STUDI KINETIKA REAKSI DEKOMPOSISI GAS N2O DENGAN ...

STUDI KINETIKA REAKSI DEKOMPOSISI GAS N2O

DENGAN KATALIS Cr2O3/ZEOLIT DAN Co3O4/ZEOLIT

SEBAGAI CATALYTIC CONVERTER

UNTUK MEREDUKSI GAS N2O

Tugas Akhir II

diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains Jurusan Kimia

oleh

Bambang Priyambudi

4350402011

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2007

ii

PERSETUJUAN PEMBIMBING

Tugas Akhir II ini telah disetujui oleh pembimbing untuk diajukan ke

Sidang Panitia Ujian Tugas Akhir II Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang.

Semarang, Agustus 2007

Pembimbing I Pembimbing II Drs. Kasmui, M. Si Ir. Sri Wahyuni, M. Si NIP 131931625 NIP 131931626

Pembimbing III

Drs. Chairil Anwar, M. Si NIP 100009774

iii

HALAMAN PENGESAHAN

Tugas Akhir II ini telah dipertahankan di hadapan Sidang Panitia Ujian

Tugas Akhir II Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Negeri Semarang, pada

Hari : Jumat

Tanggal : 10 Agustus 2007

Panitia Ujian

Ketua Sekretaris

Drs. Kasmadi I.S, M. S Drs. Sigit Priatmoko, M. Si NIP 130781011 NIP 131965839 Penguji I Penguji II/ Pembimbing I Drs. Sigit Priatmoko, M. Si Drs. Kasmui, M. Si NIP 131965839 NIP 131931625 Penguji III/ Pembimbing II Penguji IV/ Pembimbing III Ir. Sri Wahyuni, M. Si Drs. Chairil Anwar, M. Si NIP 131931626 NIP 100009774

iv

PERNYATAAN

Saya menyatakan bahwa yang tertulis dalam Tugas Akhir II ini benar-

benar hasil karya sendiri, bukan jiplakan dari karya orang lain, baik sebagian atau

seluruhnya. Pendapat atau temuan orang lain yang terdapat dalam Tugas Akhir II

ini dikutip atau dirujuk berdasarkan kode etik ilmiah.


Bambang Priyambudi NIM. 4350402011

v

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

Motto: Jadikanlah sabar dan sholat sebagai penolongmu, sesungguhnya ALLAH bersama orang-oraang yang sabar (Q.S. Al Baqoroh, 153). Takutlah pada ALLAH dikala sunyi dan ramai, sederhanalah dikala mampu dan tidak, berbuat adillah dikala senang dan tidak (Drs.Mustaghfiri Asror, 1984:44). Hapuslah peluh dan keringat orang tuamu dengan mempersembahkan segala yang terbaik bagi mereka (orang bijak). Pengorbanan pada dasarnya bukanlah kerugian tetapi investasi dan bekal menuju kemulian dunia dan akherat (AA Gym). Manisnya keberhasilan akan menghapus pahitnya kesabaran, nikmatnya kemenangan akan melenyapkan letihnya perjuangan dan menuntaskan pekerjaan dengan baik akan melenyapkan lelahnya jerih payah (Dr. Aidh Al Qarni).

Persembahan: Dengan mengucap syukur kepada Allah SWT, ku persembahkan karya kecil ini kepada:

Ayahanda dan ibunda tercinta, yang selalu tulus ikhlas mendoakan dan mencurahkan kasih sayangnya. Terima kasih atas kesabaran, bantuan, dan dorongannya.

Kakak-kakakku (Teh Gopie ‘n Teh Geulis) dan adek-adekku (Dody, Saraswati, Arif ‘n Maia) tersayang serta keluarga besarku, yang selalu menjadi lentera semangatku. Dukungan dan motivasi kalian adalah pengiring langkahku meniti masa depan.

Sobat-sobatku Semarang (Wahyu, Wirda, Eti, Titin, Okta, Mislina, Yuan, Syamsul, Nugi ‘n Ferdy), yang telah memberikan mutiara berharga yang akan senantiasa mewarnai di setiap langkah kakiku.

Anak-anak Chem-Is-try ’02, yang telah memberikan pengalaman dan nuansa indah. Batur-batur nu di Cirebon, yang telah memberikan fenomena alam menjadi lebih indah. Sohib-sohib seperjuanganku Jakarta {Herry (UNIBRAW), Roby (UNPAD), Hariz

(SMAK-Padang), Mz Wawan (Art Glass) ‘n SOFI (BSI)}. Ingat selalu pada kami yang belum sukses. Untuk Asrim (VICO) ’n Iman (CNOOC), doakan kami segera menyusul..!

Anak-anak “Sumpani Cost”, “Teteh Kozt” & “….Cozt”. Hari-hari bersama kalian adalah kenangan terindah.

Karyawan-karyawan LEMIGAS (Mba Diyan, Mz Ali, Mz Slamet, P.Kardi, P.Cipto, B.Roza, Mba Rika ‘n P.Birmanto). Terima kasih atas bantuan, ilmu dan spiritnya.

Guru-guru dan almamaterku tercinta yang pernah menjadi pijakanku.

vi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan

rahmat, taufik dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan

penyusunan Tugas Akhir II yang berjudul “Studi Kinetika Reaksi Dekomposisi

Gas N2O dengan Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit sebagai Catalytic

Converter untuk Mereduksi Gas N2O” ini dengan baik, yang merupakan salah

satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains dalam bidang Kimia di Fakultas

MIPA Universitas Negeri Semarang.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis mengucapkan terima kasih yang

sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu secara langsung

maupun tidak langsung. Rasa terima kasih itu penulis sampaikan kepada:

1. Dr. Ir. Hadi Purnomo, M. Sc., DIC selaku Kepala Pusat Penelitian dan

Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi (PPPTMGB) “LEMIGAS”.

2. H. Agus Salim, S. H., M. H., selaku Kepala Bidang Afiliasi PPPTMGB)

“LEMIGAS”.

3. Dra. Yanni Kussuryani, M. Si selaku Koordinator Kelompok Program Riset

dan Teknologi (KPRT) Proses “LEMIGAS”.

4. Drs. Kasmadi Imam S., M. S., selaku Dekan FMIPA Universitas Negeri

Semarang.

