebagai Penguji yang telah memberi saran kepada

penulis, sehingga dapat menyelesaikan Skripsi ini.

8. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Kimia yang telah memberikan bekal dalam

penyusunan Skripsi ini.

vii

9. Kedua orang tua tersayang, Bapak Sutrisno dan Ibu Pasini atas kasih sayang,

nasihat, pengertian, dan motivasi yang diberikan kepada penulis.

10. Mas Huda, Mbak Dian, Mbak Fitri dan seluruh laboran serta teknisi

laboratorium Kimia UNNES atas bantuan yang diberikan selama pelaksanaan

penelitian.

11. Teman-teman seperjuangan Kimia 2008 atas motivasi dan kebersamaannya

selama ini.

12. Semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian Skripsi ini yang tidak

dapat penulis sebutkan satu persatu.

Semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan semua pihak yang

membutuhkan.


Penulis

viii

ABSTRAK

Rahayu, Puji Eka. 2012. Konversi Minyak Sawit menjadi Biogasoline Menggunakan Katalis Ni/Zeolit Alam. Skripsi, Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang. Pembimbing Utama Drs. Sigit Priatmoko, M. Si. dan Pembimbing Pendamping Sri Kadarwati, S.Si., M.Si.

Kata Kunci: biogasoline; minyak sawit; perengkahan; Ni/ZA

Kajian tentang konversi minyak sawit menjadi fraksi bahan bakar yang setara biogasoline menggunakan katalis Ni/ZA telah dipelajari. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kadar Ni total pada zeolit alam yang dapat memberikan aktivitas dan karakter terbaik pada reaksi perengkahan MEPO menjadi biogasoline, mengetahui laju alir gas hidrogen, dan untuk mengetahui senyawa yang diduga terdapat dalam biogasoline dengan katalis dan laju alir optimum. Katalis dipreparasi dengan metode impregnasi dengan kadar logam Ni 1%, 2%, dan 3% berat zeolit. Karakterisasi terhadap katalis meliputi: penentuan kadar logam Ni yang teremban dengan SSA, jumlah situs asam dengan metode gravimetri, kristalinitas dan ukuran partikel katalis dengan XRD, serta luas permukaan katalis dengan metode BET. Katalis dengan karakter terbaik adalah Ni-1%/ZA. Minyak sawit yang digunakan sebagai umpan sebelumnya diesterkan terlebih dahuulu dengan metanol dan KOH, kemudian direngkah dengan kolom reaktor flow fixed bed yang dioperasikan pada suhu 450oC. Hasil analisis produk dengan GC menunjukkan fraksi kondensasi produk biogasoline mencapai 100% pada laju alir gas hidrogen 20 mL/menit. Adapun senyawa yang terdapat dalam produk biogasoline yang dihasilkan antara lain: 2-metil pentana, 3-metilpentana, n-heksana, 2-metil-1-pentena, 2,2-dimetil heksana (isooktana), 2,2,4-trimetil pentana, 4-metil-1-heksena, 2,2,3,3-tetrametil butana, 2,2,4-trimetil pentana, 2,2-dimetil heksana.

ix

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL .......................................................................................... i

PERNYATAAN .................................................................................................. ii

PERSETUJUAN PEMBIMBING .................................................................... iii

PENGESAHAN .................................................................................................. iv

MOTO DAN PERSEMBAHAN ....................................................................... v

PRAKATA .......................................................................................................... vi

ABSTRAK .......................................................................................................... viii

DAFTAR ISI ....................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL .............................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... xv

BAB

1. PENDAHULUAN ....................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ....................................................................................... 1 1.2 Permasalahan ......................................................................................... 6 1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................... 7 1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................. 7

2. TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................. 9

2.1 Minyak Sawit dan MEPO ...................................................................... 8 2.2 Biogasolin (Bio-bensin) .......................................................................... 11 2.3 Katalis .................................................................................................... 11

2.3.1. Zeolit ............................................................................................ 12 2.3.2. Logam Ni ..................................................................................... 14 2.3.3. Katalis Ni/Zeolit ........................................................................... 16

2.4 Perengkahan .......................................................................................... 19

x

2.5 Penelitian-Penelitian Terkait ................................................................... 23 3. METODE PENELITIAN ........................................................................... 26

3.1 Lokasi Penelitian .................................................................................. .. 26 3.2 Variabel Penelitian ................................................................................. 26

3.2.1. Variabel Bebas ............................................................................. 26 3.2.2. Variabel Terikat ........................................................................... 26 3.2.3. Variabel Terkendali .................................................................... 27

3.3 Rancangan Penelitian ............................................................................. 27 3.3.1 Alat dan Bahan ............................................................................ 27

3.3.1.1. Alat Penelitian ............................................................... 27 3.3.1.2. Bahan Penelitian ............................................................ 28

3.4 Prosedur Kerja Kerja .............................................................................. 28 3.4.1. Perlakuan Awal Zeolit Alam ............................................. 28 3.4.2. Aktivasi dengan Perlakuan HF, HCl, dan NH4Cl .............. 28 3.4.3. Sintesis sampel padatan Ni/Zeolit Alam ........................... 29 3.4.4. Kalsinasi, Oksidasi,dan Reduksi Katalis ........................... 29 3.4.5. Karakterisasi Katalis .......................................................... 30

3.4.5.1. Penentuan kristalinitas katalis ............................. 30 3.4.5.2. Keasaman padatan ............................................... 31 3.4.5.3. Penentuan kadar Ni dalam katalis ....................... 32 3.4.5.4. Penentuan Porositas Katalis ................................. 32

3.4.6. Preparasi Umpan Reaksi Perengkahan .............................. 34 3.4.7. Uji Aktivitas Katalis dalam Perengkahan Katalitik ........... 34

4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ......................................... 37

4.1 Hasil Penelitian ...................................................................................... 38 4.1.1 Preparasi Katalis ......................................................................... 38

4.1.1.1 Perlakuan Awal Zeolit Alam ............................................ 38 4.1.1.2 Aktivasi Zeolit Alam dengan HF, HCl, Dan NH4Cl ........ 38 4.1.1.3 Impregnasi Logam Ni dalam H-Zeolit Alam .................... 39 4.1.1.4 Kalsinasi, Oksidasi, dan Reduksi Katalis ......................... 40

4.1.2 Karakterisasi Katalis ................................................................... 41 4.1.2.1 Luas Permukaan Spesifik, Rerata Jejari Pori, dan Volume

Total Pori Katalis Ni/ZA .................................................. 41 4.1.2.2 Penentuan Jumlah Situs Asam Katalis Ni/ZA .................. 42 4.1.2.3 Distribusi Logam Ni dalam Katalis Ni/ZA ........................ 43 4.1.2.4 Pengaruh Pengembanan Logam Ni Terhadap Kristalinitas

Katalis Ni /ZA ................................................................... 43

xi

4.1.3.1 Preparasi Umpan Reaksi Perengkahan.................................................. 45 4.1.3.2 Uji Aktivitas Katalis dan Pengaruh Laju Alir Gas Hidrogen serta Jumlah

Logam Ni yang Diembankan pada Zeolit terhadap Reaksi Perengkahan Katalitik Minyak Sawit………………………………........................... 45

4.2 Pembahasan ............................................................................................ 50 4.2.1 Preparasi Katalis ......................................................................... 50

4.2.1.1 Perlakuan Awal Zeolit Alam ............................................ 50 4.2.1.2 Aktivasi Zeolit Alam Dengan HF, HCl, dan NH4Cl ........ 48 4.2.1.3 Impregnasi Logam Ni dalam H-Zeolit Alam .................... 52 4.2.1.4 Kalsinasi, Oksidasi, dan Reduksi Katalis ......................... 54

4.2.2 Karakterisasi Katalis ................................................................... 54 4.2.2.1 Luas Permukaan Spesifik, Rerata Jejari Pori, Dan Volume

Total Pori Katalis Ni/ZA ................................................... 54 4.2.2.2 Penentuan Jumlah Situs Asam Katalis Ni/ZA .................. 56 4.2.2.3 Distribusi Logam Ni dalam Katalis Ni /ZA ....................... 57 4.2.2.4 Pengaruh Pengembanan Logam Ni terhadap Kristalinitas

Katalis Ni/ZA .................................................................... 57 4.2.3 Uji Aktivitas Katalis ................................................................... 59

4.2.3.1 Preparasi Umpan Reaksi Perengkahan ............................. 59 4.2.3.2 Hubungn antara luas permukaan, rerata jejari pori, dan

volume pori dengan uji aktivitas…………………………...61 4.2.3.3 Hubungan antara persen Ni dengan uji aktivitas…………..64 4.2.3.4 Hubungan antara jumlah situs asam dengan uji aktivitas ...64 4.2.3.5 Hubungan antara laju alir gas hidrogen dengan uji aktivitas67 4.2.3.6 Hubungan karakteristik katalis dengan % fraksi kondensat

biogasoline……………………………………………………….69 4.2.3.7 Hasil GC dan GCMS………………………………………72

5. PENUTUP .................................................................................................... .. 75

5.1 Simpulan ................................................................................................ .. 75 5.2 Saran ...................................................................................................... .. 76

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. .. 77

LAMPIRAN ................................................................................................. .. 81

xii

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

2.1. Komposisi beberapa asam lemak dalam tiga jenis minyak sawit ............... 9

2.2. Harga work function beberapa logam transisi ............................................. 17

4.1. Hasil penentuan luas permukaan spesifik, rerata jejari pori, dan volume

total pori katalis menggunakan metode BET .............................................. 42

4.2. Hasil Penentuan Jumlah Situs Asam dalam Katalis Ni/ZA ......................... 42

4.3. Distribusi logam Ni dalam katalis Ni/ZA .................................................... 43

4.4. Data 2 theta, intensitas tiga puncak tertinggi, dan ukuran kristal dalam ZA, H-ZA dan Ni-1%/ZA .................................................................................. 42

4.5. Fraksi biogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit dengan katalis Ni/ZA dengan variasi laju alir gas hidrogen dan jumlah logam Ni yang diembankan pada zeolit ................................................................. 47

4.6. Fraksi biogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit pada laju alir 10 mL/menit .......................................................................................... 47



4.9. Fraksi biogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit dengan katalis Ni-1%/ZA ......................................................................................... 48

xiii



4.12. Hasil analisis GCMS biogasoline pada kondisi optimum secara kuantitatif ..................................................................................................... 48

4.13. Hasil analisis GCMS biogasoline pada kondisi optimum secara kuanlitatif……………………………………………………………….. 49

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

2.1. Situs Asam Bronsted dan Lewis dalam Zeolit..…………………………… 13

2.2. Struktur Zeolit Mordenit .............................................................................. .. 13

2.3. Mekanisme katalisis heterogen pada reaksi hidrogenasi ikatan rangkap pada alkena ........................................................................................................... .. 16

2.4. Jalur reaksi konversi trigliserida menjadi alkana......................................... .. 20

2.5. Reaksi hidrogenolisis ester .......................................................................... .. 20

2.6. Reaksi pembentukan ion karbonium dan radikal terstabilkan……………. 21

2.7. Interaksi reaktan dengan ion karbonium dan radikal pada permukaan katalis ........................................................................................................... 22

2.8. Tahap terminasi ........................................................................................... 23

3.1. Rangkaian reaktor perengkahan minyak sawit menjadi biogasoline .......... 37

4.1. Hasil impregnasi logam Ni pada Zeolit Alam ............................................. 39

4.2. Perbandingan warna antara ZA, H-ZA, Ni-0,5%/ZA, Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA, dan Ni-3%/ZA .......................................................................... 41

4.3. Perbandingan difraktogram ZA, H-ZA dan Ni-1%/ZA ............................... 44

4.4. Perbedaan Warna Minyak Goreng Sebelum dan Sesudah Hasil

Esterifkasi ................................................................................................... 45

4.5. Perbedaan antara kokas dan katalis awal ..................................................... 46

4.6. Reaksi Dealuminasi dalam Zeolit dengan Bantuan HCl ............................. 51

4.7. Perbandingan gliserol, minyak sawit, metil ester, dan sisa uji aktivitas.. 59

4.8. Reaksi esterifikasi minyak menggunakan basa KOH ................................. 60

xv

4.9. Hubungan luas permukaan dengan % fraksi pada laju alir gas hidrogen 10 mL/menit ................................................................................................ 62



4.12. Hubungan antara jumlah situs asam total, situs asam permukaan dan situs asam rungga pada katalis dengan % fraksi pada laju alir gas hidrogen

10 mL/menit ................................................................................................ 65

4.13. Hubungan antara jumlah situs asam total, situs asam permukaan dan situs asam rungga pada katalis dengan % fraksi pada laju alir gas hidrogen 20 mL/menit ............................................................................................... 66

4.14. Hubungan antara jumlah situs asam total, situs asam permukaan dan situs asam rungga pada katalis dengan % fraksi pada laju alir gas hidrogen 30 mL/menit ............................................................................................... 66

4.15. Hubungan antara laju alir dengan % fraksi biogasoline terkondensasi 68

4.16. Hubungan karakteristik katalis dengan % Fraksi kondensat Biogasoline pada laju alir gas hidrogen 10 mL/menit……………………………………... 69

4.17. Hubungan karakteristik katalis dengan % Fraksi kondensat Biogasoline pada laju alir gas hidrogen 20 mL/menit……………………………….…….. 70

4.18. Hubungan karakteristik katalis dengan % Fraksi kondensat Biogasoline pada

laju alir gas hidrogen 30 mL/menit……………………………………… 70 4.19. Ilustrasi ukuran pori katalis Ni-1%/ZA, Ni2%/ZA dan Ni-3%/ZA………. 72

4.20. Reaksi perengkahan trigliserida menjadi karbondioksida, alkana dan alkena……………………………………………………………………… 73

4.21. Reaksi perengkahan C15H32 menjadi etena, propena dan oktana………….. 74

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Halaman

1. Diagram Alir Prosedur Penelitian ............................................................ 81

2. Data dan Perhitungan Keasaman Katalis ................................................. 87

3. Hasil Analisis XRD ................................................................................... 90

4. Hasil Analisis BET ZA, H-ZA, Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA, dan Ni-3%/ZA .. 93

5. Perhitungan % Fraksi Produk Biogasoline ............................................... 94

6. Hasil Analisis GC Metil Ester Minyak Sawit ........................................... 96

7. Hasil Analisis GC Produk Biogasoline ..................................................... 98

8. Hasil Analisis GCMS ................................................................................ 116

9. Dokumentasi Penelitian ............................................................................ 117

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penggunaan bahan bakar yang semakin meningkat menyebabkan

persediaan minyak bumi di Indonesia, bahkan di dunia, mengalami penurunan

sehingga harga produk olahan dari minyak bumi terutama bensin juga

meningkat.Peningkatan harga bahan bakar bensin mencapai puncaknya pada

tahun 2008 yaitu mencapai sebesar Rp 10.000,00 per liter. Selain itu, konsumsi

bahan bakar dalam negeri menurut statistik juga meningkat sebesar 9,9% per

tahun. Peningkatan ini sangat tinggi bila dibandingkan dengan peningkatan rata-

rata yang terjadi di negara-negara Asia Tenggara yang hanya sebesar 4,2% per

tahun (Purwono et al., 2006). Dengan demikian, perlu adanya eksplorasi energi

terbarukan.

Disisi lain, Indonesia merupakan salah satu negara penghasil minyak sawit

terbesar di dunia disamping Malaysia dan Nigeria. Selama ini minyak sawit di

Indonesia digunakan sebagai minyak goreng dan sebagian diekspor ke luar

negeri.Selain itu, lahan untuk menanam kelapa sawit pun masih terbuka lebar.

Oleh karena itu, perlu dilakukan pemanfaatan minyak sawit sebagai bahan baku

untuk pembuatan biogasoline yang salah satu caranya adalah dengan

perengkahan katalitik. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Nurjannah et al.

(2010), perengkahan katalitik asam oleat dapat menghasilkan gasoline, kerosine,

dan diesel oil.Pada Tabel 2.1 ditampilkan komposisi asam lemak terbesar

2

penyusun minyak sawit adalah asam oleat dengan persentase 38% sampai

50%.Dengan demikian minyak sawit berpotensi untuk dikonversi secara katalitik

untuk menghasilkan biogasoline.

Perengkahan katalitik adalah suatu cara untuk memecah hidrokarbon

kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana dan dapat meningkatkan kualitas

dan kuantitas produk, serta menurunkan jumlah residu yang dihasilkan (Widayat,

2009). Dalam penelitian ini, umpan yang berupa minyak sawit yang sudah

diesterkan (metyl ester palm oil/MEPO) direngkah menjadi produk-produk

minyak yang lebih ringan dengan adanya hidrogen dan bantuan katalis pada

temperatur tinggi.

Katalis yang sering digunakan dalam perengkahan merupakan katalis

heterogen karena dalam prosesnya katalis ini lebih menguntungkan. Selain lebih

stabil dalam temperatur tinggi, katalis heterogen juga lebih mudah dalam

pemisahan dan pengambilan kembali dari produk. Pada umumnya, katalis

heterogen terdiri atas material aktif dan bahan penyangga (metal-supported

catalyst), misalnya logam aktif yang diembankan pada zeolit. Menurut Liu et

al.(2006), selain sebagai pengemban, zeolit di dalam sistem metal-supported

catalyst juga mempunyai aktivitas katalitik yang tinggi, menyebabkan katalis

tidak mudah menggumpal, mempunyai porositas yang luas, serta stabil terhadap

temperatur tinggi. Selain itu, keberadaan zeolit di Indonesia cukup melimpah dan

relatif murah. Oleh karena itu, penggunaan zeolit sebagai pengemban katalis dapat

menurunkan biaya produksi.

