SPESI AKTIF KATALIS HASIL IMPREGNASI BORON OKSIDA UNTUK REAKSI OKSIDATIF DEHIDROGENASI ETANA

disampaikan dalam Seminar Katalis dan Katalisis : Peningkatan Nilai Tambah, Efisiensi, dan Ramah Lingkungan

Depok, 26-27 Juni 2006

oleh

Setiadi

e-mail : setiadi@che.ui.edu

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok – 16434, Indonesia,

Judul

Research Background – Relevancy ???

Natural Gas

LNGLight Hydrocarbons

Petroleum refinery

Fractionation (gas product)

The origin of Ethane compound

Ethane

Ethylene

Petrochemicals Industries

(PE, Ethylene Oxide, Ethylbenzene, Vinyl Chloride, etc.)

Research Work with partial Oxidation

Naphtha

Scope – Catalytic Process

Etilena / oksigenat

(CH3CHO, HCHO, dll)Etana

Etana : salah satu fraksi komponen gas alam dan hasil fraksinasi fraksi ringan minyak mentah. Jumlahnya cukup melimpah.

1. Kemampuan katalisis terimpregnasi B2O3 dalam reaksi dehidrogenasi, dehidrasi maupun deoksigenasi terletak pada kemampuan interaksi berupa terbentuknya spesi peroksida (O2

-2)2. Lattice oxygen (oksigen kisi, O-2), umumnya sangat aktif untuk oksidasi

total menjadi CO2, dan sangat tidak cocok untuk partial oxidation etana menjadi etilena ataupun produk oksgenat.

3. Perlu modifikasi dengan penambahan boron oksida untuk menghilangkan peran oksigen kisi dalam reaksi dehidrogenasi.

C2H4 : senyawa penting

sbg. building block bahan baku utama yang sangat

penting bagi industri petrokimia

B2O3/YSZ, B2O3/ Al2O3, B2O3/Sm2O3

Oxidative Dehydrogenation

Reaction Mechanism of ethane oxidative dehydrogenation(Sumber : Otsuka dan Setiadi, Master Thesis & Catalysis Today 1995)

Interaksi antar partikel B2O3 support YSZ, Al2O3 disertai

terbentuknya spesi peroksida (O2

2-) saat kalsinasi atau reaksi

Adsorpsi dan aktivasi molekul etana pada spesi peroksida (O2

-)

Pembentukan produk C2H4 dan regenerasi dengan O2 membentuk spesi peroksida

Pembentukan produk okdigenat asetal dehida & pemulihan dengan O2 membentuk spesi peroksida

apa & mengapa B2O3-YSZB2O3-Al2O3 ???Kerjanya ???

B : BoronM : Logam Al, Zr,

Catalytic Process by B2O3/YSZ or B2O3/Al2O3

Lattice Oxygen (O2-), Oksg. kisi

Tujuan Pengembangan reaksi katalisis oxidative dehidrogenasi dgn. mengetahui kinerja katalis B2O3

Studi reaksi oksidasi parsial etana dengan membandingkan kereaktifan masing-masing paduan katalis B2O3/YSZ, B2O3/Al2O3 dan B2O3/ Sm2O3.

Mengkaji hasil pengamatan hasil karakterisasi XRD, BET dan XPS untuk mengklarifikasi peran dan keberadaan spesi peroksida pada permukaan katalis.

Bahan H3BO3, YSZ, Al2O3, Sm2O3

Etana (Reaktan), Quartz WoolQuartz sand 10-15 mesh

Alat Uji Reaksi Reaktor Quartz sand 8 mm i.d. Kondisi Operasi Suhu 823, 873 K Tekanan atmosferik

Instrumen analisa Produk gas ---- GC- TCD

Metode Penelitian

Metode Penelitian

Ilustrasi Penyebaran Partikel B2O3 pada permukaan YSZ, Al2O3 atau Sm2O3

YSZ, etc.

Impregnasi

Pengeringan

Kalsinasi

Katalis B2O3 hasil akhir metode impregnasi

Larutan H3BO3

YSZ, Al2O3,

Sm2O3 padatan

300 oC, 2 jam 750 oC, 2 jam

75 oC

80 oC

Langkah-langkah Preparasi katalis Metode Impregnasi

Reaksi dilakukan pada reaktor unggun tetap beraliran kontinyu, bertekanan atmosferik

C2H6

O2

HeSAMPLING

BOX

REAKTOR

On Line GC

Vent

Skema sarana uji katalis dalam reaksi oxidative dehidrogenasi Etana

Furnace

Furnace

Quartz wool

Katalis

Profil Fixed Bed Reactor & Furnace

Kandungan B2O3 vs laju konversi etana B2O3/YSZ

0% B2O3/YSZ : High Active for Total

Oxidation (O2-)

0 – 5 % B2O3/YSZ region The Destruction Active Site of Total Oxidation

15 % B2O3 content Highest Active Catalyst

For Oxidative Dehydrogenation

B2O3 > 5 % wt region for Peroxide (O2

-2 ) generation

Hasil dan Pembahasan

Kandungan B2O3 vs laju pembentukan produk Katalis B2O3/YSZ

0% B2O3 /YSZ : High Active for Total

Oxidation (O2-)