5. Drs. Sigit Priatmoko, M. Si., selaku Ketua Jurusan Kimia FMIPA Universitas

Negeri Semarang sekaligus penguji utama yang telah berkenan memberikan

koreksi dan masukan untuk perbaikan naskah Tugas Akhir ini.

6. Drs. Kasmui, M. Si, selaku pembimbing I atas segala kesabaran dan

bimbingan yang diberikan selama penyusunan Tugas Akhir.

7. Ir. Sri Wahyuni, M. Si, selaku pembimbing II atas segala pengarahan dan

perhatian yang diberikan selama penyusunan Tugas Akhir.

8. Drs. Chairil Anwar, M. Si, selaku pembimbing dari “LEMIGAS” atas

kesempatan, bimbingan dan arahan orientasi penelitian yang diberikan.

9. Bapak dan Ibu Dosen Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Semarang

yang telah memberikan bekal ilmu.

vii

10. Segenap karyawan dan Staf Laboratorium Konversi dan Katalisa,

Laboratorium Kromatografi serta Laboratorium Eksplorasi atas bantuan dan

dukungannya dalam pelaksanaan penelitian.

11. Seluruh karyawan Laboratorium dan Administrasi Jurusan Kimia FMIPA

Universitas Negeri Semarang.

12. Rekan-rekan partner penelitian, Wirda Udaibah, Herry Prasetyo dan Syarifah

untuk diskusi, kerja sama dan dukungan moralnya.

13. Semua pihak yang turut membantu kelancaran penelitian dan penyusunan

Tugas Akhir ini yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna,

dengan kerendahan hati penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat

konstruktif guna perbaikan dan penyempurnaannya. Akhir kata semoga Tugas

Akhir ini memberi manfaat bagi semua pihak dan khususnya bagi penulis.


Penulis

viii

ABSTRAK

Bambang Priyambudi. 2007. “Studi Kinetika Reaksi Dekomposisi Gas N2O dengan Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit sebagai Catalytic Converter untuk Mereduksi Gas N2O”. Tugas Akhir II. Jurusan Kimia FMIPA UNNES. Pembimbing I: Drs. Kasmui, M.Si., Pembimbing II: Ir. Sri Wahyuni, M. Si., Pembimbing III: Drs. Chairil Anwar, M. Si.

Kata Kunci: Dekomposisi gas N2O, Katalis Cr2O3/Zeolit, Co3O4/Zeolit, Laju

reaksi.

Udara perkotaan tak pernah terbebas dari pencemaran asap beracun yang berasal dari knalpot kendaraan bermotor. Gas NOx di dalam gas buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2 dan sisanya N2O, N2O3 dan sebagainya. Salah satu upaya untuk mereduksi gas NOx adalah melalui reaksi dekomposisi katalitik NOx.

Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit dapat digunakan untuk reaksi dekomposisi gas N2O. Sebelum aktivitasnya diuji, terlebih dahulu katalis diketahui karakterisasinya yaitu dengan metode BET dan difraksi sinar X. Laju reaksi dekomposisi gas N2O dapat ditentukan dengan melakukan percobaan yang meliputi variasi suhu, laju alir gas N2O dan konsentrasi katalis.

Model kinetika yang diajukan meliputi model Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal dan Power Rate Law. Dalam reaksi dekomposisi gas N2O yang telah dilakukan, peningkatan konversi mengakibatkan laju semakin menurun, yang disebabkan oleh konsentrasi gas N2O yang sangat tinggi dan mengakibatkan proses desorpsi O2 menjadi lebih sulit. Energi aktivasi untuk mendesorpsi O2 dengan Katalis Cr2O3/Zeolit lebih tinggi (Ea3 = 0.00874 kJ/mol) dibandingkan Co3O4/Zeolit (Ea3 = 0.00745 kJ/mol) untuk konsentrasi katalis aktivitas terbaik. Energi aktivasi untuk mengadsorpsi atom O dengan Katalis Cr2O3/Zeolit lebih rendah (Ea1 = 0.00812 kJ/mol) dibandingkan Co3O4/Zeolit (Ea1 = 0.00826 kJ/mol) untuk konsentrasi katalis aktivitas terbaik. Karakteristik katalis yang baik dimiliki oleh katalis Co3O4/Zeolit dengan memiliki energi adsorpsi yang lebih tinggi (Eads = 3,75 J) dan ukuran partikel yang lebih besar (L Co3O4 = 810,7979 dan 455,9812 Ǻ) dibandingkan Cr2O3/Zeolit yang hanya memiliki energi adsorpsi Eads = 3,74 J dan ukuran partikel L CrO2 = 452,5221 dan 247,3494 Ǻ serta L Cr2O3 = 366,9971 dan 247,3494 Ǻ untuk konsentrasi katalis aktivitas terbaik.

Model kinetika reaksi dekomposisi gas N2O terbaik adalah model Eley-Rideal yang melibatkan proses reversibel sejati desorpsi O2. Katalis Cr2O3/Zeolit menunjukkan aktivitas yang kurang baik terhadap reaksi dekomposisi gas N2O dibandingkan katalis Co3O4/Zeolit.

ix

DAFTAR ISI

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

PERSETUJUAN PEMBIMBING ................................................................. ii

HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... iii

PERNYATAAN .......................................................................................... iv

MOTTO DAN PERSEMBAHAN ................................................................. v

KATA PENGANTAR ................................................................................. vi

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

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

DAFTAR TABEL ........................................................................................ xi

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

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

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah ............................................................. 1

1.2 Permasalahan .............................................................................. 4

1.3 Tujuan Penelitian ....................................................................... 4

1.4 Manfaat penelitian ..................................................................... 5

1.5 Sistematika Tugas Akhir ............................................................ 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Zeolit ......................................................................................... 7

2.2 Katalis ....................................................................................... 8

2.3 Catalytic Converter ................................................................... 10

2.4 Gas N2O .................................................................................... 11

2.5 Reaksi Kimia Katalitik Heterogen .............................................. 13

2.6 Laju Reaksi ................................................................................ 18

2.7 Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET ........................... 21

2.8 Metode Difraksi Sinar X ............................................................ 24

2.9 Kromatografi Gas ..................................................................... 25

x

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Lokasi Penelitian ....................................................................... 28