3

Porositas katalis sangat berpengaruh pada aktivitas katalis.Untuk

mendapatkan hasil sesuai dengan yang diharapkan, perlu adaya kesesuaian antara

katalis dan umpan.Ni/zeolit merupakan salah satu katalis dengan sistem metal-

supported catalyst yang bersifat porous.Menurut penelitian yang telah dilakukan

oleh Farouq (2003), katalis dengan pori pada daerah mesopori dengan rasio Si/Al

dan luas permukaan yang tinggi akan sangat efektif dalam reaksi pemutusan rantai

karbon yang panjang dalam minyak sawit untuk menghasilkan senyawa bahan

bakar fraksi diesel bahkan hingga fraksi gasoline. Berdasarkan penelitian yang

dilakukan oleh Sutarno et al (2003) jika rasio Si/Al pada suatu padatan semakin

tinggi maka luas permukaan padatan akan semakin besar dan ukuran porinya

semakin kecil. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Witantoet al., (2010),

jejari pori zeolit alam teraktivasi 91,2 A dengan volume total jejari pori 1,2

cc/gram, dan luas permukaan 26 m2/gram. Rodiansono (2009) mengatakan bahwa

untuk Ni/Zeolit dengan zeolit yang sama (berasal dari PT Primazeolita,

Yogyakarta) mempunyai luas permukaan 27,23 m2/gram, rerata jejari pori 15,22

A, dan volume jejari pori 0,1799 cc/gram.dengan demikian pori katalis dengan

pengemban zeolit alam yang berasal dari PT Primazeolita sesuai dengan

penelitian Farouq (2003), karena pori katalis yang dibentuk berada pada daerah

mesopori, sehingga dapat digunakan untuk reaksi perengkahan minyak sawit

menjadi biogasoline.

Sifat lain yang penting dalam perengkahan adalah jumlah situs asam total.

Keasaman zeolit dapat ditingkatkan dengan mengembankan logam-logam transisi

yang memiliki orbital d belum terisi penuh seperti logam Ni. Menurut Triyono

4

(2002), adanya orbital dyang belum terisi penuh dalam logam Ni dapat

meningkatkan daya adsorpsi logam terhadap reaktan. Selain itu, penggunaaan

katalis Ni memberikan keuntungan yaitu gas-gas hasil reaksi (C5 dan dry gas)

tidak teradsorpsi oleh lapisan nikel, sehingga reaksi tidak terhambat (Campbell,

1998 dalam Purwono et al., 2006).

Kadar Ni sangat menentukan jumlah situs aktif yang dimiliki oleh

katalis.Kadar total logam yang diembankan dalam zeolit dalam proses

perengkahan secara umum adalah 1% (Trisunaryanti et al., 2005), karena jika

logam yang diembankan terlalu sedikit atau terlalu banyak maka distribusi logam

pada zeolit akan berpengaruh pada struktur katalis. Adanya perubahan struktur ini

tentu saja akan mempengaruhi jumlah situs aktif katalis.Pengembanan logam Ni

yangterlalu banyak memungkinkan terjadinya penggumpalan sehingga akan

terbentuk agregat begitu pula sebaliknya jika logam Ni yang diembankan terlalu

sedikit maka logam Ni tidak akan mencukupi untuk menempel pada zeolit,

sehingga letak antarlogam Ni menjadi sangat jarang. Terbentuknya agregat dan

distribusi logam yang tidak merata tentunya akan mempengaruhi jumlah situs

aktif dari katalis yang terbentuk sehingga akan berpengaruh pada

produkbiogasoline yang akan dihasilkan. Trisunaryanti et al., (2005) melaporkan

bahwa semakin banyak jumlah logam Ni dalam katalis Ni-Mo/zeolit akan

menyebabkan penurunan keasaman, meskipun masih lebih tinggi daripada

keasaman zeolit alam sebelum penambahan Ni. Oleh karena itu, adanya variasi

kadar Ni bertujuan untuk mengetahui jumlah Ni pada zeolit yang dapat

memberikan karakter dan aktivitas terbaik.

5

Jenis gas yang digunakan dalam uji aktivitas katalis juga sangat

berpengaruh terhadap produkbiogasoline yang dihasilkan karena setiap gas

mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Hal ini didukung dengan hasil penelitian

Handoko(2002, 2006) yang melaporkan bahwa proses konversi katalitik metil

ester jelantah dengan katalis Ni/zeolit menggunakan nitrogen sebagai gas

pembawa ternyata hanya menghasilkan senyawa fraksi gasoline 27,5 % dan

senyawa fraksi solar 36,08 %. Hasil yang telah dicapai tersebut perlu dievaluasi

mengenai gas pembawa yaitu nitrogen yang bersifat inert.Dalam penelitian ini,

gas hidrogen digunakan sebagai gas pembawa sekaligus berfungsi sebagai

reaktan.Didukung oleh hasil penelitian yang dilakukan oleh Liu et al., (2006)

bahwa dengan melibatkan gas hidrogen pada pembuatan Fluid Catalytic Cracking

(FCC) gasoline menggunakan katalis Ni-Mo/USY mampu meningkatkan konversi

dari 22,3% olefin menjadi 62,1% olefin.

Pengaruh laju alir gas hidrogen terhadap konversi biogasoline dipelajari

dengan menvariasikan laju alir gas hidrogen, yaitu 10, 20, dan 30 mL/menit

dengan rasio umpan dan katalis serta suhu tetap.Pengaruh laju alir gas hidrogen

ini diamati untuk setiap produk yang dihasilkan dalam waktu 60 menit.Penelitian

tentang pengaruh laju alir gas hidrogen sebelumnya telah dipelajari oleh

Kadarwati et al., (2010) yang menyatakan bahwa variasi laju alir gas hidrogen

berhubungan terhadap konversi produk (%) yang dihasilkan. Hal ini dijelaskan

bahwa untuk terjadi reaksi diperlukan tumbukan dengan energi tertentu agar

reaktan teradsorpsi dengan sempurna. Pada laju alir gas hidrogen lambat interaksi

reaktan dengan permukaan katalis relatif lama karena dengan laju alir gas

6

hidrogen lambat, interaksi reaktan dengan permukaan katalis tidak terganggu oleh

kecepatan aliran dari gas tersebut. Interaksi antara reaktan dan permukaan katalis

yang relatif lama menyebabkan molekul reaktan teradsorpsi kuat, sehingga

aktivitas katalis menjadi lebih maksimal dalam proses reaksi tersebut.

Berdasarkan uraian di atas, maka penelitian yang mengarah pada

pembuatan bahan bakarbiogasoline (bio-bensin) dengan katalis Ni/ZA dengan

variasi kadar logam Ni dan laju gas hidrogen saat proses hidrocracking terjadi

menjadi sangat penting. Biogasoline mempunyai sifat murah, biodegradable,

renewable, ramah lingkungan, tidak (banyak) menghasilkan polutan seperti SOx,

NOx, Pb, jelaga, dan lain-lain.

1.2 Permasalahan

Berdasarkan hal-hal yang diungkapkan tersebut, maka dapat dirumuskan

permasalahan sebagai berikut:

a. Berapakah kadar Ni total yang dapat diembankan pada zeolit alam yang

menghasilkan aktivitas katalitik terbaik untuk perengkahan minyak sawit

menjadibiogasoline?

b. Bagaimanakah karakteristik katalis Ni/zeolit alam yang telah dipreparasi yang

meliputi kristalinitas, luas permukaan pori, volume pori, rerata jejari pori,

keasaman total, dan kandungan logam Ni yang terdapat pada katalis Ni/Zeolit

Alam?

c. Berapakah persentase fraksi biogasoline yang dihasilkan dari perengkahan

katalitik minyak sawit dengan laju alir gas hidrogen 10 mL/menit, 20

7

mL/menit, dan 30 mL/menit dengan katalis Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA, dan Ni-

3%/ZA?

d. Senyawa apa saja yang diduga terdapat dalam biogasoline yang diperoleh dari

hasil penelitian padakondisi optimum?

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

a. Mengetahui kadar total Ni yang dapat diembankan dalam zeolit sebagai katalis

Ni/zeolit alam yang dapat menghasilkan aktivitas katalitik terbaik untuk

perengkahan minyak sawit menjadibiogasoline.

b. Mengetahui karakteristik Ni/zeolit alam yang telah dipreparasi.

c. Mengetahui persentase fraksi biogasoline yang dihasilkan dari perengkahan

katalitik minyak sawit dengan laju alir gas 10 mL/menit, 20 mL/menit, dan 30

mL/menit dengan katalis Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA, dan Ni-3%/ZA.

d. Mengetahui senyawa apa saja yang diduga terdapat dalam biogasoline yang

telah diperoleh pada kondisi optimum.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dalam penelitian ini adalah :

a. Memberikan informasi tentang kadar total Ni yang dapat diembankan dalam

zeolit sebagai katalis Ni/zeolit alam yang dapat menghasilkan aktivitas katalitik

terbaik untuk perengkahan minyak sawit menjadibiogasoline.

8

b. Memberikan informasi tentangkarakteristik Ni/zeolit alam yang telah

dipreparasi.

c. Memberikan informasi tentang persentase fraksi biogasoline yang dihasilkan

dari perengkahan katalitik minyak sawit dengan laju alir gas 10 mL/menit, 20

mL/menit, dan 30 mL/menit dengan katalis Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA, dan Ni-

3%/ZA.

d. Memberikan informasi tentangsenyawa apa saja yang diduga terdapat dalam

biogasoline yang telah diperoleh pada kondisi optimum.

9

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Minyak Sawit dan MEPO

Minyak sawit adalah minyak yang dihasilkan dari buah kelapa sawit.

Seperti jenis minyak yang lain, minyak sawit tersusun atas unsur C, H, dan O.

Minyak sawit ini terdiri atas fraksi padat dan cair dengan perbandingan yang

seimbang. Penyusun fraksi padat terdiri atas asam lemak jenuh, antara lain asam

miristat (1%), asam palmitat (45%), dan asam stearat (4%), sedangkan fraksi cair

mengandung asam lemak tak jenuh yang terdiri atas asam oleat (39%) dan asam

linoleat (11%). Komposisi tersebut ternyata agak berbeda jika dibandingkan

dengan minyak inti sawit dan minyak kelapa.Secara lebih terinci, komposisi asam

lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh yang terdapat dalam ketiga jenis minyak

nabati tersebut disajikan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Komposisi beberapa asam lemak dalam tiga jenis minyak nabati

Asam lemak Jumlah atom C

Minyak sawit (%)

Minyak inti sawit (%)

Minyak kelapa (%)

Asam lemak jenuh Oktanoat 8 - 2-4 8 Dekanoat 10 - 3-7 7 Laurat 12 1 41-55 48 Miristat 14 1-2 14-19 17 Palmitat 16 32-47 6-10 9 Stearat 18 4-10 1-4 2

Asam lemak tidak jenuh Oleat 18 38-50 10-20 6 Linoleat 18 5-14 1-5 3 Linolenat 18 1 1-5 -

Sumber: Tim Penulis PS (2000)

10

Berdasarkan Tabel 2.1 minyak sawit memiliki persentase asam palmitat

dan asam oleat terbesar dibandingkan minyak inti sawit dan minyak kelapa

sehingga jika dilakukan proses cracking menjadi biogasolineakan lebih

mengutungkan karena akan diperoleh produk yang lebih banyak. Hal ini mengacu

pada penelitian yang dilakukan oleh Wijanarko et al., (2006) yang meneliti

tentang produksi biogasoline dari minyak sawit melalui perengkahan katalitik

dengan katalis γ-alumina. Jika dianalogikan dengan proses pengilangan minyak

bumi, minyak sawit dapat menghasilkan produk-produk turunan yang setara

dengan hasil pengolahan minyak bumi seperti minyak solar, minyak tanah,

maupun bensin.

Minyak sawit sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah minyak

sawit dengan fraksi cair, kemudian diolah menjadi metil esterterlebih

dahulu.Caranya adalah dengan mereaksikan minyak sawit dengan metanol dan

KOH.Minyak sawit dipilih dalam penelitian ini karena minyak sawit mempunyai

rantai atom karbon yang lebih panjang dibandingkan minyak kelapa dan minyak

inti sawit,terutama pada bagian asam lemak jenuhnya sebagaimana yang

ditunjukkan pada Tabel 2.1.Jika yang dipilih minyak yang lebih banyak

mengandung asam lemak tak jenuh, maka akan diperlukan gas hidrogen lebih

banyak karena ikatan rangkap pada asam lemak tak jenuh lebih reaktif

dibandingkan dengan ikatan tunggal pada asam lemak jenuh.

11

2.2 Biogasolin (bio-bensin)

Gasolin atau yang sering kita sebut bensin sangat penting, terutama di

zaman modern dengan mobilitas manusia yang sangat tinggi. Pentingnya bensin

bagi perekonomian suatu negara sama seperti fungsi darah bagi tubuh manusia.

Tanpa bensin (tanpa energi), dunia yang kita ketahui sekarang seperti berhenti

berdenyut.Biogasolin (bio-bensin) merupakan jenis gasolin (bensin) yang terbuat

dari sumber daya alam yang dapat diperbaharui.Salah satu sumber daya alam yang

dimaksud disini adalah minyak sawit.

Fraksi bensin tersusun atas hidrokarbon rantai lurus dengan rumus kimia

CnH2n+2, mulai dari C5 sampai dengan C11.Di Indonesia terdapat beberapa bahan

bakar jenis bensin yang mempunyai nilai mutu pembakaran berbeda.Nilai mutu

jenis BBM bensin ditentukan berdasarkan nilai RON (research octane number).

Premium mempunyai nilai RON sebesar 88, pertamax sebesar 92, dan pertamax

plus sebesar 95 (Prihandana et al., 2007). Jenis biogasolin yang dimaksud di sini

adalah jenis premium dengan proses konversi, yaitu proses untuk mengubah

ukuran dan struktur senyawa hidrokarbon. Salah satu caranya adalah dengan cara

perengkahan termal dan terkatalisis (thermal and catalytic cracking).

2.3 Katalis

Di dalam suatu proses produksi, selalu dikehendaki untuk memperoleh

hasil yang sebanyak-banyaknya dalam waktu yang sesingkat-singkatnya untuk

menekan biaya produksi. Hal ini dapat dicapai salah satunya adalah dengan

12

menggunakan katalis. Katalis sendiri dikelompokkan menjadi dua yaitu katalis

homogen dan heterogen.

Di dalam sistem katalis homogen, reaktan dan katalis terdistribusi secara

homogen di dalam medium reaksi sehingga laju reaksi dapat dinyatakan langsung

sebagai fungsi dari konsentrasi. Di dalam proses reaksi heterogen, reaktan-reaktan

sistem reaksi tidak berada di dalam fasa yang sama (padat-cair, padat-gas, cair-

gas, atau padat-cair-gas) sehingga tidak terjadi distribusi katalis, yang biasanya

berfasa padat, secara baik di dalam medium reaksi yang berfasa fluida. Namun,

mayoritas katalis yang digunakan berfasa padat untuk reaktan atau umpan berfasa

cair atau gas. Karena untuk terjadinya efek katalisis harus terjadi kontak antara

katalis dan reaktan maka katalis heterogen juga dapat disebut sebagai katalis

kontak (Triyono, 2002).

Katalis yang digunakan pada penelitian ini merupakan katalis heterogen

karena mempunyai fasa padat sedangkan umpannya berfasa gas. Katalis ini dibuat

dengan mengembankan logam Ni pada zeolit. Keuntungan dari katalis ini adalah

memiliki aktivitas katalis yang tinggi, harga relatif murah, tahan terhadap

temperatur tinggi, serta mudah dalam pemisahannya dari produk.

2.3.1 Zeolit

Zeolit ditemukan oleh seorang ahli mineral dari Swedia yang bernama

Baron Axel Frederick Crontedt pada tahun 1756. Mineral zeolit berbentuk kristal

yang terdapat di dalam rongga batuan basalt. Zeolit berasal dari kata zein dan

lithos yang berarti batu api atau boiling stone. Zeolit merupakan kelompok

13

mineral alumina silikat terhidrasi yang secara umum memiliki rumus empiris

Mx.Dy.(Alx+2y.Six+2y.O2n).mH2O, dengan notasi M dan D adalah K, Na, atau kation

monovalen lainnya serta kation divalen, x dan y adalah bilangan tertentu, n adalah

muatan dari ion logam, dan m merupakan jumlah molekul air kristal yang selalu

berubah-ubah. Zeolit merupakan mineral yang bermuatan negatifyang dapat

dinetralkan oleh logam-logam alkali atau alkali tanah seperti Na+, K+, Ca2+, dan

Mg2+. Kation-kation ini akan menduduki kisi-kisi permukaan di dalam struktur

zeolit yang dapat dipertukarkan (Susanti dan Panjaitan, 2010). Zeolit

mempunyaiukuran pori antara 2 sampai 8 Angstrom bergantung pada jenis

mineralnya.