0 – 5 % B2O3/YSZ region The Destruction Active Site of Total OxidationDecreasing COx Rate

15 % B2O3 Highest Active For Oxidative

Dehydrogenation Products Ethylene

& acetaldehyde

B2O3 > 5 % wt region for Peroxide (O2

-2 ) generation

Hasil dan Pembahasan

Kandungan B2O3 vs Luas Permukaan Katalis B2O3/YSZ

0 – 5 % B2O3/YSZ region The Destruction Active Site of Total Oxidation

0% B2O3 /YSZ : High Active for Total

Oxidation (O2-)

15 % B2O3 Highest Active Catalyst for oxidative

dehydrogenation, S.A < 20 m2/g

Hasil dan Pembahasan

Perbandingan Spektrum XRD sample katalis B2O3 /YSZ

Highest Active Catalyst for oxidative dehydrogenation

Hasil dan Pembahasan

simbol warna hitam – hasil reaksi tanpa katalis

simbol putih – data hasil reaksi dengan katalis

Induction period

Perbandingan hasil reaksi dehidrogenasi etana dengan kat. 15% B2O3/YSZ

vs non katalitik pada berbagai suhu reaksi

Hasil dan Pembahasan

Kandungan Boron oksida vs Laju Konversi Etana (B2O3/Al2O3)

Hasil dan Pembahasan

~15 % B2O3- awal pembentukan spesi

peroxide

Laju konversi maks, 0,22 mmol/h.m2 pada

~ 30 % B2O3

Kandungan Boron oksida vs. Laju produk (B2O3/Al2O3)

Hasil dan Pembahasan

Laju maksimal produk etilen, ~200

μmol/h.m2

Laju maksimal produk CH3CHO, 10μmol/h.m2

~15 % B2O3

Minimum laju Produk hasil

Hasil dan Pembahasan

Kandungan boron oksida vs Luas katalis (B2O3/Al2O3)

Kandungan 30 % B2O3, SA ~ 60 m2/g, komposisi terbaik

0% B2O3 /YSZ : High Active

for Total Oxidation (O2-)

Perbandingan Spektrum XRD katalis B2O3/Al2O3

Hasil dan Pembahasan

Highest Active Catalyst for oxidative dehydrogenation

Amorphous

Kandungan Boron Oksida vs Laju Konversi Etana (B2O3/Sm2O3)

Hasil dan Pembahasan

0 – 10 % B2O3/Sm2O3 region The Destruction Active Site of Total Oxidation

Kandungan Boron oksida vs Laju Produk (B2O3/Sm2O3)

Hasil dan Pembahasan

Hasil dan Pembahasan

Gambar 11 Spektrum XPS untuk katalis 15 % B2O3/ Sm2O3 (Sumber : Setiadi, Thesis 1994)

Gambar 12 Spektrum XPS untuk katalis 30 % B2O3/ Sm2O3 (Sumber : Setiadi, Thesis 1994)

Gambar 9 Spektrum XPS untuk katalis 15 % B2O3/YSZ (Sumber : Setiadi, Thesis 1994)

Gambar 10 Spektrum XPS untuk katalis 30 % B2O3/ Al2O3

(Sumber : Setiadi, Thesis 1994)

Spesi Peroxide pada sekitar

energi ikat 531 eV

Sekitar 531 eVTidak ada Peak

+ C2H6 + O2

Inti aktif katalis dalam reaksi dehidrogenasi etana menjadi etilena

Hasil dan Pembahasanspesi permukaan peroxide terjadi pd. kandungan B2O3 > 15 % (YSZ) &maksimum pd. 30 % B2O/Al2O3, untuk Sm2O3------ No Formation

Pengaruh kandungan B2O3 dalam sistem katalis B2O3/YSZ maupun

B2O3/Al2O3 mampu menekan terbentuknya produk total oksidasi (CO

&CO2) dengan penambahan kandungan B2O3 sampai 5% untuk

YSZ, dan 15 % untuk Al2O3. Sedangkan pengaruh penambahan

B2O3 pada Sm2O3 malahan mematikan kereaktifan katalis.

Penambahan B2O3 diatas 5% untuk katalis B2O3/YSZ dan diatas 15

% untuk katalis B2O3/Al2O3 merubah sifat katalis menjadi sangat aktif

untuk reaksi dehidrogenasi etana. Komposi terbaik untuk katalis

B2O3/YSZ adalah 15 % berat B2O3 dan 30 % untuk katalis B2O3/Al2O3.

Hasil karakterisasi katalis metode XPS ternyata konsisten dengan hasil kinerja katalitiknya, sehingga sangat kuat diduga bahwa inti aktif katalis untuk reaksi dehidrogenasi etana adalah spesi peroksida yang berasal dari hasil interaksi antara B2O3 dengan YSZ dan Al2O3

pada bidang kontak antar permukaan partikel kedua tersebut.

Kesimpulan