3.2 Populasi dan Sampel .................................................................. 28

3.3 Variabel Penelitian ..................................................................... 28

3.4 Alat dan Bahan .......................................................................... 29

3.5 Prosedur Kerja ........................................................................... 31

3.6 Analisis Data ............................................................................. 32

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Karakterisasi Katalis .................................................................. 42

4.2 Uji Aktivitas Katalis .................................................................. 43

4.3 Pengaruh Konsentrasi ................................................................ 51

4.4 Pengaruh Suhu ........................................................................... 57

4.5 Pengaruh Jenis dan Karakterisasi Katalis ................................... 64

BAB V PENUTUP

5.1 Simpulan .................................................................................... 68

5.2 Saran ......................................................................................... 68

LAMPIRAN-LAMPIRAN ........................................................................... 70

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 100

xi

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1.1. Nilai ΔHo, ΔSo dan ΔGo (298 K) dari Reaksi Dekomposisi Gas NOx ...... 2

4.1. Analisis Sifat-sifat Permukaan Metode BET untuk Katalis Cr2O3/Zeolit

dan Co3O4/Zeolit ................................................................................... 42

4.2. Analisis Metode Difraksi Sinar X untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan

Co3O4/Zeolit ......................................................................................... 43

4.3. Konsentrasi Gas N2O Awal dan Konsentrasi Gas Produk (Gas N2) pada

Variasi Suhu dan Laju Alir untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit 43

4.4. Konversi dan Laju Reaksi Dekomposisi Gas N2O pada Variasi Suhu dan

Laju Alir untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit ......................... 44

4.5. Tetapan-tetapan Model 1 – Model 6 untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan

Co3O4/Zeolit ......................................................................................... 45

4.6. Persamaan Laju Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis

Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit . ............................................................ 46

4.7. Tetapan Laju dan Tetapan Setimbang Desorpsi Model Kinetika Terpilih

(Model 4) pada berbagai Suhu Reaksi untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan

Co3O4/Zeolit ......................................................................................... 47

4.8. Persamaan Arrhenius dan Van’t Hoff Model Kinetika Terpilih (Model

4) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit .................................... 47

4.9. Nilai Parameter Laju dari Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk

Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit .................................................. 48

4.10. Persamaan Laju Lengkap Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk


4.11. Persamaan Laju Model Power Rate Law (Model 6) untuk Katalis

Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit .............................................................. 49

4.12. Tetapan Laju k Model Power Rate Law (Model 6) pada berbagai Suhu

Reaksi untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit ............................. 50

xii

4.13. Persamaan Arrhenius dan Nilai Parameter Laju dari Model Power Rate

Law (Model 6) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit ................. 50

4.14. Persamaan Laju Lengkap Model Power Rate Law (Model 6) untuk


4.15. Hubungan Luas Permukaan dan Energi Adsorpsi Katalis terhadap

Energi Aktivasi Reaksi Dekomposisi Gas N2O ...................................... 64

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman 2.1. Tetrahedral Alumina dan Silikat pada Struktur Zeolit ............................ 7

2.2. Diagram Energi Reaksi Kimia Katalitik Heterogen ................................ 13

2.3. Hubungan antara ln K atau ln k versus 1/T ............................................ 19

2.4. Hubungan antara ln k versus 1/T dari persamaan Arrhenius dan

persamaan non-Arrhenius ..................................................................... 20

2.5. Pola Difraksi Sinar X ............................................................................ 24

2.6. Susunan Alat Kromatografi Gas ............................................................ 27

3.1. Rangkaian Alat Uji Aktivitas Reaksi Dekomposisi Gas N2O ................. 30

4.1. Hubungan antara Laju Alir Versus Konversi Gas N2O pada berbagai

Suhu untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit ................................................. 52

4.2. Hubungan antara Laju Alir Versus Konversi Gas N2O pada berbagai

Suhu untuk Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit ................................................. 52

4.3. Hubungan antara Laju Alir Gas N2O dengan Laju Reaksi terhadap

Variasi Suhu untuk Konsentrasi Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit .................. 53

4.4. Hubungan antara Laju Alir Gas N2O dengan Laju Reaksi terhadap

Variasi Suhu untuk Konsentrasi Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit ................. 53

4.5. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Konversi pada Laju Alir

50 mL/menit untuk Katalis Cr2O3/Zeolit ............................................... 55

4.6. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Laju pada Laju Alir 50

mL/menit untuk Katalis Cr2O3/Zeolit .................................................... 56

4.7. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Konversi pada Laju Alir

50 mL/menit untuk Katalis Co3O4/Zeolit ............................................... 56

4.8. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Laju pada Laju Alir 50

mL/menit untuk Katalis Co3O4/Zeolit ................................................... 56

4.9. Hubungan antara 1/T Versus ln k1 dari Tahap 1 Model Kinetika Terpilih

(Model 4) untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit .......................................... 58

xiv




(Model 4) untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit ......................................... 58


(Model 4) untuk Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit ......................................... 59





4.15. Hubungan antara 1/T Versus ln k dari Model Power Rate Law


4.16. Hubungan antara 1/T Versus ln k dari Model Power Rate Law


4.17. Hubungan antara 1/T Versus ln K3 dari tahap 3 Model Kinetika Terpilih


4.18. Hubungan antara 1/T Versus ln K3 dari tahap 3 Model Kinetika Terpilih


xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Halaman 1. Diagram Alir Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET .................... 71

2. Diagram Alir Metode Difraksi Sinar X .................................................... 71

3. Diagram Alir Proses Reaksi Dekomposisi N2O dengan Katalis Cr2O3/ Zeolit ...................................................................................................... 72

4. Diagram Alir Proses Reaksi Dekomposisi N2O dengan Katalis Co3O4/Zeolit ........................................................................................... 72

5. Contoh Data Keluaran Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit ............................................................. 73

6. Contoh Data Keluaran Metode Difraksi Sinar X pada Katalis 1,5% Co3O4/Zeolit ........................................................................................... 74

7. Contoh Joint Comitte of Powder Diffraction Standart (JCPDS) untuk Spesi Oksida Co3O4 ................................................................................ 76