Kemampuan zeolit sebagai katalis berkaitan dengan tersedianya pusat-

pusat aktif dalam saluran antarzeolit. Pusat-pusat aktif tersebut terbentuk karena

adanya gugus fungsi asam tipe Bronsted maupun Lewis. Situs asam Bronsted dan

Lewis ditunjukkan pada Gambar 2.1,sedangkan struktur zeolit modernit

ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Situs asam Bronsted Situs asam Lewis

Gambar 2.1. Situs Asam Bronsted dan Lewis dalam Zeolit (Handokoet al., 2009)

Gambar 2.2. Struktur Zeolit Mordenit (Handokoet al., 2009)

OSi

OOAlSi

O (‐) O AlSi

O (‐)H + H+

OAlSi

O * OSi

OAlSi

O (‐)(+)

14

Menurut penelitian yang dilakukan oleh Wijanarko et al., (2006), dengan

adanya keasaman Bronsted dan Lewis zeolit mampu merengkah minyak kelapa

sawit menjadi fraksi biogasoline. Situs asam Bronsted berperan untuk merengkah

ikatan rangkap (asam oleat) sedangkan situs asam Lewis berperan untuk

merengkah ikatan tunggal (asam palmitat) pada struktur trigliserida pada minyak

sawit tersebut. Perbandingan kedua jenis asam ini tergantung pada proses aktivasi

zeolit dan kondisi reaksi. Pusat-pusat aktif yang bersifat asam ini selanjutnya

dapat mengikat molekul-molekul basa secara kimiawi.

2.3.2 Logam Ni

Dalam prosespenyediaan sumber energi, baik berupa bahan bakar fosil

maupunyang berasal dari bahan baku terbarukan biasanya memerlukan beberapa

tahapan proses agar bahan bakar yang diperoleh memiliki karakteristik tertentu

yang memenuhi sifat yang diperlukan. Logam-logam seperti platina, nikel,

molibdenum, dan palladium merupakan jenis katalis yang sering digunakan untuk

reaksi hidrogenasi. Namun karena harga platina dan paladium yang sangat mahal,

maka menggunakan nikel akan lebih menguntungkan (Hart, 2004 dalam

Mulyaningsih, 2012) karena prosescrackingmembutuhkan metode yang dapat

menekan biaya produksi serta menghasilkan produk yang sebanyak-banyaknya.

Logam Ni sudah digunakan secara luas dalam industri petroleum. Selain

harganya relatif terjangkau, logam ini memiliki daya adsorpsi terhadap reaktan

yang kuat, tetapi tidak mengadsorpsi produk C5 dan dry gas.Katalis nikel mampu

mengadsorpsi gas hidrogen pada permukaannya saja dan mengaktifkan ikatan

15

hidrogen-hidrogennya, sehingga gas hidrogen menjadi lebih mudah bereaksi.

Semakin luas permukaan logam katalis, maka akan semakin banyak gas hidrogen

yang diserap (Gambar 2.3). Demikian pula dengan semakin besar luas permukaan,

maka kontak yang terjadi antara zat-zat yang bereaksi juga bertambah banyak,

sehingga kecepatan reaksi juga bertambah besar pula (Hart, 2004 dalam

Mulyaningsih, 2012).

Sifat logam juga ditentukan oleh elektron-elektron yang mengisi orbital d

yang kosong ini.Logam Ni dengan nomor atom 28 memiliki konfigurasi elektron

[18Ar] 3d8 4s2. Konfigurasi elektronik tersebut menunjukkan bahwa Ni memiliki

orbital atom 3d yang belum penuh. Adanya orbital d yang belum terisi penuh

mengakibatkan logam Ni memiliki sifat katalitik aktif serta daya adsorpsi yang

kuat terhadap reaktan. Nikel merupakan logam transisi yang bersifat keras dan

ulet, mudah ditempa, sedikit ferromagnetis dan memiliki jari-jari atom 135 pm,

serta unit sel nikel adalah kubus berpusat muka dengan parameter kisi 0,352 nm.

16

Gambar 2.3. Mekanisme katalisis heterogen pada reaksi hidrogenasi ikatan rangkap pada alkena (Rifan, 2008)

2.3.3 Katalis Ni/zeolit

Umumnya, logam transisi diembankan pada padatan yang memiliki luas

permukaan besar untuk menjamin meratanya distribusi logam sehingga

mengefektifkan terjadinya interaksi logam katalis dan gas pada saat proses

katalisis terjadi. Dari beberapa logam yang ada, logam nikel adalah salah satu

logam yang secara ekonomis menguntungkan bagi dunia industri yang

menggunakan proses hydrocracking karena harganya yang relatif murah

Molekul terlepas dari permukaan katalis

Menyediakan ruang pada permukaan katalis untuk adsorbsi selanjutnya

Salah satu ujung molekul lepas dari permukaan katalis

Molekul hidrogen yang lain juga teradsorbsi dan putus menjadi atom

Atom hidrogen membentuk

sebuah ikatan dengan karbon

Molekul alkena teradsorbsi pada permukaan nikel nikel

Molekul hidrogen teradsorbsi dan putus menjadi

17

dibandingkan logam lain seperti Pt dan Cu. Selain itu, logam nikel juga

mempunyai harga work functionnomor 2 setelah Pt, sehingga harga work function

dari Ni lebih besar daripada Cu, Pd, dan logam-logam transisi lain. Tabel 2.2

berikut menunjukkan harga work functionbeberapa logam transisi.

Tabel 2.2. Harga work function beberapa logam transisi Unsur Work function (kJ/mol)

Pt 519 Ni 485 Pd 481 Fe 452 Rh 448 Ag 435 W 435 Cu 431 Co - Ru - Re - Os - Ir -

Au -

Katalis teremban logam dapat dibuat dengan proses presipitasi logam pada

pengemban berpori dari suatu larutan garam logam, dilanjutkan dengan kalsinasi

dengan pengaliran gas nitrogen, oksidasi dengan pengaliran gas oksigen,

sertareduksi dengan adanya hidrogen. Proses kalsinasi, oksidasi, dan reduksi

dilakukan untuk menghasilkan interaksi yang kuat antara logam dan pengemban

(Schwarz, 1995). Rangkaian proses tersebut akan menyebabkan distribusi logam

katalis yang merata pada permukaan pengemban. Selain itu, proses kalsinasi,

oksidasi, dan reduksi mempengaruhi dispersi logam dalam pengemban.

Preparasi logam pada pengemban dan sifat dasar pengemban dapat

mempengaruhi struktur fisik dan sifat kimia deposit metal (Le Page, 1987). Bijang

18

et al.,(2002) mengungkapkan bahwa perubahan yang signifikan terhadap sifat

katalitik suatu logam dapat terjadi dengan variasi komposisi pengemban dari

preparasi pengembanan logam yang berbeda. Oleh karena itu pada penelitian ini

dilakukan variasi kadar logam Ni yang diembankan pada zeolit, sehingga sifat

dari masing-masing katalis yang diperoleh menjadi berbeda-beda.

Salah satu penelitian dengan katalis Ni/zeolit yang telah dilakukan adalah

penelitian Handoko, et al., (2009) mengatakan bahwa pada umumnya penggunaan

zeolit sebagai katalis untuk mengarahkan terjadinya reaksi perengkahan

(cracking) dan pengguanaan katalis sistem logam pengemban (Ni/zeolit) dalam

penelitian tersebut dimaksudkan untuk mengarahkan dua macam reaksi, yaitu

reaksi adisi dan perengkahan. Penggunaan logam aktif seperti Ni tersebut

didasarkan pada keberadaan orbital d yang belum terisi penuh elektron sehingga

orbital d dan orbital s yang berdekatan akan mengalami degenerasi sehingga

berada dalam tingkat energi yang sama. Pada keadaan degenerasi maka orbital

elektron tersebut akan memiliki probabilitas yang lebih tinggi dalam menyediakan

situs asam Lewis, dimana situs tersebut merupakan bagian penting yang mampu

mengadsorpsi umpan pada permukaan katalis logam. Sementara digunakan zeolit

sebagai pengemban logam aktif didasarkan pada kerangka yang dimilikinya dan

keberadaan situs Bronsted. Pada penelitian tersebut katalis Ni/Zeolit digunakan

untuk hidrogenasi katalitik 1-oktadekena. Bijang, et al., (2002) mengemukakan

bahwa kadar Ni yang diembankan pada zeolit Y berpengaruh pada selektivitas

katalis dalam mengkonversi minyak bumi menjadi bensin. Hal ini dibuktikan

dengan kinerja katalis NiY-2,8 relatif lebih efisien dibandingkan katalis NiY-2,1

19

dan katalis NiY-3, yang terlihat pada perolehan selektivitas terhadap fraksi solar

yang lebih rendah dan selektivitas terhadap fraksi bensin yang lebih tinggi.

Penelitian serupa dilakukan oleh Li et al., dalam Fatimah (2002) dengan

melakukan preparasi pengembanan nikel pada Ultra Stable Y (USY) dan

menggunakannya pada reaksi hidrodesulfurisasi dibenzotiofen. Aktivitas yang

meningkat diperoleh dari pengembanan nikel pada USY.

2.4 Perengkahan

Menurut Gates (1991) mekanisme perengkahan senyawa rantai panjang

seperti alkana pada permukaan katalis asam berlangsung melalui mekanisme

pembentukan ion karbonium, sedangkan reaksi perengkahan tanpa menggunakan

katalis akan melalui mekanisme pembentukan radikal bebas. Perengkahan

(cracking) adalah proses pemecahan molekul-molekul hidrokarbon besar menjadi

molekul-molekul yang lebih kecil (rantai karbon lebih pendek) dengan

pemanasan. Istilah ini terutama diterapkan pada fraksi minyak tanah yang

diperoleh dalam kilang minyak bumi untuk menghasilkan hidrokarbon yang lebih

pendek dan alkena (Parlan dan Wahyudi, 2003 dalam Mulyaningsih, 2012).

Sebagai contoh adalah perengkahan trigliserida menjadi alkana seperti yang


20

Gambar 2.4. Jalur reaksi konversi trigliserida menjadi alkana (Hubberet al.,2007)

Gugus asam karboksilat memiliki sifat inert (lamban) terhadap

kebanyakan zat pereduksi seperti hidrogen dan katalis. Kelambanan ini dapat

direaktifkan dengan mengubah asam karboksilat menjadi ester dan kemudian ester

tersebut dapat direduksi menjadi alkohol (Fessenden dan Fessenden, 1999).

Alkohol dan senyawa asam organik akan mengalami reaksi esterifiksi. Ester dapat

pula direduksi melalui reaksi hidrogenasi katalitik, suatu reaksi yang kadang-

kadang disebut hidrogenolisis ester, menghasilkan sepasang alkohol (sekurangnya

satu adalah alkohol primer) (Fessenden dan Fessenden, 1999). Di bawah ini

dijelaskan reaksi hidrogenolisis ester sesuai Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Reaksi hidrogenolisis ester (Fessenden dan Fessenden, 1999)

Berikut adalah penjelasan tentang proses pemutusan rantai panjang

hidrokarbon pada minyak kelapa sawit menjadi hidrokarbon rantai pendek.

Alkohol primer yang diperoleh dari reaksi higrogenolisis yang ditunjukkan pada

R CO

CH2

CH

2HCO

CR

O

OO

CC

C

O

R

R' HCCH2 3 + H2OH2

H33 R' 3CH +CO + O2H

R' HC 3 + CO2katalis

CH3 CH2 CH3

H2

(propana)katalis

RC OR

O

RCH2OH + HOR'katalis + H2

Alkohol LainAlkohol Primer

21

Gambar 5 akan bereaksi dengan katalis Ni/zeolit. Proses ini akan membentuk ion

karbonium sebagaimana yang disajikan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Reaksi pembentukan ion karbonium dan radikal terstabilkan (Handokoet al., 2009)

Tahap berikutnya adalah penyerangan ion karbonium dan radikal terhadap

molekul reaktan yang berupa metil ester minyak sawit. Dalam tahap ini terjadi

kontak atau interaksi antara molekul reaktan dan permukaan katalis sehingga

terjadi reaksi perengkahan metil ester minyak sawit menjadi molekul hidrokarbon

yang lebih pendek. Selain itu, pada tahap ini akan terbentuk radikal dan ion

karbonium baru yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.

R CH2 OH R CH2 OH

Al SiO

Al SiO

Al SiO

:O: :O::O::O::O::O::O: :O::O::O::O: :O:

O..

........

..

......

..

.... O OO

Ni2+ H+

R CH..

Al SiO

Al SiO

Al SiO

:O: :O::O::O::O::O::O: :O::O::O::O: :O:

O..

........

..

......

..

.... O OO

Ni2+R CH2

+

22

Gambar 2.7. Interaksi reaktan dengan ion karbonium dan radikal pada permukaan katalis (Handokoet al., 2009)

Setelah terjadi reaksi perengkahan maka reaktan dan katalis akan

mengalami tahap terminasi. Tahap terminasi terjadi apabila terjadi penggabungan

radikal terstabilkan (pada situs asam Lewis) dan terjadi pembentukan ikatan

rangkap (pada situs asam Bronsted) yang ditunjukkan pada Gambar 2.8.

R CH3

R CH3

OR CH2 CH2 (CH2)n C

O CH3 OH CH2 CH2 (CH2)n C

O CH3R CH..

Al SiO

Al SiO

Al SiO

:O: :O::O::O::O::O::O: :O::O::O::O: :O:

O..

........

..

......

..

.... O OO

Ni2+R CH2

+

.CH2 R.

CH2 CH2 (CH2)n C+

O

O CH3

C (CH2)n CH2O

CH3 O

Al SiO

Al SiO

Al SiO

:O: :O::O::O::O::O::O: :O::O::O::O: :O:

O..

........

..

......

..

.... O OO

Ni2+

23

Gambar 2.8. Tahap terminasi (Handokoet al., 2009)

2.4 Penelitian–Penelitian Terkait

Hingga saat ini minyak sawit dan minyak jarak menjadi perhatian utama

bagi para peneliti dalam menghasilkan biodiesel, akan tetapi sebaliknya tidak

banyak peneliti yang melakukan penelitian untuk mendapatkan biogasoline.

Pengembangan penelitian di Indonesia untuk mendapatkan biogasoline relatif

belum mendapatkan perhatian dari para peneliti.Mengingat jumlah kendaraan

yang berbahan bakar gasoline (bensin) cukup banyak sehingga sangat perlu untuk

dilakukan penelitian untuk mendapat biogasoline.

Sang (2004) dalam Nurjannah et al., 2010menjelaskan bahwa konversi

katalitik minyak sawit menggunakan katalis komposit zeolit mikro-meso

.CH2 R.C (CH2)n CH2

O

CH3 O

H

CH2 CH (CH2)n C+

O

O CH3

Al SiO

Al SiO

Al SiO

:O: :O::O::O::O::O::O: :O::O::O::O: :O:

O..

........

..

......

..

.... O OO

Ni2+

Al SiO

Al SiO

Al SiO

:O: :O::O::O::O::O::O: :O::O::O::O: :O:

O..

........

..

......

..

.... O OO

R CH2 CH2 (CH2)n CO

O CH3CH2 CH2 (CH2)n C

O

O CH3

Ni2+

H+

24

poridalam reaktor sistem fixed bed yang dioperasikan pada temperatur 450 oC

menghasilkan produk gasoline 48 % (w/w) dari 99 % berat minyak sawit

terkonversi.

Handoko et al., (2006) menjelaskan bahwa reaksi katalitik jelantah dengan

katalis Ni/H5-NZA dan reaktor sistem flow fixed-bed dihasilkan senyawa fraksi

bahan bakar cair dalam rentang fraksi bahan bakar solar dan bensin (gasoline).

Katalis Ni-1/H5-NZA menunjukkan selektivitas yang tinggi dalam menghasilkan

jenis produk senyawa fraksi bahan bakar cair dengan persentase yang tinggi.

Farouq et al. (2003) melaporkan HZMS-5, zeolit β, dan USY merupakan

katalis yang digunakan pada proses perengkahan. Dari ketiga katalis tersebut

HZMS-5 yang menghasilkan konversi dan yield produk yang terbesar. Konversi

katalitik minyak sawit menjadi berbagai jenis hidrokarbon dimana pada suhu

350oC dengan katalis HZSM-5, konversi yang dihasilkan 99% yield gasoline

28,3% dan pada kondisi yang sama untuk katalis zeolit β konversinya 82% yield

gasoline 22%, katalis USY konversi yang diperoleh 53% dan yield gasoline 7,3%.

Setiadi dan Fitria (2006) telah melakukan sintesis hidrokarbon fraksi

bensin dari minyak sawit menggunakan katalis B2O3/Zeolit. Pada uji aktivitas

katalis diperoleh temperatur optimum untuk reaksi perengkahan katalitik minyak

kelapa sawit adalah 450oC dengan yield bensin sebesar 52,5 %.

Wijanarko et al. (2006) menjelaskan bahwa perengkahan minyak sawit

dapat menghasilkan produk-produk turunan yang setara dengan hasil pengolahan

minyak bumi, seperti kerosene, solar, maupun gasoline. Dalam unit pengolahan

minyak bumi aromatik (aromatic crude oil) seperti arabian heavy oil, bensin

25

dihasilkan dari reaksi perengkahan katalitik menggunakan katalis asam γ-alumina.

Katalis γ-alumina yang memiliki keasaman Bronsted dan Lewis diharapkan

mampu merengkah minyak kelapa sawit menjadi bensin.Inti asam Bronsted

berperan untuk merengkah ikatan rangkap (asam oleat) sedangkan inti asam

Lewis berperan untuk merengkah ikatan tunggal (asam palmitat) pada struktur

trigliesrida minyak kelapa sawit.

Murdijanto et al., (2010) menjelaskan bahwa reaksi hidrocracking minyak

nabati dengan katalis Ni/Al2O3 menjadi biodiesel menghasilkan produk yang lebih

ramah lingkungan karena menghasilkan emisi gas buang yang jauh lebih baik

dibandingkan dengan diesel/solar, yaitu bebas sulfur, bilangan asap (smoke

number) yang rendah, memiliki angka setana yang tinggi, pembakaran lebih

sempurna, memiliki sifat pelumasan terhadap piston mesin dan dapat terurai

(biodegradable) sehingga tidak beracun.