8. Contoh Penentuan Spesi Oksida dan Ukuran Partikel ( L ) pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit ................................................................................. 77

9. Contoh Data Keluaran GC-TCD pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit dengan Laju Alir 60 mL/menit ............................................................................ 78

10. Contoh Perhitungan Konsentrasi N2 Hasil Analisis GC-TCD pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit dengan Laju Alir 60 mL/menit ................................. 79

11. Contoh Perhitungan Laju Reaksi Hasil Eksperimen (rdat) pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit laju alir 60 mL/menit ................................................ 80

12. Contoh Perhitungan Tetapan Laju k dan Tetapan Setimbang Desorpsi K dengan Metode Hooke-Jeeves 4 Variabel untuk Tiap Model pada Katalis Co3O4/Zeolit ........................................................................................... 81

13. Contoh Perhitungan Tetapan Laju k dan Tetapan Setimbang Desorpsi K dengan Metode Hooke-Jeeves 4 Variabel dari Model Kinetika Terpilih dan Power Rate Law untuk Berbagai Suhu pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit ........................................................................................... 88

14. Contoh Perhitungan A, E, ΔH dan ΔS dengan Metode Regresi Linear untuk Model Kinetika Terpilih dan Power Rate Law pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit ........................................................................................... 94

15. Alat-alat Penelitian ................................................................................... 98

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Udara perkotaan tak pernah terbebas dari pencemaran asap beracun yang

berasal dari knalpot kendaraan bermotor. Menurut Justiana (2006), kendaraan

bermotor menggunakan bahan bakar yang berupa campuran senyawa hidrokarbon

digunakan sebagai sumber energi gerak. Jika pembakaran bahan bakar itu

berlangsung sempurna maka akan dihasilkan gas karbon dioksida (CO2), nitrogen

(N2), oksigen (O2) dan uap air (H2O), sedangkan bila berlangsung tak sempurna

maka akan dihasilkan gas hidrokarbon sisa (HC), karbon monoksida (CO) dan

oksida nitrogen (NOx).

Gas oksida nitrogen yang ada di atmosfer diantaranya adalah gas dinitrogen

oksida (N2O), nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO2) (Manahan,

1993). Gas NO dan NO2 biasanya dianalisis secara bersamaan dan dinyatakan

dalam bentuk NOx dengan kisaran 1≤x≤2, sedangkan gas N2O dianalisis dengan

teknik berbeda yang terpisah dari kelompok NOx dan sampai saat ini gas N2O

masih dipertimbangkan untuk masuk kelompok NOx (Degobert, 1995).

Gas NOx di dalam gas buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2 dan sisanya

N2O, N2O3 dan sebagainya. Jumlah NOx yang dihasilkan dari mesin kendaraan

tergantung pada rancangan mesin dan kondisi pembakaran. Mesin diesel

menghasilkan NOx mencapai 500-1000 ppm (Jocheim, 1998). Kadar NOx di

perkotaan biasanya 10-100 kali lebih tinggi daripada di pedesaan yaitu sekitar 0,5

ppm dengan Baku Mutu Nasional (PP41/1999) sebesar 150 μg/m3 dalam 24 jam

(http://www.depkes.go.id).

2

Mengingat peraturan yang telah dibuat tentang pembatasan emisi gas buang,

pengusaha pabrik motor dan mobil mencoba merancang mesin kendaraan itu agar

dapat mereduksi emisi NOx. Mulanya, usaha yang dilakukan hanya melalui

pengaturan komposisi nitrogen dalam bahan bakar dan modifikasi ruang mesin

pembakaran. Usaha itu dinyatakan kurang baik sehingga sebagai alternatif

dilakukan pembersihan knalpot dengan memasang katalis sebagai Catalytic

Converter yang mengubah NOx menjadi gas N2 dan O2. Converter yang tersedia

umumnya logam mulia (platinum, rhodium dan palladium) dengan kerangka

support berupa honeycomb monolith yang memiliki specific surface area besar

(Degobert, 1995).

Salah satu upaya untuk mereduksi gas NOx adalah melalui reaksi

dekomposisi katalitik NOx. Secara termodinamika, reaksi dekomposisi NOx tanpa

katalis dapat berlangsung spontan pada suhu di bawah 900oC (CEPA, 1996) tetapi

reaksi sangat lambat oleh hambatan energi aktivasi yang tinggi, oleh karena itu

dibutuhkan katalis untuk mencapai energi aktivasi yang lebih rendah (Fritz, 1997).

Adapun reaksi dekomposisi NOx dengan katalis dapat terjadi pada suhu di bawah

600oC (CEPA, 1996). Kespontanan itu dapat dibuktikan secara termodinamika di

bawah ini:

Tabel 1.1. Nilai ΔHo, ΔSo dan ΔGo (298 K) dari Reaksi Dekomposisi Gas NOx. Reaksi (ΔGo = ΔHo – TΔSo) ΔHo(kJ/mol) ΔSo(kJ/mol) ΔGo(J/mol.K)

N2O(g) N2(g) + ½ O2(g) -81,6 74,12 -103,7 NO(g) ½ N2(g) + ½ O2(g) -91,3 -12,35 -87,6 NO2(g) ½ N2(g) + O2(g) -33,2 60,71 -51,3

(Sumber: Yaws, 2001)

3

Studi tentang katalis baik murni maupun dengan pengemban, sejauh ini

telah banyak dikembangkan khususnya untuk mendekomposisi NOx. Katalis

Cr2O3 dan Co memiliki aktifitas yang tinggi dalam mendekomposisi NOx,

khususnya N2O. Katalis Cr2O3 mampu mendekomposisi N2O pada suhu 500-900

K sedangkan Co dengan pengemban zeolit seperti ZSM-5, ZSM-11, Mordenit dan

lain-lain mampu mendekomposisi N2O pada suhu 600-800 K (Kapteijn et al.,

1996).

Energi aktivasi reaksi dekomposisi gas N2O tanpa katalis sebesar 242,67

kJ/mol (Masel, 2001). Dari hasil penelitian terdahulu diperoleh energi aktivasi

reaksi dekomposisi N2O untuk katalis α-Cr2O3 sebesar 118,5 kJ/mol pada suhu

625-873 K (Egerton et al., 1974) dan untuk katalis Co-ZSM-5 sebesar 104 ± 7

kJ/mol pada suhu 625-873 K (Kapteijn et al., 1997).

Persamaan reaksi dekomposisi N2O pada tabel 1.1 tidak menunjukkan

adanya perubahan bertahap yang dialami oleh atom, molekul dan ion ketika

diubah dari pereaksi menjadi produk. Tahapan-tahapan itu bila dijumlahkan

merupakan bagian dari suatu kinetika reaksi yang biasa disebut dengan

mekanisme reaksi (Alberty, 1983).

Penelitian terdahulu juga telah mengkaji kinetika reaksi katalitik

dekomposisi NOx, antara lain analisis kinetika dekomposisi N2O dengan katalis

Cu-ZSM-5, Fe-ZSM-5 dan Co-ZSM-5 yang mengkaji pengaruh tekanan parsial

gas N2O dan suhu terhadap konversi dengan mekanisme Langmuir-Hinshelwood

dan Eley-Rideal (Kapteijn et al., 1997) serta kinetika dekomposisi NOx dan

reduksi NO oleh CH4 dengan katalis La2O3 dan Sr/La2O3 yang mengkaji pengaruh

tekanan parsial gas NOx pada suhu tetap terhadap energi aktivasi dan orde reaksi

dengan mekanisme Langmuir-Hinshelwood (Vannice et al., 1996).

4

Berdasarkan latar belakang di atas, dalam penelitian ini akan dikaji tentang

kinetika reaksi katalitik dekomposisi N2O dengan Catalytic Converter Cr2O3 dan

Co3O4 yang berpengemban zeolit alam. Logam Cr dan Co dipilih sebagai bahan

aktif katalis karena logam tersebut termasuk logam transisi dengan orbital d yang

belum penuh dan juga relatif lebih murah dibanding logam transisi lain seperti Pt,

Pd dan Rh. Adapun pemakaian pengemban zeolit dikarenakan logam murni

memiliki stabilitas termal rendah, luas permukaan turun akibat pemanasan dan

mudahnya terjadi sintering, disamping itu juga zeolit memiliki harga yang murah

dan keberadaannya meruah di Indonesia (Foger, 1984).

1.2 Permasalahan

Berdasarkan hal-hal yang diungkapkan di atas maka dapat dirumuskan

permasalahan sebagai berikut :

a. Bagaimanakah pengaruh konsentrasi gas dalam reaktor, suhu reaksi dan

karakterisasi katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit terhadap laju reaksi

dekomposisi gas N2O ?

b. Bagaimanakah mekanisme reaksi dekomposisi gas N2O yang sesuai untuk

katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit ?

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian ini antara lain :

a. Mengetahui pengaruh konsentrasi gas dalam reaktor, suhu reaksi dan

karakterisasi katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit terhadap laju reaksi

dekomposisi gas N2O.

5

b. Mengetahui mekanisme reaksi dekomposisi gas N2O yang sesuai untuk katalis

Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini antara lain:

a. Memberikan informasi tentang metode untuk meningkatkan nilai tambah atau

nilai jual zeolit alam.

b. Memberikan informasi tentang metode untuk mengurangi pencemaran udara

dari gas N2O.

c. Memberikan informasi tentang pentingnya teknologi komputer sebagai alat

untuk membantu menyelesaikan model matematik dari suatu reaksi kimia.

1.5 Sistematika Tugas Akhir

Untuk memberikan gambaran isi dari penelitian ini, maka garis besar

sistematika Tugas Akhir II ini adalah sebagai berikut:

A. Bagian Pendahuluan

Bagian ini terdiri dari halaman judul, persetujuan pembimbing, halaman

pengesahan, pernyataan, motto dan persembahan, kata pengantar, abstrak,

daftar isi, daftar tabel, daftar gambar dan daftar lampiran.

B. Bagian Isi

Bagian ini terdiri dari lima bab, yaitu:

6

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, permasalahan, tujuan

dan manfaat penelitian serta sistematika Tugas Akhir.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini menjelaskan tentang tinjauan literatur yang digunakan dalam

penyusunan Tugas Akhir yang meliputi zeolit, katalis, catalytic

converter, gas N2O, reaksi kimia katalitik heterogen, laju reaksi,

penentuan sifat-sifat permukaan metode BET, metode difraksi

sinar X dan kromatografi gas.

BAB III METODE PENELITIAN

Bab ini berisi lokasi penelitian, populasi dan sampel penelitian,

variabel penelitian, alat dan bahan, prosedur kerja dan analisis data.

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi mengenai hasil penelitian dan pembahasannya.

BAB V PENUTUP

Penutup berisi simpulan dan saran.

C. Bagian Akhir

Bagian ini terdiri dari daftar pustaka dan lampiran-lampiran.

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Zeolit

Zeolit adalah mineral yang terdiri dari kristal aluminosilikat dengan struktur

kerangka tiga dimensi yang dibangun oleh tetrahedral-tetrahedral AlO4 dan SiO4

dengan atom O sebagai penghubung (gambar 2.1). Kerangka zeolit terdiri dari

beberapa saluran dan ruang kosong yang ditempati oleh beberapa kation dan

molekul air. Kation-kation itu bergerak bebas dan dapat digantikan dengan kation

lain, tergantung pada ikatan molekul air dan zeolit, sedangkan molekul airnya

dapat dihilangkan dengan memanaskan zeolit. Zeolit yang terdehidrasi sempurna

dapat mengganggu struktur kerangka dan lokasi kation logam yang

mengakibatkan struktur menjadi rusak secara parsial. Secara kimia, rumus struktur

dari unit sel kristalografi zeolit dapat dituliskan dengan:

Mx/n[(AlO2)x.(SiO2)y].mH2O

Dengan M adalah kation dari valensi n; m adalah jumlah molekul air dan x,y

adalah jumlah tetrahedral total per satu unit sel (Anderson, 1976).

Gambar 2.1. Tetrahedral Alumina dan Silikat pada Struktur Zeolit (Laz, 2005).