Berdasarkan beberapa hasil penelitian diatas maka pada penelitian ini

digunakan minyak sawit sebagai umpan yang diuapkan pada temperatur 350oC

karena kandungan asam lemak yang tinggi seperti asam oleat, sehingga

memungkinkan untuk direngkah menjadi fraksi biogasoline dengan katalis

Ni/Zeolit yang dioperasikan pada suhu 450oC dengan variasi laju alir gas hidrogen

10, 20, dan 30 mL/menit.

37

BAB 3

METODE PENELITIAN

4.1 Lokasi Penelitian

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Kimia Universitas Negeri

Semarang dengan melibatkan beberapa laboratorium lain. Preparasi dan uji

aktivitas katalis dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik Universitas Negeri

Semarang. Uji karakteristik katalis dilakukan di Laboratorium Analitik dan

Anorganik Universitas Gadjah Mada,sertaLaboratorium Kimia Instrumen

Universitas Negeri Semarang. Ujiterhadap produk biogasoline dengan Gas

Chromatography (GC) di Laboratorium Kimia Instrumen Universitas Negeri

Semarang, sedangkan uji dengan Gas Chromatography Mass Spectroscopy(GC-

MS) di Laboratorium Kimia Organik Universitas Gajah Mada.

4.2 Variabel Penelitian

4.2.1 Variabel Bebas

Variabel bebas adalah variabel yang nilainya divariasi. Dalam penelitian

ini variabel bebas adalah : (i)kadar Ni yang diembankan (1%, 2%, 3%) pada zeolit

alam, dan (ii) variasi laju alir gas hidrogen 10 mL/menit, 20 mL/menit, dan 30

mL/menit.

4.2.2 Variabel terikat

Variabel terikat adalah variabel yang menjadi titik pusat penelitian. Dalam

penelitian ini, sebagai variabel terikat adalah: (i) karakteristik padatan Ni/Zeolit

27

alam (luas permukaan, ukuran pori, volume pori, dan keasaman), (ii) persen

konversi, dan (iii) persen fraksi biogasoline yang dihasilkan dari proses

perengkahan katalitik.

4.2.3 Variabel terkendali

Variabelterkendali adalahfaktor yangmempengaruhi hasil reaksi, tetapi

dapat dikendalikan. Variabel terkendali dalam penelitian ini adalah lama waktu

reaksi yaitu 1 jam, jenis zeolit yang digunakan (PT Prima Zeolita), jenis gas

hidrogen, oksigen dan nitrogen yang digunakan (PT Samator Gas), dan jenis

minyak sawit (MEPO) yang digunakan, serta rasio antara MEPO dan katalis 10

gram: 1 gram dengan suhu reaktor katalis 450oC.

4.3 Rancangan Penelitian

4.3.1 Alat dan Bahan

4.3.1.1 Alat Penelitian

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah :Alat-alat gelas,

Thermometer, Pengayak 100 mesh, Lumpang porselin, Oven GCA Corp, Furnace,

Reaktor kalsinasi dan oksidasi, Neraca analitik Metter Toledo, Desikator,

Spektrofotometer Serapan Atom (SSA) Perkin Elmer Analyst-100, Gas Sorption

Analyzer NOVA 1200e, Gas Chromatography(GC)Agilent 6820, Gas

Chromatography-Mass Spectroscopy (GC-MS) Shimadzu QP-2010s, dan X-Ray

Difraction (XRD) Shimadzu XRD-6000.

28

4.3.1.2 Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah :NH4Cl 99,8%

(E. Merck), HF 49% (E. Merck), HCl 37% (E. Merck), Nikel Nitrat Heksahidrat

Ni(NO3)2.6H2O p.a 99% (E. Merck), NH3 25% (E. Merck), AgNO399,8%(E.

Merck), Gas hidrogen, Oksigen, dan Nitrogen (PT. Samator Gas), Air bebas ion,

Minyak sawit yang sudah diesterkan (MEPO)

4.4 Prosedur Kerja

4.4.1 Perlakuan awal zeolit alam

Zeolit alam dari PT Prima Zeolita direndam dalam air bebas ion sambil

diaduk dengan pengaduk magnet selama sehari semalam (24 jam) pada temperatur

kamar (25oC).Campuran tersebut kemudian disaring dan endapan yang diperoleh

dikeringkan dalam oven pada temperatur 120ºC selama 12 jam.

4.4.2 Aktivasi zeolit dengan perlakuan HF, HCl, dan NH4Cl

Zeolit alam 50 g direndam dalam larutan HF 1 % selama 30 menit,

kemudian dicuci dengan akuades. Dan dikeringkan dalam oven pada temperatur

120ºC selama 24 jam.Sampel lalu direndam dalam larutan HCl 6M selama 30

menit pada temperatur 50ºC sambil diaduk dengan pengaduk magnet, kemudian

disaring dan dicuci berulang kali sampai tidak ada ion Cl-

(dapat dideteksi oleh

larutan AgNO3).Sampel dikeringkan pada temperatur 130ºC selama 3 jam dalam

oven.Sampel ini direndam dalam larutan NH4Cl 1N pada temperatur 90oCselama

3 jam perhari dalam 1 minggu sambil diaduk, kemudian disaring, dicuci (sampai

29

ion Cl- hilang), dikeringkan dan dihaluskan.Sampel dihaluskan dengan ukuran

lolos pengayak 100 mesh. Sampel ini digunakan sebagai katalis dan diberi nama

zeolit alam aktif (sampel ZA).

4.4.3 Sintesis sampel padatan Ni /zeolit alam

Sampel ZA direndam dalam larutan Nikel Nitrat Heksahidrat

Ni(NO3)2.6H2O p.a dengan massa masing-masing 1,98 gram, 3,96 gram, dan 5,89

gram dengan air 100 mL per katalis, lalu direfluks pada temperatur 60ºC selama 6

jam, kemudian diuapkan dan dicuci berulangkali, dikeringkan dalam oven 120ºC

(diperoleh sampel Ni/ZA).

4.4.4 Kalsinasi, oksidasi, dan reduksi sampel katalis

Sampel katalis yang diperoleh, dimasukkan dalam reaktor, dikalsinasi pada

500ºC sambil dialiri gas nitrogen selama 5 jam.Sampel kemudiandioksidasi

dengan aliran gas oksigen dan reduksi dengan gas hidrogen pada temperatur

400ºC selama 2 jam. (proses ini dimaksudkan untuk menghilangkan pengotor-

pengotor organik dan air sehingga mulut pori zeolit terbuka dan luas permukaan

spesifiknya meningkat, proses reduksi untuk mereduksi logam-logam yang

diembankan pada zeolit sehingga bermuatan nol).

4.4.5 Karakterisasi katalis

Sampel katalis yang diperoleh kemudian dilakukan karakterisasi yang

meliputi kristalinitas katalis dengan menggunakan XRD, keasaman dengan

30

metode gravimetri, kadar logam Ni dengan AAS, dan luas permukaan katalis

dengan Gas Sorption Analyzer NOVA1200.

4.4.5.1 Penentuan kristalinitas katalis

Untuk mengetahui kristalinitas katalis, dan ukuran partikel, katalis

dikarakterisasi dengan XRD. Dalam analisis XRD, kristal katalis mendifraksi

sinar-X yang dikirimkan dari sumber dan diterima oleh detektor. Pola difraksi

diplotkan berdasarkan intensitas puncak yang menyatakan peta parameter kisi

kristal atau indeks Miller (hkl) sebagai fungsi 2θ, dengan θmenyatakan sudut

difraksi berdasarkan persamaan Bragg.

nλ= 2d sin θ (1)

dengan d dalah jarak antar bidang kristal dengan indeks Miller (hkl), θ adalah

sudut Bragg, n adalah bilangan bulat, dan λ adalah panjang gelombang (Abdullah

dan Khairurrijal, 2010).

Penetuan ukuran kristal dapat dilakukan dengan metode Scherrer. Ukuran

kristalin ditentukan dengan pelebaran puncak difraksi sinar X yang muncul.

Metode Scherrer sebenarnya bukan memprediksi ukuran partikel, melainkan

ukuran kristal dalam material. Jika satu partikel mengandung sejumlah kristal

kecil (kristalin) maka informasi yang diberikan bukan ukuran partikel, melainkan

ukuran kristalin. Untuk partikel berukuran nanometer, biasanya satu partikel

hanya mengandung satu kristal. Adapun cara perhitungannya adalah sebagai

berikut:

31

D= (2)

(Abdullah dan Khairurrijal, 2010)

4.4.5.2 Keasaman Padatan

Penentuan jumlah situs asam katalis secara kuantitatif dengan metode

gravimetri menggunakan NH3 sebagai basa adsorbatnya. Sejumlah gram sampel

dalam porselin telah diketahui beratnya (W0) dipanaskan sampai temperatur

120oC selama 2 jam. Kemudian didinginkan dalam desikator, ditimbang hingga

berat tetap (W1). Sampel dalam porselin ditempatkan dalam desikator kembali dan

desikator divakumkan, lalu sampel dalam porselin dialiri gas NH3 yang berasal

dari NH3 25% yang dipanaskan pada temperatur 60oC sehingga kelihatan uap di

dalam desikator (kondisi penuh). Kemudian didinginkan selama 24 jam. Setelah

itu ditimbang hingga diperoleh berat (W2). Setelah itu diangin-anginkan selama

15 menit dan ditimbang berulang-ulang tiap 15 menit hingga diperoleh berat tetap.

Berat NH3 yang teradsorpsi dalam sampel adalah sebagai berikut:

W NH3 (ads)= W WW W M NH

x 1000 mmol/gram (3)

Keterangan: W1=berat porselin setelah diberi sampel dan dipanaskan

W2=berat krus setelah dialiri NH3

W0=porselin kosong

Banyaknya jumlah uap NH3 yang teradsorp menunjukkan banyaknya

jumlah asam total zeolit, sedangkan untuk mengetahui jumlah asam di permukaan

32

zeolit, digunakan uap basa piridin dengan metode dan cara perhitungan yang sama

dengan NH3.

4.4.5.3 Penentuan Kadar Ni dalam Katalis

Untuk penentuan kandungan logam Ni, dapat ditentukan dengan

spektrofotometer serapan atom (SSA). Analisis dilakukan secara berurutan

terhadap larutan blanko, standar, dan cuplikan. Penyiapan standar dilakukan

dengan cara mengencerkan larutan standar Ni (II) 1000mg/L. Dari larutan tersebut

dibuat larutan standar dengan konsentrasi 4, 8, 12, 16 dan 20 mg/L. Penyiapan

larutan cuplikan yaitu dengan menimbang 1 g sampel kemudian dimasukkan ke

dalam krus teflon yang sudah dibasahi dengan aquaregia. Ke dalam krus teflon

ditambahkan sedikit demi sedikit 8 mL larutan HF 48%, selanjutnya ditambahkan

2 mL aquaregia. Larutan kemudian dipindahkan ke dalam labu ukur plastik 100

mL, lalu ditambahkan aquabides sampai tanda batas.Satu mL larutan cuplikan

diencerkan lagi sebanyak 100 kali. Hal sama dilakukan pada sampel yang lainnya,

kemudian masing-masing sampel ditentukan absorbansinya dengan SSA.

4.4.5.4 Penentuan Porositas Katalis

Luas permukaan, volume total pori, dan distribusi ukuran pori didasarkan

pada fenomena adsorpsi molekul gas di permukaan zat padat yang berlangsung

pada temperatur konstan. Alat yang digunakan adalah Gas Sorption Analyzer

NOVA 1000. Sampel ditimbang dan dimasukkan ke dalam wadah sampel. Sampel

dipanaskan pada temperatur 200oC dengan dilakukan pengusiran gas-gas lain

33

menggunakan gas nitrogen selama 45 menit. Sampel didinginkan menggunakan

nitrogen cair sehingga temperatur sampel mencapai 77 K. Tekanan gas nitrogen

diubah sehingga jumlah gas nitrogen yang terkondensasi dapat ditentukan.

Dengan diperolehnya data tersebut, maka volume total pori, luas permukaan

sampel, dan rerata jari pori dapat ditentukan. Analisis luas permukaannya

mengikuti persamaan Brunauer, Emmet, dan Teller (BET), yaitu :

. . (4)

Keterangan: Nav = Bilangan avogadro (6,023x1023 molekul/mol) Ap = Luas proyeksi N2 (16,2Å2)

BMN2 = Berat molekul N2

Analisis jejari pori katalis mengikuti persamaan Brunauer, Emmet, dan

Teller (BET), yaitu:

(5)

Keterangan: rp = Jejari pori katalis

Vp = Volume pori

S = Luas permukaan

Analisis volume total pori mengikuti persamaan Brunauer, Emmet, dan

Teller (BET), yaitu:

. . (6)

Keterangan: Vm = Volume molar dari nitrogen cair (34,7 cm3/mol)

Vads = Volume nitrogen yang teradsorpsi

Pa = Tekanan pengukuran

34

T = Temperatur pengukuran

4.4.6 Preparasi Umpan Reaksi Perengkahan

Minyak sawit disaring menggunakan kertas saring untuk menghilangkan

pengotor-pengotor yang ada. Minyak sawit diesterifikasi dengan prosedur yang

telah dikembangkan oleh Hapsari (2010). Minyak sawit bersih kemudian

dipanaskan pada temperatur 90oC pada labu leher tiga. Secara terpisah basa KOH

(1% berat minyak) dicampurkan dengan metanol (perbandingan mentanol:minyak

adalah 1:4) dengan pengaduk magnet. Setelah minyak sawit mencapai temperatur

90oC, KOH dan metanol yang sudah larut kemudian dimasukkan ke dalam labu

leher tiga dan diaduk selama satu jam pada temperatur 90oC. Gliserol dan metil

ester dipisahkan dengan corong pisah. Metil ester minyak sawit dicuci dengan

aquades berulang kali sampai netral (dicek dengan pH meter) kemudian metil

ester minyak sawit dipanaskan untuk menguapkan sisa-sisa air yang ada (pada

suhu ± 120oC).

Catatan : titik didih metil ester 250oC.

4.4.7 Uji Aktivitas Katalis dalam Perengkahan Katalitik

Rangkaianalat perengkahan katalitik (Gambar 3.1) disiapkan terlebih

dahulu. Labu leher tiga ditimbang sebelum dan sesudah diisi dengan metil ester

minyak sawit, demikian pula tempat produk dan katalis yang akan digunakan.

Metil ester minyak sawit dipanaskan pada temperatur 350oC dalam labu leher tiga

yang telah disetting dengan temperatur kontrol sehingga terbentuk uap. Uap

35

kemudian dialirkan ke reaktor berkatalis sehingga terjadi perengkahan metil ester

minyak sawit dalam fase uap ((i) variasi kadar Ni yang diembankan pada zeolit

alam 1%, 2%, dan 3% (ii) variasi laju alir gas hidrogen (10 mL/menit, 20 mL/

menit, dan 30 mL/menit). Uap hasil perengkahan kemudian dialirkan ke

kondensator sehingga didapatkan produk dalam fase cair (biogasoline), produk

tersebut kemudian ditimbang bersama dengan tempat produknya. Produk

biogasoline yang dihasilkan kemudian dikarakterisasi dengan GC Agilent

6820untuk mengidentifikasi fraksi setara biogasoline yang terbentuk, sedangkan

senyawa apa saja yang terkandung dalam biogasoline dianalisis dengan GC-MS

shimadzu QP-2010.

Gambar 3.1. Rangkaian reaktor perengkahan minyak sawit menjadi biogasoline (Rodiansono et al., 2007)

R1,R2,R3 = Regulator Listrik 7 = Tempat Produk T1, T2 = Termometer 8 = Air Es + Garam Dapur 1 = Statif 9 = Termometer Digital 2 = Pemanas 10 = Tempat MEPO/Umpan 3 = Tempat Katalis 11 = Aliran Gas H2 dan Umpan

36

(Gas)

4 = Katalis 12 = Flowmeter Gas H2 5 = Reaktor Uji

Katalis 13 = Regulator

6 = Pendingin Ulir 14 = Tabung Gas H2

37

BAB 4

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Penelitian tentang konversi katalitik minyak sawit menjadi biogasoline

menggunakan katalis Ni/Zeolit Alam telah dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik

Jurusan Kimia Universitas Negeri Semarang. Penelitian yang dilakukan meliputi

preparasi dan karakterisasi katalis hasil impregnasi logam Ni ke dalam zeolit alam

dengan kadar yang berbeda, yaitu 1%, 2%, dan 3%, serta uji aktivitas katalis pada

reaksi perengkahan minyak sawit menjadi biogasoline dengan variasi laju alir gas

hidrogen, yaitu 10 mL/menit, 20 mL/menit, dan 30 mL/menit.Kemampuan katalis

dalam reaksi perengkahan minyak sawit menjadi biogasoline dipengaruhi

olehkarakteristik katalis, dan kadar logam Ni yang terembankan pada katalis serta

laju alir gas hidrogen.

Untuk mengetahuikualitas dan karakteristik ketiga katalis yang telah

dibuat, dilakukan karakterisasi katalis yang meliputi kristalinitas, keasaman,

kadar/persentase logam Ni yang teremban, dan porositas katalis. Umpanyang

digunakan dalam penelitian ini adalah minyak sawit curah yang diesterkan

terlebih dahulu. Produk hasil rengkahan dari minyak sawit ini kemudian dianalisis

dengan menggunakan GC dan GCMS pada produk perengkahan optimumnya.