8

2.2 Katalis

Katalis merupakan zat yang dapat meningkatkan laju reaksi dengan kondisi

kimiawi tetap pada akhir proses. Katalis tidak akan mengganggu kesetimbangan

tetapi mempercepat tercapainya kesetimbangan itu dan katalis tidak memulai

terjadinya reaksi. Katalis ini memberikan reaksi baru dengan molekul reaktan

pada kondisi intermediet yang memiliki energi aktivasi lebih rendah dari reaksi

tanpa katalis, kemudian kondisi intermediet itu bereaksi dengan molekul reaktan

lainnya membentuk produk dan katalis kembali.

Jenis katalis dibagi menjadi dua macam yaitu katalis homogen dan katalis

heterogen. Katalis homogen memiliki fase yang sama antara katalis dan reaktan

yang biasanya pada fase gas atau larutan, sedangkan katalis heterogen memiliki

fase yang berbeda antara katalis dan reaktan yang biasanya dalam fase padat

untuk katalis dan fase gas untuk reaktan. Katalis heterogen ini biasanya

mengandung sedikitnya satu reaktan teradsorpsi yang akan dimodifikasi pada

suatu bentuk yang siap menjalani reaksi (Jocheim, 1998).

Adapun tipe katalis dibedakan menjadi dua yaitu katalis dengan pengemban

dan katalis tanpa pengemban. Pengembanan ini dilakukan dengan mendispersikan

katalis melalui metode impregnasi basah yang mengakibatkan luas permukaan

situs aktif katalis menjadi semakin luas. Situs aktif merupakan titik pada

permukaan katalis yang membentuk ikatan kimia kuat dengan atom atau molekul

teradsorpsi. Peningkatan jumlah situs aktif mengakibatkan kontak antara reaktan

dengan katalis semakin besar sehingga reaksi akan berjalan dengan cepat. Di

samping itu juga biaya preparasi katalis menjadi lebih murah karena hanya sedikit

logam aktif (mahal) yang didispersikan ke suatu pengemban.

9

Pemilihan pengemban harus memperhatikan beberapa hal yaitu (Anderson,

1976):

o Memiliki luas permukaan yang besar

Luas permukaan yang besar akan memiliki situs aktif yang semakin banyak

sehingga semakin banyak adsorbat yang akan mengalami adsorpsi.

o Memiliki porositas yang baik

Pori-pori yang baik yaitu pori-pori yang seragam dan tetap karena keduanya

akan berpengaruh pada selektifitas adsorbat.

o Memiliki adsorptif yang baik

Adanya ruang-ruang kosong (pori) akan memungkinkan terjadinya adsorpsi

dan adsorptif yang baik adalah adsorpsi yang kuat antara molekul adsorbat

dengan pengembannya.

o Tahan panas

Suhu yang tinggi akan mengakibatkan struktur menjadi rusak dan aktivitas

menjadi rendah.

o Stabil secara kimia

Pada saat telah terjadi reaksi, struktur molekul akan selalu tetap karena bila

berubah akan mengakibatkan selektifitas menjadi rendah.

o Reaktif

Mampu mengadakan ikatan dengan molekul adsorbat dengan baik, misalnya

melalui pertukaran ion.

10

2.3 Catalytic Converter

Catalytic Converter adalah alat berbentuk sarang tawon yang ditempatkan di

saluran gas buang/knalpot dan berfungsi untuk mengubah zat-zat hasil

pembakaran (HC, CO dan NOx) menjadi zat yang lebih ramah lingkungan (CO2,

N2, O2 dan H2O).

Pada mulanya, Converter ini hanya meliputi katalis oksidasi saja yaitu yang

mengubah HC dan CO menjadi H2O dan CO2, tetapi sekarang dengan adanya

Three-Way Catalysis (TWC) mampu mengurangi tiga polutan yaitu HC, CO dan

NOx. Converter ini menggunakan dua permukaan katalis yang berbeda yaitu

permukaan reduksi NOx dan permukaan oksidasi HC dan CO. Sistem ini

memerlukan kerja mesin yang dapat mengakibatkan komposisi gas knalpot

tereduksi pada permukaan pertama dan dengan adanya udara yang masuk dapat

mengakibatkan proses oksidasi pada permukaan kedua.

Pemilihan kandungan TWC pada umumnya adalah kombinasi logam mulia

(Pt, Rh atau Pd) yang terdeposit pada pengemban alumina dengan distabilkan oleh

oksida barium dan lantanum. Jumlah Ce yang tetap juga dapat berpengaruh pada

penyediaan oksigen yang dapat membantu dispersi fase logam dengan baik.

Reaksi yang terjadi pada tiga polutan merupakan fungsi campuran

udara/bahan bakar. Apabila bahan bakar berlebihan maka konversi HC dan CO

akan menurun. Pada kondisi yang sama, reduksi NOx juga menurun akibat

pembentukan NH3 yang tinggi oleh konsentrasi CO yang lebih tinggi.

Amonia itu dapat diubah menjadi N2 dan NO dengan reaksi:

2 NO + 5 CO + 3 H2O 2 NH3 + 5 CO2

NH3 + ¾ O2 ½ N2 + 3/2 H2O NH3 + 5/4 O2 NO + 3/2 H2O

11

Ketika semua ketersediaan oksigen dan NO telah digunakan, HC dan CO masih

dapat dikurangi oleh reaksi dengan uap air:

Suhu minimum yang diperlukan untuk mengoksidasi HC dan CO berturut-

turut adalah 600oC dan 700oC (Degobert, 1995) sedangkan untuk mereduksi NOx

melalui reaksi dekomposisi diperlukan suhu di bawah 600oC (CEPA, 1996).

Konversi maksimum diperoleh saat tiga polutan berada pada stoikiometri dari

spesies reduksi dan oksidasinya yang dikendalikan oleh pemutar tertutup terhadap

udara/bahan bakar. Adapun reaksi yang terjadi dari ketiga polutan itu adalah:

(Fritz, 1997)

Stoikiometri campuran udara/bahan bakar ini dikendalikan oleh alat yang

disebut sensor oksigen λ. Apabila tidak ada sensor ini, sistem tiga jalur ini akan

bereaksi lambat dan hanya akan maju bila ditambahkan injeksi udara. Reaksi yang

terjadi yaitu pada permukaan katalis pertama, NOx tereduksi oleh agen pereduksi.