38

4.1 Hasil Penelitian

4.1.1 Preparasi Katalis

4.1.1.1 Perlakuan Awal Zeolit Alam

Sebelum diaktivasi, zeolit awal Wonosari diberi perlakuan awal yaitu

direndam dengan aquades sambil diaduk dengan mixer selama 24 jam pada

temperatur kamar, kemudian disaring dan endapan zeolit dikeringkan di dalam

oven. Hasilnya menunjukkan bahwa setelah pencucian warna aquades menjadi

keruh dan setelah pengeringan zeolit yang awalnya berwarna agak gelap menjadi

bersih yaitu berwarna putih kehijauan.

4.1.1.2 Aktivasi Zeolit Alam dengan HF, HCl, dan NH4Cl

Zeolit alam yang telah dicuci menggunakan aquades kemudian diayak

dan diaktivasi menggunakan larutan asam yaitu HF 1%. Aktivasi dengan HF 1%

ini bertujun untuk mengilangkan pengotor-pengotor dalam zeolit yang belum

hilang saat pencucian dengan aquades dan menghilangkan Si di luar framework,

sedangkan perendaman menggunakan HCl 6 M larutan yang awalnya jernih

berubah menjadi kuning yang mengindikasikan telah terjadinya dealuminasi dan

terlarutnya logam Fe dalam zeolit sedangkan adanya Cl- setelah perendaman

diidentifikasi dengan menggunakan AgNO3 yang ditunjukkan dengan adanya

endapan putih AgCl pada air bekas perendaman zeolit alam tersebut. Zeolit alam

sebelum diaktivasi berwarna kehijau-hijauan dan setelah perendaman dengan

menggunakan HF 1% dan HCl 6M yang diikuti dengan proses pengeringan

menjadi berwarna lebih putih.

k

k

d

4

D

b

p

t

p

a

s

N

b

Selai

1N. Perenda

kation-kation

kemudian d

disebut deng

4.1.1.3 Imp

Setel

Dalam impr

beda, yaitu

pada zeolit

teerembanka

perengkahan

Untu

adalah samp

selama 6 ja

Ni/ZA. Set

bersih.Berik

in perlakuan

aman denga

n penyeimba

dikeringkan

gan zeolit ala

pregnasi Log

lah zeolit al

regnasi ini, k

1%, 2%, da

alam ini

an yang dap

n metil ester

uk mengemb

pel H-ZA di

am kemudian

elah penger

kut adalah ga

Gambar.4.1

n asam, zeol

an larutan N

ang dalam z

di dalam o

am aktif den

gam Ni dal

lam diaktiva

kadar logam

an 3%.Tujua

adalah untu

pat memberik

menjadi bio

bankan logam

irendam dal

n diuapkan

ringan di d

ambar dari sa

. Hasil impr

it juga diakt

NH4Cl ini d

eolit seperti

oven sehing

ngan melepas

lam H-Zeoli

asi, H-Zeoli

m yang diem

an dari varia

uk mengeta

kan karakter

ogasoline.

m Ni pada

lam larutan

dan dikerin

dalam oven

alah satu kat

egnasi logam

tivasi mengg

dimaksudkan

Na+ dan Ca

gga terbentu

skan NH3.

it Alam

t diimpregn

mbankan pad

asi kadar log

ahui jumlah

r dan aktivit

zeolit alam

nikel nitrat

ngkan sehing

n ketiga ka

talis tersebut

m Ni pada Z

gunakan gar

n untuk men

a2+ dengan N

uk H-Zeolit

nasi dengan

a zeolit alam

gam yang d

h optimum

tas terbaik p

yang harus

pada tempe

gga dihasilk

atalis berwa

t.

eolit Alam

39

ram NH4Cl

nggantikan

NH4+. Zeolit

atau yang

logam Ni.

m berbeda-

diembankan

logam Ni

pada reaksi

s dilakukan

eratur 90oC

kan sampel

arna putih

40

4.1.1.4 Kalsinasi, Oksidasi, dan Reduksi Katalis

Setelah dilakukan aktivasi serta impregnasi dengan logam Ni pada zeolit

alam, dilakukan proses kalsinasi, oksidasi, dan reduksi secara berurutan. Kalsinasi

katalis dilakukan dengan pemanasan pada temperatur 500oC dengan aliran gas N2

selama 5 jam dengan tujuan untuk memperbaiki dispersi logam. Oksidasi katalis

dilakukan pada temperatur 400oC selama 2 jam dengan aliran gas O2 untuk

mengubah kompleks logam menjadi oksida logam. Proses reduksi dilakukan pada

400oC dengan aliran gas H2 selama 2 jam dengan tujuan untuk mengubah ion

logam menjadi atom logam (Trisunaryanti et al., 2005). Setelah proses kalsinasi,

oksidasi, dan reduksi ketiga katalis ini mempunyai warna yang berbeda-beda.

Untuk katalis Ni-1%/ZA berwarna abu-abu, antara satu bagian dengan bagian lain

warnanya sama. Untuk katalis Ni-2%/ZA warna katalis lebih hitam dan terlihat

kasar meskipun sama-sama sudah lolos pengayak 100 mesh, sedangkan untuk

katalis Ni-3%/ZA warna katalis tidak merata, sebagian ada yang abu-abu dan

sebagian ada yang agak orange kecoklatan (hampir sama seperti ketika setelah

dioksidasi) dengan tekstur halus seperti katalis Ni-1%/ZA.Gambar 4.2

menunjukkan perbedaan secara fisik antara ZA, H-ZA, Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA,

dan Ni-3%/ZA.

G

4

4

t

c

p

u

u

p

d

Gambar 4.2.

4.1.2 Ka

4.1.2.1 Lua

Kat

Dala

terjadi konta

cukup besar

peluang terj

ukuran jari-j

umpan untuk

permukaan s

disajikan pad

. Perbanding2%/ZA, da

rakterisasi

as Permuka

talis Ni/ZA

m reaksi ka

ak antara m

r dan situs a

jadinya reak

-jari pori ya

k dapat masu

spesifik, rera

da Tabel 4.1

gan warna anan Ni-3%/ZA

Katalis

aan Spesifik

atalitik agar

molekul ump

aktif katalis.

ksi perengka

ang besar m

uk sampai k

ata jejari po

1 berikut ini.

ntara ZA, H-A.

k, Rerata Jej

dapat terjad

pan metil es

Semakin b

ahan akan s

memberi kes

ke dalam por

ri, dan volum

-ZA, Ni-0,5%

jari Pori, da

di reaksi per

ster minyak

esar luas pe

semakin bes

empatan leb

ri. Hasil kara

me total por

%/ZA, Ni-1%

an Volume

rengkahan, m

sawit yang

ermukaan ka

sar. Selain i

bih baik bag

akterisasi ter

ri katalis sel

41

%/ZA, Ni-

Total Pori

maka harus

berukuran

atalis maka

tu, dengan

gi molekul

rhadap luas

lengkapnya

42

Tabel 4.1. Hasil Penentuan Luas Permukaan Spesifik, Rerata Jejari Pori, dan Volume Total Pori Katalis Menggunakan Metode BET

Sampel Luas Permukaan Spesifik (m2/g)

Rerata Jejari Pori (Å)

Volume Pori (cc/g)

Zeolit Alam 35,08 40,09 70,33 x 10-3 H-Zeolit Alam 44,55 52,11 116,1 x 10-3

Ni-1%/Zeolit Alam 119,07 20,74 123,4 x 10-3 Ni-2%/Zeolit Alam 90,56 31,11 141,0 x 10-3 Ni-3%/Zeolit Alam 58,52 28,91 84,72 x 10-3

Berdasarkan Tabel 4.1 dapat diketahui bahwa katalis yang telah dipreparasi sesuai

dengan penelitian yang dilakukan oleh Farouq (2003), sehingga cocok digunakan

dalam reaksi perengkahan minyak sawit menjadi biogasoline.

4.1.2.2 Penentuan Jumlah Situs Asam Katalis Ni/ZA

Kinerja katalis sangat dipengaruhi oleh keasaman katalis. Apabila jumlah

situs aktif besar, maka daya adsorpsi terhadap reaktan juga menjadi besar, maka

akan semakin banyak umpan yang terengkah menjadi biogasoline. Untuk

mengetahui jumlah situs asam dalam katalis dilakukan adsorpsi basa adsorbat

pada katalis. Jumlah situs asam dengan amoniak sebagai basa adsorbatnya

merupakan jumlah situs asam total dengan asumsi bahwa NH3 dengan ukuran

molekul yang kecil dapat masuk sampai ke dalam pori-pori katalis. Hasil

pengukuran keasaman katalis disajikan pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2. Hasil Penentuan Jumlah Situs Asam dalam Katalis Ni/ZA

Sampel Keasaman total (mol/gram)

Keasaman permukaan(mol/gram)

Keasaman dalam rongga (mol/gram)

ZA 0,942 x 10-4 0,723 x 10-4 0,219 x 10-4

H-ZA 1,270 x 10-4 0,476 x 10-4 0,794 x 10-4

Ni-1%/ZA 21,780 x 10-4 5,210 x 10-4 16,570 x 10-4

Ni-2%/ZA 11,090 x 10-4 6,501 x 10-4 4,589 x 10-4

Ni-3%/ZA 16,560 x 10-4 4,550 x 10-4 12,010 x 10-4

43

4.1.2.3 Distribusi Logam Ni dalam Katalis Ni/ZA

Telah dikemukakan bahwa kualitas katalis antara lain ditentukan oleh

kualitas dispersi logam dalam zeolit, sedangkan kualitas dispersi dipengaruhi oleh

jumlah logam tersebut (Trisunaryanti et al., 2005). Oleh karena itu, uji untuk

mengetahui besarnya distribusi logam Ni dalam katalis yang telah dipreparasi

menjadi sangat penting. Distribusi logam Ni dalam katalis disajikan pada Tabel

4.3 berikut ini.

Tabel 4.3. Distribusi Logam Ni dalam Katalis Ni /ZA

Sampel Hasil

pengukuran (ppm)

Ni yang diembankan

Ni yang teremban

% efisiensi

Ni-1%/ZA 188,8 0,4 0,3776 94,40 Ni-2%/ZA 397,6 0,8 0,7952 99,40 Ni-3%/ZA 588,8 1,2 1,1776 98,13

4.1.2.4 Pengaruh Pengembanan Logam Ni terhadap Kristalinitas Katalis

Ni /ZA

Pengaruh pengembanan logam Ni terhadap kristalinitas katalis Ni/ZA

dapat diketahui dari hasil analisis dengan XRD. Akan tetapi katalis yang dianalisis

kristalinitasnya hanya katalis dengan luas permukaan optimum dan kontrol, yaitu

ZA, H-ZA, dan Ni-1%/ZA.Adapun perbandingan difraktogram antara ketiganya


44

Gambar 4.3. Perbandingan difraktogram ZA, H-ZA dan Ni-1%/ZA

Selain berdasarkan difraktogram tersebut kristalinitas dan ukuran

kristaldari katalis tersebut juga dapat diamati melalui tiga puncak tertinggi dari

masing-masing padatan pada Tabel 4.4.

Tabel 4.4.Data 2 Theta, Intensitas Tiga Puncak Tertinggi, dan ukuran kristal dalam ZA, H-ZA, dan Ni-1%/ZA

Katalis 2 Theta Harga d (A) Intensitas Ukuran

kristal (nm) Rata-rata ukuran

kristal (nm) ZA 25,9507 3,43069 325 33,56818037

22,5913 3,93268 225 8,456650621 15,02762 28,0000 3,18409 189 3,058039752

H-ZA 22,2885 3,98541 559 3,297730047 25,6798 3,46627 507 27,25501471 11,53986 9,7753 9,04085 490 4,066829273

Ni-1%/ZA 25,7326 3,45927 475 29,38311995 22,3701 3,97106 357 4,32153017 12,97708 27,7600 3,21107 313 5,316597673

4

c

s

b

P

d

4

e

D

d

4.1.3. 1 Prep

Ump

curah. Miny

selama 1 jam

berwarna c

Perbedaan w

ditunjukkan

Gamba

4.1.3.3 Uji

Log

Per

Uji a

ester yang

Dalam peren

10 mL/men

diuapkan pa

eparasi Ump

pan dalam r

yak curah yan

m. Hasilnya

okelat gelap

warna miny

pada Gamb

ar 4.4. PerbeHasil

Aktivitas d

gam Ni y

rengkahan K

aktivitas Ka

kemudian d

ngkahan min

it, dan 20

ada suhu 350

pan Reaksi P

reaksi peren

ng ada dieste

a minyak ter

p dan met

yak goreng

ar 4.4.

edaan Warnal Esterifkasi

dan Pengar

yang Diem

Katalitik Min

atalis Ni/ZA

direngkah m

nyak sawit in

mL/menit,

0oC dan suhu

Perengkahan

ngkahan ini

erifikasi men

rpisah menja

il ester yan

awal, glis

a Minyak Go

ruh Laju A

mbankan p

nyak Sawit

padaminya

menggunakan

ni dilakukan

dan 30 mL

u pada reakto

n

adalah has

nggunakan m

adi dua bagi

ng berwarn

serol, dan s

oreng Sebelu

Alir Gas Hi

pada Zeol

ak sawityang

n katalis ya

n variasi laju

L/menit. Met

or katalis teta

sil esterifika

metanol dan

ian yaitu gli

na kuning d

serta hasil

um dan Sesu

idrogen sert

lit terhadap

g sudah men

ang telah d

alir gas hidr

til ester min

ap, yaitu 450

45

asi minyak

basa KOH

iserol yang

dan encer.

esterifkasi

udah

ta Jumlah

ap Reaksi

njadi metil

dipreparasi.

rogen yaitu

nyak sawit

0oC.

y

d

p

b

a

d

a

d

s

b

Konv

yang terkonv

diketahui b

perengkahan

biogasoliney

atom karbon

ditentukan.

abu-abu me

dilihat pada

Fraks

sawit menja

berikut ini.

versi total pr

versi dari m

berdasarkan

n katalitik

yang dibata

n C5-C11. Da

Pengamatan

njadi agak

Gambar 4.5

Gambar 4

si C5-C11 ya

adi biogasol

roduk hasil

metil ester mi

kromatog

minyak s

asi hanya se

alam peneliti

n menunjukk

kehitaman y

dibawah ini

4.5.Perbedaa

ang dihasilk

lineyang dia

perengkahan

inyak sawit.

gram produ

sawit dalam

enyawa hidr

an ini produ

kan bahwa w

yang diperk

i.

an antara kok

kan dari rea

analisis deng

n ditentukan

Penentuan k

uk perengk

m penelitia

rokarbon yan

uk gas serta k

warna katal

kirakan terda

kas dan kata

aksi perengk

gan GC disa

n dari besarn

konversi tota

kahan. Pro

an ini ada

ng mempun

kokas hasil r

is berubah w

apat kokas y

alis awal

kahan katalit

ajikan pada

46

nya produk

al ini dapat

duk hasil

lah fraksi

yai jumlah

reaksi tidak

warna dari

yang dapat

tik minyak

Tabel 4.5

47

Tabel 4.5. Fraksi biogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit dengan katalis Ni/ZA dengan variasi laju alir gas hidrogen dan jumlah logam Ni yang diembankan pada zeolit

Katalis Laju alir % Fraksi (produk kondensat)

% fraksi berat/berat

Ni-1%/ZA 10 mL/menit 29,57 2,12 20 mL/menit 100,00 4,78 30 mL/menit 58,51 3,32



Tabel 4.6. Fraksi kondensatbiogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit pada laju alir 10 mL/menit.

Katalis Laju alir gas hidrogen Fraksi biogasoline(produk kondensat) Ni-1%/ZA 10 mL/menit 29,57 Ni-2%/ZA 10 mL/menit 99,94 Ni-3%/ZA 10 mL/menit 29,86

Tabel 4.7. Fraksi kondensatbiogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit pada laju alir 20 mL/menit.


Tabel 4.8.Fraksi kondensatbiogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit pada laju alir 30 mL/menit.


48

Tabel 4.9. Fraksi kondensatbiogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawit dengan Ni-1%/ZA


Tabel 4.10. Fraksi kondensatbiogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawitdengan Ni-2%/ZA


Tabel 4.11. Fraksi kondensatbiogasoline hasil perengkahan katalitik minyak sawitdengan Ni-3%/ZA


Pada Tabel 4.5 diatas ditunjukkan bahwa terdapat satu katalis yang dapat

menghasilkan biogasoline dengan fraksi 100%, yaitu Ni-1%/ZA yang dilakukan

pada laju alir gas hidrogen 20 mL/menit.

Fraksi C5-C11 yang dihasilkan dari reaksi perengkahan katalitik minyak

sawit menjadi biogasolinepada kondisi optimum disajikan dalam Tabel 4.12.

Tabel 4.12. Hasil analisis GCMS biogasolineterkondensasi pada kondisi optimum secara kuantitatif

Hidrokarbon % Area Produk C1-C4 0 C5-C11 100 >C11 -

49

Tabel 4.13. Hasil analisis GCMS biogasolineterkondensasipada kondisi optimum secara kualitatif

Waktu Retensi MR Senyawa 2,583 86 2-metilpentana 2,642 86 3-metilpentana 2,717 86 n-heksana 2,908 86 3-metil pentana 3,192 84 2-metil-1-pentena 3,267 114 2,2-dimetil heksana 3,483 114

114 2,2-dimetil heksana (isooktana), 2,2,4-trimetil pentana

3,533 98 4-metil-1-heksena 3,883 114

114 114

2,2,3,3-tetrametil butana 2,2,4-trimetil pentana (isobutil trimetil metana)

50

4.2. Pembahasan

4.2.1 Preparasi Katalis

4.2.2.1 Perlakuan Awal Zeolit Alam

Perlakuan ini bertujuan untuk menghilangkan pengotor-pengotor yang ada

pada zeolit alam seperti debu, batu-batu kecil, dan daun-daun kecil. Hasilnya

zeolit alam bebas dari pengotor-pengotor tersebut karena terpisah pada waktu

pencucian, penyaringan, dan pengayakan. Sehingga zeolit yang awalnya berwarna

agak gelap menjadi bersih yaitu berwarna putih kehijauan.