Setelah dilakukan injeksi pada permukaan kedua dengan kandungan oksigen yang

menjadi stoikiometri, HC yang tidak terbakar, CO dan sebagian NH3 yang

dibentuk akan dioksidasi sesuai reaksi di atas (Degobert, 1995).

2.4 Gas N2O

Dalam fase gas, N2O dibentuk dari intermediet NH dan NCO ketika kedua

senyawa itu bereaksi dengan NO:

NH + NO N2O + *H NCO + NO N2O + CO

2 CO + O2 2CO2

CxHy + (x+1/4y) O2 x CO2 + ½ y H2O

NO + (HC) ½ N2 + H2O + CO2

2 NO + 2 CO N2 + 2 CO2

HC + H2O CO + CO2 + H2 CO + H2O H2 + CO2

12

Konsentrasi atom hidrogen yang selalu tinggi menyebabkan penghancuran N2O

(Degobert, 1995).

N2O + *H NH + NO N2O + *H N2 + *OH

Konsentrasi N2O di stratosfer akan menurun oleh reaksi fotokimia dan beberapa

reaksi dengan atom oksigen radikal (Manahan, 1993):

N2O + hv N2 + *O N2O + *O N2 + O2 N2O + *O NO + NO

N2O relatif tidak reaktif dibanding gas NO karena secara termodinamika

tidak stabil namun pada suhu kamar N2O cukup stabil dengan waktu hidup sekitar

150 tahun. Pada molekul N–N–O asimetris, orde ikatan N–N sekitar 2,7

sedangkan N–O sekitar 1,6 sehingga N–O lebih mudah putus dengan energi

aktivasi sebesar 250-270 kJ/mol. Pada pemanasan di atas 900 K, gas N2O akan

terdekomposisi menjadi gas N2 dan O2 dengan ΔrHo = -81,6 kJ/mol (Kapteijn et

al., 1996). Namun molekul N2O aktif dalam penyerangan lapisan ozon stratosfer

yang jumlahnya meningkat dengan signifikan terhadap pengikatan nitrogen global

(Manahan, 1993). Adapun struktur lewis dari N2O adalah:

atau

Dalam kendaraan jumlah N2O sangat sedikit dibanding gas NO dan NO2.

Kontribusi emisi N2O di atmosfer sekitar 4,7-7 Megaton/tahun dengan sekitar 30-

40% merupakan sumber alami (Kapteijn et al., 1996) dan sekitar 3,3% atau 0,2

Megaton/tahun berasal dari kendaraan bermotor (Degobert, 1995). Sumber N2O

lainnya berasal dari pembakaran biomassa, pupuk, oksidasi ammonia, pembakaran

bahan bakar fosil, produksi asam adipat dan asam nitrat serta teknik reduksi NOx

melalui TWC dan SCR (Kapteijn et al., 1996).

N N O N N X O X O X O

X X

• • • • • •O O

13

2.5 Reaksi Kimia Katalitik Heterogen

Pada umumnya reaksi kimia katalitik heterogen terdiri atas beberapa

tahapan reaksi yang berlangsung secara berurutan yaitu:

1. Transfer massa (difusi eksternal) reaktan dari bulk fluid ke permukaan

eksternal katalis.

2. Difusi internal reaktan dari mulut pori melalui pori katalis menuju sekitar

permukaan internal katalis.

3. Adsorpsi reaktan ke dinding permukaan internal katalis.

4. Reaksi kimia pada permukaan internal katalis.

5. Desorpsi produk dari dinding permukaan internal katalis.

6. Difusi internal produk dari permukaan internal katalis ke mulut pori pada

permukaan eksternal katalis.

7. Transfer massa (difusi eksternal) produk dari permukaan eksternal katalis

ke bulk fluid.

Adapun diagram energi dari reaksi kimia katalitik heterogen yaitu (Page, 1987):

Gambar 2.2. Diagram Energi Reaksi Kimia Katalitik Heterogen.

Eads

EdesAdsorpsi reaktan

Desorpsi produk

E1 Difusi reaktan

∆H Ekat reaksi ke kiri

E non-kat reaksi ke kiri

∆H

E2 Difusi produk

Reaksi permukaan

Enon-kat reaksi

ke kanan

Ekat reaksi ke kanan

14

Laju reaksi keseluruhan ditentukan oleh tahapan reaksi yang paling lambat.

Apabila tahapan difusi (1, 2, 6 dan 7) dianggap sangat cepat dibandingkan tahapan

reaksi (3, 4 dan 5) maka konsentrasi situs aktif bulk fluid dapat diabaikan. Dalam

kasus ini, tahapan transfer atau difusi tidak mempengaruhi laju reaksi keseluruhan

sehingga yang perlu diperhatikan adalah tahapan adsorpsi, reaksi permukaan dan

desorpsi (Fogler, 1992).

A. Adsorpsi

Adsorpsi adalah gaya tarik menarik dari komponen atom penyusunnya

dalam permukaan sebagai kompensasi adanya ketidakseimbangan gaya pada

permukaan padatan tersebut akibat atom-atom di permukaan tidak memiliki

tetangga yang lengkap. Situs aktif katalis terbagi menjadi dua yaitu situs aktif

katalis terisi dan situs aktif katalis kosong. Situs aktif terisi inilah yang telah

mengadsorpsi reaktan. Adsorpsi terbagi menjadi 2 yaitu:

1. Adsorpsi molekuler, terjadi bila molekul teradsorpsi secara langsung pada

adsorben dengan tidak mengalami pemutusan ikatan molekul.

A2 + S A2S (adsorpsi molekuler)

Persamaan laju reaksi:

rAD = kA2 PA2 Cv – k’A2 CA2S atau rAD = kA2. (PA2. CV – CA2S/ KA2) (2.1)

KA2 adalah tetapan setimbang adsorpsi, KA2 = kA2/ k’A2

2. Adsorpsi disosiatif, terjadi dengan adanya pemutusan ikatan molekul

menjadi atom-atom penyusunnya.