4.2.2.2 Aktivasi Zeolit Alam Dengan HF, HCl, dan NH4Cl

Untuk meningkatkan kinerja dari zeolit maka zeolit perlu diaktivasi.

Aktivasi dengan perendaman HF 1% bertujuan untuk menghilangkan pengotor-

pengotor dalam zeolit yang belum hilang saat pencucian dengan aquades serta

menghilangkan Si di luar framework, sedangkan perendaman larutan HCl 6M

digunakan untuk dealuminasi dari framework dan melarutkan logam-logam Fe

yang terdapat dalam zeolit. Zeolit alam yang telah direndam dengan menggunakan

HF 1% dan HCl 6M, menjadi berwarna lebih putih setelah proses pengeringan.

Hal ini mengindikasikan bahwa Fe3+ di dalam framework zeolit telah dapat

dihilangkan. Aluminium dari dalam frameworkjuga akan keluar dari framework

membentuk AlCl3. Hal ini dapat menaikkan rasio Si/Al dalam framework

sehingga meningkatkan keasaman, stabilitas termal, dan selektivitas dari

zeolit(Handoko, 2002). Reaksi dealuminasi dalam zeolit alam disajikan menurut

reaksi pada Gambar 4.6.

51

Gambar 4.6. Reaksi Dealuminasi dalam Zeolit dengan Bantuan HCl (Handoko, 2002)

Zeolit alam sebelum diaktivasi mempunyai kandungan Fe3+ yang tinggi.

Dengan perendaman menggunakan HCl 6M, Fe3+ dalam framework zeolit

bereraksi dengan HCl membentuk FeCl3 yang berwarna kuning. Pelarutan ion

Fe3+ dari framework zeolit bertujuan untuk menghilangkan pengotor yang berupa

ion logam Fe karena dalam zeolit alam mengandung banyak logam Fe yang dapat

dilihat dari warna hijau-coklat muda zeolit alam . Dengan adanya ion tersebut

akan mengganggu proses impregnasi logam Ni. Apabila dalam zeolit masih

mengandung banyak kation penyeimbang dan ion-ion logam (misalnya Fe3+, Na+,

Ca2+), maka energi yang diperlukan untuk mengganti ion tersebut dengan logam

Ni tidak seragam sehingga logam Ni tidak terdistribusi secara merata di

permukaan zeolit.

Selama perendaman dengan menggunakan HCl, zeolit menjadi bersifat

asam. Sisa-sisa ion Cl- dalam zeolit kemudian dinetralkan dengan pencucian

aquades. Pencucian ini dilakukan sedemikain rupa hingga tidak terdapat ion Cl-

dalam larutan. Cara untuk mendeteksi ada atau tidaknya ion Cl- menggunakan

larutan Ag(NO)3. Apabila ke dalam larutan ditambahkan Ag(NO)3, ion Cl- yang

larut dalam aquades akan membentuk endapan AgCl yang berwarna putih.

M n+ ( Si O Al O Si )n + 4nHCl

O

O

Si

Si Si

Si

O

OH

n( Si OH HO Si ) + nAlCl 3 + MCln

H

52

Dengan cara ini dapat diketahui dengan jelas apakah zeolit tersebut sudah netral.

Langkah selanjutnya adalah perendaman dengan NH4Cl yang dimaksudkan untuk

menggantikan kation-kation penyeimbang dalam zeolit seperti Na+ dan Ca2+

dengan NH4+. Tahap ini melibatkan proses pertukaran kation penyeimbang

dengan NH4+ untuk membentuk NH4-Zeolit. Ketika NH4-Zeolit Alam dipanaskan,

maka NH3 yang memiliki titik didih rendah (-33oC) akan menguap dan hanya

meninggalkan H+ pada zeolit alam (H-Zeolit Alam). Dengan demikian ion logam

seperti Fe3+, Na+, Ca2+ dan ion logam lainnya tergantikan oleh H+. Aktivasi tahap

ini dimaksudkan untuk membentuk situs asam Bronsted dengan adanya proton H+.

Dengan adanya H+ sebagai situs asam Bronsted, situs asam zeolit menjadi naik

dan lebih mudah untuk memodifikasinya. Pertukaran kation-kation penyeimbang

dengan H+ bertujuan agar ketika zeolit dimodifikasi dengan pengembanan logam

Ni, energi untuk pertukaran kation dengan logam Ni energinya seragam/sama

sehingga memudahkan logam Ni untuk terdistribusi secara merata dalam zeolit.

Dengan distribusi logam Ni yang merata maka situs asam dalam katalis akan

meningkat karena logam Ni bertindak sebagai asam Lewis di dalam katalis.

4.2.2.3 Impregnasi Logam Ni dalam H-Zeolit Alam

Dalam penelitian ini zeolit alam yang sudah diaktivasi dengan beberapa

perlakuan diimpregnasi dengam logam nikel yang berfungsi untuk meningkatkan

jumlah situs asam/situs aktif. Hal ini dikarenakan adanya orbital d yang belum

terisi penuh oleh elektron.

53

Jumlahlogam yang diembankan berbeda-beda, yaitu 1%, 2%, dan

3%karena ion-ion logam dengan konsentrasi rendah lebih leluasa untuk bergerak

masuk ke dalam pori dibandingkan dengan konsentrasi ion logam yang besar,

sehingga penaataa logam Ni pada permukaan zeolit lebih teratur (terdistribusi

merata), sedangkan jika logam Ni yang diembankan besar, maka dapat terbentuk

agregat (ada penumpukan dibagian zeolit yang satu dan terjadi kekosongan logam

Ni pada bagian zeolit yang lainnya). Semakin besar konsentrasi ion logam dalam

larutan akan cenderung menutupi bagian mulut pori. Hal ini mengakibatkan ion-

ion logam tidak dapat masuk sampai ke dalam pori secara merata. Dalam

impregnasi ini larutan ion logam dibuat tidak terlalu encer dan tidak terlalu pekat

(± 50mL, dengan ketentuan 30mL untuk melarutkan garam Ni, dan sisanya untuk

membilas gelas kimia untuk membersihkan larutan Ni yang menempel pada beker

glass)Larutan ion logam dicampur dengan H-ZA hingga berbentuk seperti bubur

(H-ZA terendam larutan ion logam) untuk memaksimalkan impregnasi logam ke

dalam zeolit. Kemudian setelah diimpregnasi pelarut yang tersisa diuapkan

dengan cara dipanaskan dan dioven pada temperatur 120oC.

Berdasarkan Tabel 4.3 ditunjukkan bahwa logam Ni yang teremban pada

katalis Ni-1%/ZA, Ni-2%/ZA, dan Ni-3%/ZA tidak mencapai keseluruhan

teremban. Pada katalis Ni-1%/ZA logam yang diembankan pada zeolit sebesar 0,4

gram, tetapi yang teremban hanya sekitar 0,3776 gram. Pada katalis Ni-2%/ZA

dari 0,8 gram logam Ni yang diembankan hanya teremban 0,7952 gram dan pada

katalis Ni-3%/ZA diembankan 1,2 gram yang teremban 1,1776 gram. Hal ni

karena cara pengembanan yang dilakukan dengan cara impregnasi, sehingga

54

dimungkinkan logam tidak masuk ke struktur kristal zeolit, sehingga hanya

dipermukaan saja.

4.2.2.4 Kalsinasi, Oksidasi, dan Reduksi Katalis

Setelah dilakukan aktivasi serta impregnasi logam Ni yang berwarna hijau

dalam zeolit alam, dilakukan proses kalsinasi, oksidasi, dan reduksi. Kalsinasi

katalis bertujuan untuk merenggangkan ruang antarpori sehingga gas N2 dapat

menembus pori-pori kecil yang ditempati oleh kotoran-kotoran organik dan dapat

mendesaknya keluar dari zeolit. Selain itu, proses kalsinasi juga berfungsi untuk

memperbaiki dispersi logam pada permukaan zeolit. Oksidasi katalis dilakukan

dengan aliran gas O2 untuk mengubah ion logam menjadi oksida logam. Hal ini

dilakukan untuk membantu menghilangkan ligan H2O dalam ion kompleks logam

yang masih cukup kuat menempel dalam pori katalis, sedangkan proses reduksi

dilakukan pada untuk mengubah ion logam menjadi atom logam (bermuatan

netral/nol) (Trisunaryanyi et al., 2005). Setelah dilakukan kalsinasi, oksidasi, dan

reduksi katalis Ni/ZA yang semula berwarna putih berubah menjadi keabu-abuan.

4.2.2 Karakterisasi Katalis

4.2.2.1 Luas Permukaan Spesifik, Rerata Jejari Pori, dan Volume Total Pori

Katalis Ni/ZA

Tabel 4.1. menunjukkan bahwa luas permukaan dan volume pori katalis

Ni-1%/ZA lebih besar bila dibandingkan dengan Ni-2%/ZA dan Ni-3%/ZA,

sedangkan rerata jejari porinya paling kecil dibandingkan katalis-katalis lain yang

55

telah dipreparasi. Hal ini menunjukkan bahwa secara fisik katalis Ni-1%/ZA yang

telah dipreparasi lebih unggul karena memiliki luas permukaan paling besar

daripada Ni-2%/ZA, dan Ni-3%/ZA. Pada zeolit yang diembankan logam Ni 2%

dan 3% luas permukaan katalis lebih kecil dibandingkan katalis yang mengandung

logam Ni 1%. Hal ini karena pada kedua katalis tersebut (Ni-2%/ZA dan Ni-

3%/ZA) menggumpal, sehingga terbentuk agregat.

Sedangkan luas permukaan yang diharapkan pada katalis yang dibuat

adalah katalis dengan luas permukaan besar, volume pori besar dan rerata jari

kecil, karena dengan adanya luas permukaan besar dan volume jari besar

memungkinkan adanya situs aktif yang lebih banyak, sehingga memicu terjadinya

reaksi antara umpan dan katalis yang lebih banyak, begitu pula jika rerata jari

kecil maka jarak antarlogam Ni semakin kecil, sehingga menambah jumlah situs

aktif dari katalis. Karena adanya logam Ni dapat membentuk pori baru.

Dengan luas permukaan katalis yang lebih besar, kontak yang terjadi

antara reaktan dan permukaan katalis juga besar sehingga reaksi antara umpan dan

katalis semakin banyak, sehingga produknya semakin banyak. Dalam reaksi

perengkahan metil ester minyak sawit, reaktan yang masuk ke dalam katalis

adalah molekul meruah yang berukuran besar. Oleh karena itu, volume pori

katalis yang besar memberikan kesempatan yang lebih besar kepada reaktan untuk

dapat masuk ke dalam pori katalis sehingga jumlah molekul reaktan yang

adsorpsi pada permukaan katalis akan meningkat sehingga reaksi akan lebih

cepat.Semakin banyak umpan yang teradsorpsi maka akan semakin banyak reaksi

yang terjadi, sehingga produk yang dihasilkan semakin banyak.

56

Penelitian ini laju alir gas hidrogen juga divariasi, diantaranya

10mL/menit, 20mL/menit, dan 30mL/menit.Jika laju alir gas hidrogen pelan,

maka tumbukan antara umpan dan katalis semakin banyak terjadi, sedangkan jika

laju alir gas hidrogennya cepat, maka gas hidrogen belum sampai bereaksi dengan

umpan dan katalis, tetapi hanya melewati umpan dan katalis saja.

4.2.2.2 Penentuan Jumlah Situs Asam Katalis Ni /ZA

Berdasarkan data yang ditunjukkan pada Tabel 4.2.semua katalis yang

telah dipreparasi mempunyai jumlah situs asam lebih banyak dibandingkan zeolit

alam asal dan H-zeolit alamnya.Hal ini disebabkan karena adanya pengembanan

logam Ni dalam katalis. Adanya pengembanan logam Ni yang tersebar secara

merata menyebabkan kenaikan keasaman katalis karena logam Ni mempunyai

orbital d yang belum terisi penuh sehingga efektif untuk menerima pasangan

elektron dari basa adsorbat. Berdasarkan Tabel 4.2 jumlah situs asam total dan

keasaman dalam rongga yang palingtinggi adalah pada katalis Ni-1%/ZA yaitu

sebesar 21,78 x 10-4mol/gram dan 16,570 x 10-4 serta keasaman permukaan

tertinggi adalah Ni-2%/ZA. Menurut Satarno, et al., (2003), semakin tinggi

keasaman suatu padatan (katalis), semakin tinggi pula rasio Si/Al nya dan

semakin besar pula luas permukaan katalis tersebut karena dengan semakin tinggi

rasio Si/Al, maka keteraturan kristal mesopori akan semakin meningkat. Pada

reaksi perengkahan katalitik ini, aktivitas terbaik diperoleh oleh katalis Ni-

1%/ZA.Hal ini menunjukkan bahwa dalam reaksi perengkahan ini tidak hanya

situs aktif dipermukaan saja yang berperan, melainkan juga situs aktif di dalam

57

rongga juga.Pada umumnya reaksi perengkahan dapat berlangsung dengan

keasaman total antara 0,9 mmol/gram sampai 3 mmol/gram (Rodiansono et al.,

2007: Trisunaryanti et al., 2005).

4.2.2.3 Distribusi Logam Ni dalam Katalis Ni/ZA

Katalis yang dipreparasi dalam penelitian ini terdiri atas tiga macam, yaitu

katalis dengan kadar Ni 1%, 2%, dan 3%. Berdasarkan Tabel 4.3.dapat diketahui

bahwa semakin banyak logam Ni yang diembankan pada zeolit, maka konsentrasi

logam Ni yang teremban pada zeolit juga akanmeningkat.Hal ini karena jika

jumlah logam Ni yang diembankan semakin banyak, maka yang menempel pada

zeolit juga akan meningkat.

Berdasarkan data yang ditunjukkan pada Tabel 4.3 dapat dilihat bahwa

efisiensi pengembanan logam Ni pada Ni-1%/ZA logam Ni yang teremban adalah

94,4%, Ni-2%/ZA sebesar 99,4%, dan untuk Ni-3%/ZA logam Ni yang teremban

adalah sebesar 98,13%. Berdasarkan data tersebut efisiensi yang paling besar

adalah Ni-2%/ZA.

4.2.2.4 Pengaruh Pengembanan Logam Ni terhadap Kristalinitas Katalis

Ni /ZA

Pada Gambar 4.1 menunjukkan hasil difraktogram dari ZA, H-ZA, dan Ni-

1%/ZA. Berdasarkan Gambar 4.1 dapat diketahui bahwa kristalinitas zeolit

setelah diembankan logam Ni masih tinggi seperti sebelum diembankan logam

Ni. Hal ini ditunjukkan oleh data 2 theta dari ketiga gambar tersebut.Hanya saja

58

ada beberapa penurunan dan kenaikan puncak 2 theta yang menunjukkan adanya

logam Ni yang teremban pada katalis Ni-1%/ZA. Dengan demikian dapat

dikatakan bahwa adanya pengembanan logam Ni tidak menurunkan kristalinitas

zeolit. Kristalinitas pengemban zeolit sangat penting dalam mempengaruhi sifat

katalis. Apabila kristalinitas tinggi maka dapat diketahui bahwa pengemban

tersebut bebas dari pengotor serta sifat-sifat fisiknya tidak terganggu (sifat

katalitik tinggi, stabil pada suhu tinggi, dan porositas yang luas).

Tiga puncak terkuat dari zeolit alam pada Tabel 4.4, yaitu pada 2 =

25,9507 (d = 3,43069), 2 = 22,5913 (d = 3,93268), dan 2 = 28,0000 (d =

3,18409), serta tiga puncak terkuat H-zeolit alam 2 = 22,2885 (d = 3,98541), 2

= 25,6798 (d = 3,46627), dan 2 = 9,7753 (d = 9,04085) menurut penelitian

Udaibah (2007) merupakan puncak karakteristik dari mordenit. Begitu pula pada

Ni-1%/ZA juga menunjukkan puncak karakteristik dari mordenit. Hal ini

ditunjukkan dari tiga puncak terkuat pada sampel katalis tersebut, yaitu pada 2 =

25,7326 (d = 3,45927), 2 = 22,3701 (d = 3,97106), dan 2 = 27,7600 (d =

3,21107), sedangkan logam Ni ditunjukkan pada sudut 2 = 38,4240 (d =

2,34088), 2 = 40,4075 (d = 2,23043), 2 = 41,6900 (d = 2,16473), 2 = 53,4468

(d = 1,71301), 2 = 53,7788 (d = 1,70319), 2 = 70,0880 (d = 1,34151), 2 =

84,1550 (d = 1,34151), 2 = 84,7960 (d = 1,14947), 2 = 86,6860 (d = 1,12770).

Berdasarkan data 2 tersebut dapat diketahui bahwa satelah diaktivasi salah satu

puncak terkuat dari zeolit menurun, dan setelah diembankan logam Ni,

kristalinitasnya kembali seperti semula, yang menunjukkan karakteristik dari

m

z

d

b

y

m

p

(

l

b

4

4

d

G

modernit. D

zeolit alam (

Krist

dibentuknya

belum diakt

yang sudah

meningkat l

pori dan lua

(2009) jika p

luas permuk

bertambah s

4.2.3 Uji

4.2.3.1. Pre

Min

diesterifikas

Gambar 4.7.

Dengan dem

(Sutarno, et a

talinitas su

a. Hal ini dap

ivasi mempu

h diaktivasi,

agi. Ukuran

as permukaa

pada zeolit d

kaannya ak

erta persen k

i Aktivitas K

eparasi Ump

nyak sawit

si minyak me

. Perbanding

minkian, loga

al., 2003).

uatu katalis

pat dilihat pa

unyai ukura

dan setela

n kristal tentu

an pada kata

diembankan

kan meningk

konversi hid

Katalis

pan Reaksi P

curah yang

enjadi berwa

gan gliserol,

am Ni dapa

s juga me

ada Tabel 4.4

n kristal yan

ah diembank

unya akan b

alis yang ter

logam, mak

kat dan rea

drogenasi me

Perengkaha

g awalnya

arna kuning b

minyak saw

at meningka

enentukan

4, yang man

ng lebih bes

kan logam

berpengaruh

rbentuk. Me

ka ukuran kri

aksi reaktan

eningkat.

n

berwarna k

bening.

wit, metil este

atkan kristal

ukuran kri

na pada saat

sar dibanding

Ni ukuran

pada situs a

enurut Ningr

istalnya akan

n dengan ka

kuning keru

er, dan sisa u

59

linitas dari

istal yang

zeolit alam

gkan zeolit

kristalnya

aktif, jejari

rum et al.,

n menurun,

atalis akan

uh, setelah

uji aktivitas

60

Minyak sawit curahini diesterifikasi menggunakan metanol dan basa

KOH. Hal ini bertujuan untuk mengurangi densitas dari minyak sawit agar lebih

mudah diuapkan dan direngkah. Terbukti setelah dilakukan esterifikasi selama 1

jam, minyak menjadi lebih encer karena adanya pemutusan ikatan dengan gliserol

dan dengan metoksida membentuk metil ester minyak sawit. Gambar 4.8

menyajikan reaksi esterifikasi minyak sawit menggunakan basa KOH yang

diadopsi dari hasil penelitian Hue dalam Silaen (2010).

Gambar 4.8. Reaksi esterifikasi minyak menggunakan basa KOH

Tahap awal reaksi esterifikasi adalah pembuatan metoksida dari basa KOH

dan metanol yang selanjutnya direaksikan dengan minyak sawit bersih pada

CH2 O C R'

OR' C OCH2

O

O

R' C OCH2+ OCH3

KCH2 O C R'

R' C OCH2

O

O

R' C OCH2

O-

OCH3

CH2 O C R'

R' C OCH2

O

O

R' C OCH2

O-

OCH3

CH2 O-

O

R' C OCH2O

R' C OCH2

O

+ R' C OCH3

CH2 O-

O

R' C OCH2O

R' C OCH2 + K+ + H2O

CH2 OH

O

R' C OCH2O

R' C OCH2 + KOH

K

KOH + CH3OH OCH3 + H20

61

temperatur 60oC. Atom O dari metoksida ini akan menyerang atom C trigliserida

yang memiliki ikatan rangkap sehingga metoksida terikat pada atom C

trigliserida. Karena senyawa ini tidak stabil maka tahap berikutnya adalah

penyusunan ulang elektron-elektron yang ada. Dalam penyusunan ulang elektron

ini, terjadi pemutusan ikatan antara gliserol dan metil ester. Karena gliserol

menjadi bermuatan negatif, maka gliserol akan menarik satu atom H dari H2O dan

membentuk gliserol yang stabil sedangkan sisa atom O dan H dari H2O berikatan

dengan atom K yang terlepas dari metoksida membentuk katalis basa KOH

kembali. Demikian reaksi ini berlangsung terus menerus hingga semua asam

lemak lepas dari gliserol dan membentuk metil ester minyak sawit.

4.2.3.2. Hubungn antara luas permukaan, rerata jejari pori, dan volume pori

dengan uji aktivitas

Dalam proses perengkahan katalitik ini, luas permukaan, rerata jejari pori

dan volume pori erat kaitanya dengan uji akti.vitas. Menurut Sutarno, (2003)

katalis dengan luas permukaan besar akan mempunyai rerata jejari pori kecil dan

mempunyai rasio Si/Al besar, sehingga jumlah situs aktifnya juga banyak.

Hubungan antara luas permukaan dengan hasil uji aktivitas yang telah dianalisis

dengan GC ditunjukkan pada gambar 4.9, 4.10, dan 4.11 berikut ini.

62

Ni-1%/ZA Ni-2%/ZA Ni-3%/ZA

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

A, R

, V, d

an %

Fra

ksi K

onde

nsas

i

Sampel Katalis

Luas PermukaanRerata Jejari PoriVolume Pori% Fraksi Kondensasi

v=10 mL/menit

Gambar 4.9. Hubungan luas permukaan dengan % fraksi kondensat biogasoline pada laju alir gas hidrogen 10 mL/menit


20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

A, R

, V, d

an %

Fra

ksi K

onde

nsas

i

Sampel Katalis


v=20 mL/mnt

Gambar 4.10. Hubungan luas permukaan dengan % fraksi kondensat biogasoline pada laju alir gas hidrogen 20 mL/menit

63


20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

A, R

, V, d

an %

Fra

ksi K

onde

nsas

i

Sampel Katalis


v=30 mL/mnt

Gambar 4.11.Hubungan luas permukaan dengan % fraksi kondensat biogasoline pada laju alir gas hidrogen 30 mL/menit

Berdasarkan Gambar 4.9, 4.10, dan 4.11 dapat diketahui bahwa meskipun

luas permukaan Ni-1%/ZA paling besar dibandingkan katalis Ni-2%/ZA dan Ni-

3%/ZA, tapi rerata jejari pori Ni-2% berukuran medium dibandingkan katalis

yang lain, dan zeolit alam baik yang sudah diaktivasi maupun yang belum

diaktivasi. Sedangkan volume pori dari katalis Ni-2%/ZA paling besar, sehingga

kemungkinan pori pada katalis ini membentuk cekungan yang tidak begitu dalam,

akan tetapi melebar. Hal ini menyebabkan bertambah banyaknya situs aktif pada

permukaan katalis, sehingga memungkinkan terjadinya reaksi antara umpan

dengan situs aktif tersebut dan senyawa yang dibentuk juga lebih bervariasi. Oleh

karena itu, dengan katalis Ni-2% memiliki persen fraksi yang lebih tinggi

dibandingkan dengan yang lainnya.

64

4.2.3.3. Hubungan antara persen Ni dengan uji aktivitas

Jumlah persen Ni yang diembankan pada zeolit alam tentunya akan sangat

menentukan jumlah situs aktif dari katalis yang dipreparasi. Karena dengan

adanya pengembanan Ni dapat meningkatkan situs asam dari katalis

(Trisunaryanti et al.,2005). Berdasarkan Tabel 4.3 dapat diketahui bahwa efisiensi

logam Ni yang teremban pada katalis dari yang diembankan nilainya bervariasi,

walaupun ketiganya di atas 90% semua, tetapi efisiensi terbesar dimiliki oleh Ni-

2%/ZA. Hal inilah yang mempengaruhi % fraksi biogasoline yang dihasilkan.

Dengan katalis Ni-2%/ZA, walaupun laju alir gas hidrogen divariasi, tetapi %

fraksi biogasoline relatif hanya berselisih sedikit. Jika dibandingkan dengan kedua

katalis (Ni-1%/ZA dan Ni-3%/ZA) yang telah dipreparasi lainnya, dengan variasi

laju % fraksi mengalami kenaikan dan penurunan yang sangat drastis, maka

katalis Ni-2%/ZA ini dapat dikatakan relatif stabil dengan adanya perubahan laju

alir gas hidrogen.

4.2.3.4. Hubungan antara jumlah situs asam dengan uji aktivitas

Situs asam sangat menentukan jumlah situs aktif dalam katalis.Dengan

peningkatan keasaman, manandakan rasio Si/Al dalam katalis meningkat pula,

begitu pula situs aktifnya.Besarnya situs asam dari suatu katalis dapat ditentukan

dengan cara gravimetri, yaitu dengan amonia untuk menentukan keasaman total

dan dengan piridin untuk menentukan keasaman permukaan. Berdasarkan

pengukuran dengan metode gravimetri diperoleh data pada Tabel 4.2.nilai tersebut

65

diperoleh dari berat katalis yang kemudian ditentukan keasamannya dengan

persamaan:

W NH3 (ads)= W WW W M NH

x 1000 mmol/gram

Keterangan: W1=berat porselin setelah diberi sampel dan dipanaskan

W2=berat krus setelah dialiri NH3

W0=porselin kosong

Berikut disajikan Gambar hubungan antara jumlah situs asam total, situs asam

permukaan dan situs asam rungga pada katalis dengan % fraksi biogasoline yang

dihasilkan.

Ni-1%/ZA Ni-2%/ZA Ni-3%/ZA0

20

40

60

80

100

Kea

sam

an n

% F

raks

i Kon

dens

asi

Sampel Katalis

keasam an totalkeasam an perm ukaan keasam an rongga% Fraksi Kondensasi

v= 10 m L/m enit

Gambar 4.12. Hubungan antara jumlah situs asam total, situs asam permukaan dan

situs asam rongga pada katalis dengan % fraksi kondensat biogasoline pada laju alir gas hidrogen 10 mL/menit

66


20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Kea

sam

an n

% F

raks

i Kon

dens

asi

Sampel Katalis

keasaman totalkeasaman permukaan keasaman rongga% Fraksi Kondensasi

v= 20 mL/menit


situs asam rongga pada katalis dengan % fraksi kondensat biogasoline pada laju alir gas hidrogen 20 mL/menit


20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

Kea

sam

an n

% F

raks

i Kon

dens

asi

Sampel Katalis

keasaman totalkeasaman permukaan keasaman rongga% Fraksi Kondensasi

v= 30 mL/menit


situs asam rongga pada katalis dengan % fraksikondensat biogasoline pada laju alir gas hidrogen 30 mL/menit

67

Berdasarkan Tabel 4.2 dan Gambar 4.12, 4.13, dan 4.14 dapat dilihat

bahwa keasaman total terbesar memang dimiliki oleh Ni-1%/ZA, tetapi sebagian

besar berada di daerah rongga, sedangkan yang berada dipermukaan hanya

sedikit, begitu pula katalis Ni-3% juga mempunyai keasaman total dan keasaman

rongga lebih tinggi dari katalis Ni-2%/ZA, tetapi % fraksi biogasoline yang

dihasilkan relatif kecil. Hal ini karena pada katalis Ni-2%/ZA memiliki keasaman

permukaan paling tinggi dibandingkan yang lainnya, sedangkan umpan yang

berupa metil ester dari minyak sawit berukuran besar dan meruah, sehingga reaksi

hanya mungkin terjadi dipermukaan saja, karena metil ester tidak memungkinkan

untuk memasuki rongga katalis. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa

keasaman permukaan lebih berpengaruh terhadap % fraksi biogasoline

dibandingkan dengan keasaman total maupun keasaman rongga.

4.2.3.5. Hubungan antara laju alir gas hidrogen dengan uji aktivitas

Dalam penelitian ini hasil uji aktivitas fraksi biogasoline terkondensasi

dianalisis dengan GC.Hal ini karena pada analisis dengan terdapat dua fraksi,

yaitu fraksi gas dan fraksi terkondensasi. Fraksi gas yang dimungkinkan CO2 dan

senyawa rantai karbon pendek akan menguap bersama udara sekitar, sedangkan

fraksi terkondensasi tertampung pada tempat produk. Berdasarkan hasil uji

aktivitas ini akan diperoleh hasil GC yang berisi waktu retensi dan luas area

produk yang kemudian dapat dicari persen fraksi biogasoline tersebut. Adapaun

persamaan untuk mencari persen biogasoline tersebut adalah sebagai berikut.

% fraksi =

100%

68

Hubungan antara laju alir gas hidrogen dengan biogasoline yang dihasilkan pada

hasil perengkahan katalitik ini disajikan pada Gambar 4.15 berikut ini.

Ni-1% /ZA Ni-2% /ZA Ni-3% /ZA20

30

40

50

60

70

80

90

100

110laju 10 mL/menitlaju 20 mL/menitlaju 30 mL/menit

% F

raks

i Kon

dens

asi B

ioga

solin

e

Sampel Katalis

D C B

Gambar 4.15. Hubungan antara laju alir dengan % fraksi biogasoline

terkondensasi

Berdasarkan Gambar 4.15 di atas dapat dilihat bahwa dengan katalis Ni-

1%/ZA, laju alir optimumnya adalah 20 mL/menit, dengan % fraksi biogasoline

sebesar 100%. Pada katalis Ni-2%/ZA laju alir optimumnya adalah 10 mL/menit,

dengan persen fraksi 99,94%, dan dengan katalis Ni-3%/ZA, laju alir optimumnya

adalah 30 mL/menit. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa setiap katalis

dengan persen Ni berbeda akan menghasilkan laju alir optimum berbeda pula. Hal

ini karena dalam reaksi perengkahan minyak sawit ini gas hidrogen selain sebagai

reaktan juga berfungsi sebagai gas pembawa, sehingga jika laju alirnya terlalu

besar/terlalu cepat maka kemungkinan terjadinya interaksi antara umpan dengan

katalis relatif sedikit dan singkat, sehingga umpan belum sampai terengkah sudah

terbawa oleh gas, dan mengalir menuju tempat produk, begitu pula jika laju alir

69

gas hidrogen terlalu pelan maka kemungkinan terjadinya interaksi antara unpan

dengan katalis besar, tetapi karena lajunya terlalu lambat maka produk belum

sampai tempat produk, reaksi sudah dihentikan, sehingga hasil reaksinya juga

tidak akan baik.

4.2.3.6. Hubungan karakteristik katalis dengan % fraksi kondensat

biogasoline

Karakteristik katalis Ni/ZA ternyata berpengaruh besar terhadap % fraksi

kondensat biogasoline. Adapun hubungan antara karakteriktik katalis dengan %

fraksi kondensat biogasoline tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.16, 4.17, dan

4.18 dibawah ini:


1020

304050

6070

8090

100110120

130140

150

A,R

,V,K

easa

man

dan

% F

raks

i Kon

dens

asi

Sampel Katalis

Luas Permukaan Rerata Jejari PoriVolume PoriKeasaman TotalKeasaman Permukaan% Fraksi Kondensasi

v=10 mL/menitKeasaman Rongga

Gambar 4.16. Hubungan karakteristik katalis dengan % Fraksi kondensat

Biogasoline pada laju alir gas hidrogen 10 mL/menit

70


10

20304050

6070

8090

100

110120

130140

150A,

R,V

,Kea

sam

an d

an %

Fra

ksi K

onde

nsas

i

Sampel Katalis

Luas Permukaan Rerata Jejari PoriVolume PoriKeasaman TotalKeasaman PermukaanKeasaman Rongga% Fraksi Kondensasi

v=20 mL/menit




10

20

3040

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

A,R

,V,K

easa

man

dan

% F

raks

i Kon

dens

asi

Sampel Katalis

Luas Permukaan Rerata Jejari PoriVolume PoriKeasaman TotalKeasaman PermukaanKeasaman Rongga% Fraksi Kondensasi

v=30 mL/menit



71

Pada Gambar 4.16, 4.17 dan 4.18 ditunjukkan bahwa dengan adanya luas

permukaan katalis yang besar ternyata tidak berarti akan menghasilkan % fraksi

kondensasi biogasolineterbaik, tetapi justru relatif tidak stabil dengan adanya

perubahan laju alir gas hidrogen. Hal ini dikarenakan pada katalis dengan luas

permukaan terbesar (Ni-1%/ZA) mempunyai rerata jejari yang kecil dan volume

pori medium, sehingga dapat digambarkan bahwa bentuk pori dari katalis ini kecil

dan dalam. Dengan demikian keasaman permukaan katalis Ni-1%/ZA lebih kecil

dibandingkan katalis Ni-2%/ZA, meskipun katalis Ni-2%/ZA mempunyai luas

permukaan yang tidak terlalu besar, tetapi dengan adanya rerata jejari yang agak

besar dengan volume pori yang besar, maka dimungkinkan bentuk pori dari

katalis ini melebar dan tidak terlalu dalam, sehingga menyebabkan keasamannya

pun lebih besar dibandingkan katalis Ni-1%/ZA begitu pula situs aktifnya.

Adanya keasaman yang besar dipermukaan menyebabkan molekul umpan

yang berupa metil ester lebih mudah teradsorpsi pada permukaan katalis. Itulah

sebabnya katalis Ni-2%/ZA relatif stabil dalam menghasilkan % fraksi kondensasi

biogasoline meskipun laju alir gas hidrogennya berubah. Pada katalis Ni-3%/ZA

menghasilkan % fraksi kondensasi biogasoline yang lebih kecil dibandingkan

katalis Ni-1%/ZA dan katalis Ni-2%/ZA karena pada katalis Ni-3%/ZA

mempunyai luas permukaan yang kecil dengan rerata jejari dan volume pori kecil,

serta keasaman terbesar berada di dalam rongga, sehingga situs yang berada

dipermukaan hanya sedikit. Oleh karena itu diperoleh % fraksi yang sedikuit pula.

Adapun gambaran bentuk pori dari ke-tiga katalis tersebut adalah sebagai berikut:

72

Katalis Ni-1%/ZA Katalis Ni-2%/ZA Katalis Ni-3%/ZA

Gambar 4.19. Ilustrasi ukuran pori katalis Ni-1%/ZA, Ni2%/ZA dan Ni-3%/ZA

Dengan adanya rejari pori yang lebih besar, maka situs aktif di permukaan katalis

juga akan semakin banyak. Dari beberapa karakrteristik katalis tersebut yang

paling berpegaruh terhadap % fraksi biogasoline adalah keasaman permukaan,

karena semakin besar nilai keasaman permukaan katalis tersebut, maka akan

semakin banyak jumlah situs aktifnya sedangkan keasaman di dalam rongga

katalis tidak begitu berpengaruh karena molekul reaktan yang besar dan meruah

tidak dapat memasuki rongga katalis.

4.2.3.7. Hasil GC dan GCMS

Pada hasil GC diperoleh 9 produk dengan peak yang berbeda-beda.Dari

hasil GC ini % fraksi terbesar diperoleh oleh katalis Ni-1%/ZA dengan laju alir 20

mL/menit.Berdasarkan hasil GC yang ditunjukkan pada Tabel 4.5 maka dilakukan

analisis selanjutnya dengan GCMS pada produk dengan kondisi optimum.

Berdasarkan Tabel 4.6 dapat diketahui bahwa hasil perengkahan dengan katalis

Ni/Zeolit Alam ini menghasilkan beberapa produk, diantaranya adalah 2-metil

pentana, 3-metilpentana, n-heksana, 2-metil-1-pentena, 2,2-dimetil heksana, 2,2,4-

trimetil pentana, 4-metil-1-heksena, 2,2,3,3-tetrametil butana, 2,2,4-trimetil

pentana. Hal ini sesuai dengan reaksi yang dijelaskan oleh Handoko et al., 2009

73

pada Gambar 2.6, 2.7, dan 2.8. yang menjelaskan bahwa pada reaksi perengkahan

akan terbentuk alkana dan senyawa ester. Akan tetapi pada reaksi ini tidak

dihasilkan senyawa ester dikarenakan senyawa tersebut bereaksi atau berinteraksi

lagi dengan gugus aktif dari katalis Ni/Zeolit, sehingga menghasilkan alkana lagi

dan beberapa gas lain seperti CO2, CO, dan gas H2O yang kemudian menguap

baik selama reaksi perengkahan terjadi maupun setelah reaksi perengkahan

terjadi. Hal ini sesuai dangan reaksi yang ditunjukkan oleh Hubber et al., 2007

pada Gambar 2.4.Sedangkan reaksi yang mungkin terjadi dalam perengkahan

minyak sawit menjadi biogasolinemenurut Snare et al., 2007 ini adalah sebagai

berikut:

Gambar 4.20. Reaksi perengkahan trigliserida menjadi karbondioksida, alkana dan alkena (Snare et al., 2007 termodifikasi)

C

C

C

C

C

O

O

O

CO

O

O

C( H2)7 CH CH(CH2)7CH3

(CH2)7 CH CHCH2CH CH 4CH3

(CH )2 7CH CH2CHCH CHCH2CH CH2CHCH 3

O3CH (CH2)7 (CH2)7 C O

CH3C H2 5 CH2 C

OOCH3

CH2 (CH )2 7

3 2 4

3+ KOH + CH OH

CH2 COOCH3

CH (CH ) 2 (CH ) 7

(CH2 ) 3

++++HC8 18 CO2 CH3 C H3 8 C6H12 C H7 14+

H2

H2

H2

74

Menurut Clark (2003) senyawa hidrokarbon C15H32 dapat dipecah dengan

menggunakan zeolit melalui catalytic cracking.Proses pemutusan rantai panjang

hidrokarbon pada minyak kelapa sawit menjadi hidrokarbon rantai pendek diduga

melalui reaksi perengkahan sebagai berikut:

Gambar 4.21. Reaksi perengkahan C15H32 menjadi etena, propena dan oktana (Clark, 2003)

77

BAB 5

PENUTUP

5.1 Simpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan, maka dapat diambil

kesimpulan sebagai berikut:

1. Kadar total Ni yang dapat diembankan pada zeolit alam yang

menghasilkan aktivitas katalitik terbaik untuk perengkahan minyak sawit

menjadi biogasoline adalah 2%.

2. Katalis Ni/Zeolit Alam yang telah dipreparasi mempunyai struktur

kristalyang sama bagusnya dengan zeolit awal dengan luas permukaan Ni-

1%/ZA 119,07 m2/g, Ni-2%/ZA 90,56 m2/g, dan Ni-3%/ZA 58,52 m2/g,

keasaman total masing-masing katalis 21,780 x 10-4 mol/g, 11,090 x 10-4

mol/g, 16,560 x 10-4 mol/g, dan keasaman permukaan katalis 5, 210 x 10-4

mol/g, 6,501 x 10-4 mol/g, dan 4,550 x 10-4 mol/g. Sedangkan efisiensi

kandungan logam Ni dalam ketiga katalis sebesar 94,40 %, 99,40 %, dan

98,13 %.

3. Persentase produk kondensasi fraksi biogasolinedengan katalis Ni-1%/ZA

pada laju gas hidrogen 10-30 mL/menit antara lain 29,57%, 100%, dan

58,51%, dengan katalis Ni-2%/ZA, 99,94%, 99,94%, dan 98,65%, serta

dengan Ni-3%/ZA yaitu 29,86%, 28,43%, dan 52,86%.

4. Senyawa-senyawa kimia penyusun produk biogasoline dengan rantai

hidrokarbon C5-C11yang dihasilkan adalah2-metil pentana, 3-metilpentana,

n-heksana, 2-metil-1-pentena, 2,2-dimetil heksana, 2,2,4-trimetil pentana,

4-metil-1-heksena, 2,2,3,3-tetrametil butana, 2,2-dimetil heksana.

76

5.2 Saran

Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, penulis dapat memberikan

saran sebagai berikut:Perlu dilakukannya modifikasi alat reaksi perengkahan

minyak sawit supaya jumlah produk yang dihasilkan lebih banyak, sehingga dapat

dilakukan uji fisik terhadap produk biogasoline yang dihasilkan supaya

karakteristikdari biogasoline yang dihasilkan dapat diketahui sehingga dapat

dibandingkan dengan SNI premiun.

77

DAFTAR PUSTAKA

Abdulah, Mikrajuddin., Khairurijal. 2010. Karakterisasi Nanomaterial Teori, Penerapan, dan Pengolahan Data. Bandung: CV. Rezeki Putera Bandung: 45-47; 95-97.

Bijang, Catherina M., Yateman Arryanto., Wega Trisunaryanti. 2002. Pengaruh

Logam Nikel terhadap Aktivitas Katalis Ni/Zeolit Y dalam Reaksi Hidrorengkah Minyak Bumi.Teknosains, 15(1): 57-69.

Clark, Jim. 2003. Cracking

alkanes.http://www.chemguide.co.uk/crackingalkanes.htm diunduh tanggal 19-20 Oktober 2009.

Farouq A.Twaiq, Asmawati Noor M. Zabidi, Abdul Rahman Mohamed and

SubhashBhatia. 2003. Catalytic Conversion of Palm Oil Over Meso PorousAluminosilicate MCM 41 for The Production of Liquid Hydrocarbon Fuel, FuelProcessing Technology. Elsevier Science B.V., Publisher, 84(1-3): 105 – 120.

Fatimah, Is. 2002. Optimasi Laju Alir Gas H Dan Perbandingan Berat Katalis

Terhadap Umpan Serta Kajian Kinetika Pada Hydrocracking Isopropil Benzena Menggunakan Katalis Ni/Zeolit Y. LOGIKA. ISSN:1410-2315, 7(8): 40-50.

Fessenden, Ralp J. dan Joan S. Fessenden.1999. Kimia Organik Edisi Ketiga Jilid

2.Translated by Aloysius Hadyana Pudjaatmaka. Jakarta: Erlangga: 268; 414.

Gates, Bruce C. 1991. Catalytic Chemistry. America: United States of America:

19-23. Handoko, D. S. P., 2002. Pengaruh Perlakuan Asam, Hidotermal, dan Impregnasi

Logam Kromium pada Zeolit Alam dalam Preparasi Katalis. Jurnal ILMU DASAR,3(2): 103-109.

Handoko, D. S. P., 2006. Mekanisme Reaksi Konversi Katalitik Jelantah menjadi

Senyawa Fraksi Bahan Bakar Cair dengan Katalis Ni/H5-NZA dan Reaktor Flow Fixed-Bed.Jurnal ILMU DASAR, 7(1): 42-51.

78

Handoko, D. S. P., 2009. Aktivitas Katalis Ni/Zeolit Pada Konversi Katalitik Metil Ester Minyak Goreng Jelantah (MEWCO) Pada Temperatur 450 OC menjadi Senyawa Fraksi Bahan Bakar.Jurnal ILMU DASAR, 8(1): 1-13.

Handoko, D. S. P., Triyono., Narsito., dan Tutik Dwi Wahyuningsih. 2009.

Pengaruh Temperatur terhadap Kinerja Katalis Ni/Zeolit pada Reaksi Hidrogenasi Katalitik 1-Oktadekena.Reaktor: 12 (4): 218-225.

Hapsari, Yanuar Rita. 2010. Konversi Jelantah Menjadi Biodiesel dan Uji Unjuk

Kerjanya. Skripsi. Semarang: Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Semarang: 36-38.

Hart, MP., Brown, D.R.J. 2004. Mol.catal. A: Chem: 212; 315-321. Hubber, G. W., Paul O., dan Avelino C. 2007. Processing Biomass in

Conventional oil refineries: Production of High Quality Diesel by Hydrocracking Vegetable Oil in Heavy Vacuum Oil Mixtures. Elsevier B. V. Applied Catalysis A. 329: 120-129.

Kadarwati, Sri., Eko Budi Susatyo., Dhian Ekowati. 2010. Aktivitas katalis

Cr/zeolit pada reaksi konversi minyak jelantah menjadi bahan bakar cair. Sainteknol: 8(1): 9-16.

Le Page. 1987. Applied Heterogenous Catalysis. Edition Technip: Paris: 127. Liu, J., Cao, Z., Xu, X. 2006. Hydro – upgrading of FCC Gasoline on Ni-Mo-

P/USY Catalyst. Buletin of the Catalysis Society of India: 87-93. Mulyaningsih, Dani. 2012. Uji Aktivitas Katalis Moni/Bentonit Hasil Preparasi

Pada Reaksi Hidrogenasi Perengkahan Katalitik Asam Oleat. Skripsi Bandung: Jurusan Pendidikan Kimia UPI: 8-12.

Murdijanto, Dora N., Agus Setiabudi., Ratnaningsih Eko. 2010. Sintesis,

Karakterisasi dan Uji Aktivitas Katalis Ni/Al2O3 pada Reaksi Hydrocracking Minyak Nabati.Jurnal Sains dan Teknologi Kimia.ISSN 2087-7412, 1(1): 30-37.

Ningrum, Nining Sidini., Suganal., Hermanu Prijono. 2009. Pengkajian Pengaruh

Penambahan Nikel dan Krom pada Katalis Berbasis Besi untuk Pencairan Batubara.Jurnal Teknologi Mineral dan Batubara:5(3):131-137

79

Nurjannah., Irmawati., Achmad Roesyadi., Danawati. 2010. Perengkahan Katalitik Asam Oleat Untuk Menghasilkan Biofuel Menggunakan HZSM-5 Sintesis.Laporan Penelitian Program Kreativitas Mahasiswa DP2M Dikti. Surabaya: Jurusan Teknik Kimia FTI ITS: 1-8.

Prihandana, Rama., Kartika Noerwijari., Praptiningsih Gamawati., Adinurani.,

Dwi Setyaningsih., Sigit Setiadi., dan Roy Hendroko. 2007. Bioetanol Ubi Kayu Bahan Bakar Masa Depan. Jakarta: Penebar Swadaya: 1-20.

Purwono, Suryo., Wega Trisunaryanti., Siti Salamah., Wahid Hasim., Arenal.

2006. Hydrocracking aspal buton dengan katalisator nikel-paladium, Ni-Pd dalam penggemban zeolit. FORUM TEKNIK.ISSN: 0216-7565, 30(2): 106-119.

Rifan.Hardian. 2008. Studi Pendahuluan Konversi Trigliserida RBDPO menjadi

Alkana Cair sebagai Bahan Bakar Alternatif melalui Proses Hidrogenasi Katalitik.Skripsi. Bandung: Jurusan Pendidikan Kimia UPI: 20.

Rodiansono., Trisunaryanti, W., dan Triyono. 2007. Pembuatan, Karakterisasi dan

Uji aktivitas Katalis NiMo/Z dan NiMo/Z-Nb2O5 Pada Reaksi Hidrorengkah Fraksi Sampah Plastik Menjadi Fraksi Bensin. Berkala MIPA, 17(2): 43-54.

Radiansono.,Chairul Irawan., Dwi Rasy Mujiyanti. 2009. Preparasi dan

Karakterisasi Katalis Ni, Co yang Diembankan pada Zeolit-Zcp-50 Menggunakan Metode Matrik Polimer. Sains dan Terapan Kimia. 2 (1): 1 – 13.

Schwarz. 1995. Methods for Preparation of Catalytic Materials. Chemical Review. 95: 477-510.

Setiadi dan Fitria, R. M. 2006. Proses Katalitik Sintesis Hidrokarbon Fraksi

Bensin dari Minyak Sawit Menggunakan Katalis B2O3/Zeolit.Seminar Nasional MKICS, Universitas Indonesia, 26-27 Juni 2006: 1-5.

Silaen, Sabar. 2010. Pengaruh Tipe Katalis KOH dan CaO pada Pemuatan

Biodiesel Turunan Minyak Kacang Tanah Melalui Transesterifikasi Dengan Lama Reaksi 3 Jam pada Suhu 65oC Menggunakan Eter Sebagai Cosolvent. Tesis. Program Pasca Sarjana FMIPA : USU.

80

Snare, M., I. Kubickova., P. Maki-Arvela., D. Chichova., K. Era¨nen., D.Yu. Murzin. 2007. Catalytic deoxygenation of unsaturated renewable feedstocks for production of diesel fuel hydrocarbons. Elsevier: 933-945.

Susanti, D. P. dan Panjaitan, S. 2010. Manfaat Zeolit dan Rock Phosphat Dalam

Pengomposan Limbah Pasar. Prosiding PPI Standarisasi, Banjarmasin, 4 Agustus 2010: 1-12.

Sutarno., Yateman Arryanto., Stefani Wigati. 2003. Pengaruh Rasio Mol Si/Al

Larutan Prekursor pada Karakter Struktur MCM-41 dari Abu Layang. Indonesi Indonesian Journal of Chemistry, 3(2): 126-13.

Tim Penyusun PS. 2000. Usaha budidaya, pemanfaatan hasil, dan aspek pemasaran Kelapa sawit. Jakarta: Penebar Swadaya: 157-158.

Trisunaryanti, W., Triwahyuni, E., dan Sudiono, S. 2005. Preparasi, Modifikasi

dan Karakterisasi Katalis Ni-Mo/Zeolit Alam dan Mo-Ni/Zeolit Alam. TEKNOIN, 10(4): 269-282.

Triyono. 2002. Kimia Katalis. Yogyakarta: Jurusan Kimia Fakultas Matematika

dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada: 101. Widayat, Luqman Buchori. 2009. Pembuatan Biodiesel Dari Minyak Goreng

Bekas Dengan Proses Catalytic Cracking. Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia-SNTKI 2009, ISBN 978-979-98300-1-2: 1-8.

Wijanarko, Anondho.,Dani Ahmad Mawardi., Dan Mohammad Nasikin. 2006.

Produksi Biogasoline dari Minyak Sawit melalui Reaksi Perengkahan Katalitik dengan Katalis γ-Alumina.MAKARA, TEKNOLOGI, 10(2): 51-60.

Witanto, Esis., Wega Trisunaryanti., dan Triyono. 2010. Preparasi dan

Karakterisasi Katalis Ni-Mo/Zeolit Alam Aktif. Seminar Nasional VI SDM Teknoologi Nuklir Yogyakarta, 18 November 2010, ISSN 1978-0176: 739-746.

81

Lampiran 8. Hasil Analisis GCMS

A. Hasil Analisis GCMS Biogasoline pada Temperatur Optimum Secara Kuantitatif

B. Hasil Analisis GCMS Biogasoline pada Temperatur Optimum Secara Kualitatif

Hidrokarbon % Area ProdukC1‐C4 0C5‐C11 100>C11 ‐

Waktu Retensi MR Senyawa 2,583 86 2‐metilpentana2,642 86 3‐metilpentana 2,717 86 n‐heksana 2,908 86 3‐metil pentana 3,192 84 2‐metil‐1‐pentena 3,267 114 2,2‐dimetil heksana 3,483 114

1142,2‐dimetil heksana (isooktana), 2,2,4‐trimetil pentana

3,533 98 4‐metil‐1‐heksena3,883 114

114 114

2,2,3,3‐tetrametil butana 2,2,4‐trimetil pentana (isobutil trimetil metana)

L

Lampiran 9. D

Peren

Perbandinga

Dokumentasi

ndaman HCl 6

an antara min

i Penelitian

6M

nyak sawit, gu

liserol, mepontuk running

Impregna

o awal, dan mg

asi Logam Ni

mepo setelah

82

digunakan

K

Katalis Ni/ZA

Perb H‐ZA, Ni

A setelah di ov

andingan wai‐1%/ZA, Ni‐1dan Ni‐3%/

ven

arna katalis (Z1%/ZA, ZA)

Analisis keas

Ka

ZA, M per

saman padat

atalis Ni/ZA s

Mepo dan bebrengkahan

an (katalis)

setelah dioks

berapa produ

83

sidasi

uk

KONVERSI MINYAK SAWIT MENJADI BIOGASOLINE ...

Documents

Transcript of KONVERSI MINYAK SAWIT MENJADI BIOGASOLINE ...