A + S AS (adsorpsi disosiatif) kA

k’A

kA2

k’A2

15

Persamaan laju reaksi:

rAD = kA PA Cv – k’A CAS atau rAD = kA. (PA. CV – CAS/ KA) (2.2)

KA adalah tetapan setimbang adsorpsi, KA = kA/ k’A (Masel, 2001)

B. Reaksi permukaan

Ketika reaktan telah di adsorpsi pada permukaan, reaktan mampu bereaksi

dengan beberapa cara untuk membentuk produk, yaitu:

1. Mekanisme Langmuir-Hinshelwood, terjadi bila gas yang teradsorpsi terikat

pada lapisan monomolekuler, situs aktif permukaannya adalah homogen dan

situs aktifnya mempunyai afinitas ikatan yang sama (Alberty, 1998).

a. Mekanisme single-site (reaktan teradsorpsi hanya dengan satu situs).

AS BS

Persamaan laju reaksi, rS = kS. (CAS – CBS/ KS) (2.3)

Ks adalah tetapan setimbang reaksi permukaan, KS = kS/ k’S

Persamaan laju adalah orde satu pada penutupan permukaan:

r = k θA

θA = jumlah situs adsorpsi yang terisi/ jumlah situs adsorpsi yang

tersedia.

Jumlah gas yang teradsorpsi pada tekanan tertentu dan suhu tetap

didefinisikan sebagai isoterm adsorpsi. Isoterm adsorpsi mengikuti

isoterm Langmuir dengan asumsi tiap situs adsorpsi adalah sama dan

kemampuan mengikat partikel tidak tergantung pada dekat tidaknya

situs yang ditempati.

kS

k’S

16

Laju perubahan penutupan permukaan karena adsorpsi:

N dθ/dt = KA. PA. N(1–θ)

N(1–θ) = situs kosong, N = jumlah total situs dan KA = tetapan laju

adsorpsi.

Sedangkan laju perubahan penutupan permukaan karena desorpsi:

N dθ/dt = KD. N. θ dengan KD = tetapan laju desorpsi

Laju adsorpsi dan desorpsi setimbang adalah sama, sehingga

θA = K. PA/ (1 + K. PA), dengan K = KA/KD

Substitusi θA di atas pada persamaan laju, sehingga:

r = k. K. PA/ (1 + K. PA) (2.4)

b. Mekanisme dual-site (reaktan teradsorpsi dengan dua situs)

i). Reaksi antara reaktan yang teradsorpsi dengan situs aktif kosong.

AS + S’ BS’ + S

Persamaan laju reaksi, rS = kS. (CAS. CV – CBS. CV / KS) (2.5)

ii). Reaksi antar dua reaktan yang teradsorpsi dengan jenis situs aktif

yang sama.

AS + BS CS + DS

Persamaan laju reaksi, rS = kS. (CAS. CBS – CCS. CDS / KS) (2.6)

iii). Reaksi antar dua reaktan yang teradsorpsi dengan jenis situs aktif

yang beda.

AS + BS’ CS’ + DS

Persamaan laju reaksi, rS = kS. (CAS. CBS’ – CCS. CDS / KS) (2.7)

kS

k’S

k’S

kS

kS

k’S

17

Persamaan laju adalah orde dua pada penutupan permukaan:

r = k θA. θB

Dengan menggunakan isoterm Langmuir seperti di atas diperoleh:

θA = KA. PA/ (1 + KA. PA + KB. PB)

θB = KB. PB/ (1 + KA. PA + KB. PB)

Maka persamaan laju menjadi:

r = k. KA. PA .KB. PB / (1 + KA. PA + KB. PB)2 (2.8)

2. Mekanisme Eley-Rideal, terjadi bila molekul yang teradsorpsi bereaksi

dengan molekul di dalam fluid yang tidak teradsorpsi dalam fase gas.

AS + B(g) CS + D(g)

Persamaan laju reaksi, rS = kS. (CAS. PB – CCS. PD / KS)

Persamaan laju adalah orde satu pada penutupan permukaan :

r = k θA. PB

Dengan menggunakan isoterm Langmuir seperti di atas diperoleh

θA = K. PA/ (1 + K. PA)

Maka persamaan laju menjadi:

r = k. K. PA. PB / (1 + K. PA) molekul monoatomik (2.9)

r = k. (K. PA)1/2. PB / (1 + (K. PA) 1/2) molekul diatomik (2.10)

(Jocheim, 1998 dan Fogler, 1999)

C. Desorpsi

Calon produk yang masih teradsorpsi pada permukaan akan terdesorpsi

menjadi produk dan adsorbennya. Desorpsi terbagi menjadi 2 yaitu:

kS

k’S

18

1. Desorpsi molekuler sederhana, terjadi bila molekul adsorbat meninggalkan

adsorbennya secara langsung yang disebabkan karena kurang kuatnya ikatan

yang terjadi antara molekul calon produk dengan adsorbennya.

CS C + S

Persamaan laju reaksi, rD = kD. (CCS – PC.CV / KD) (2.11)

KD = tetapan setimbang desorpsi, KD = kD/ k’D

2. Desorpsi rekombinatif, terjadi pada 2 atom radikal teradsorpsi yang

berkombinasi bersamaan untuk membentuk spesies stabil yang kemudian

meninggalkan permukaan adsorbennya.

C1S + C2S C + 2 S

Persamaan laju reaksi, rD = kD. (CC1S . CC2S – PC.CV2

/ KD) (2.12)

KD = tetapan setimbang desorpsi, KD = kD/ k’D (Masel, 2001)

2.6 Laju Reaksi

Laju reaksi adalah perubahan konsentrasi pereaksi atau produk dalam satu

satuan waktu. Laju reaksi dapat dinyatakan sebagai laju berkurangnya konsentrasi

pereaksi atau bertambahnya konsentrasi produk. Menurut Van’Hoff, laju reaksi

merupakan fungsi konsentrasi semua spesies (pelarut atau katalis), suhu reaktor,

dan tekanan total.

A. Konsentrasi

Makin tinggi konsentrasi maka laju makin cepat. Hubungan konsentrasi

terhadap laju reaksi untuk reaksi sederhana yaitu reaksi yang orde reaksinya

kD

k’D

kD

k’D

19

sama dengan molekularitasnya dirumuskan oleh Gulberg dan Waage pada

tahun 1867 dalam Hukum Keaktifan Massa yang berbunyi “apabila suhu tetap

maka laju reaksi akan sebanding dengan konsentrasi reaktan yang

dipangkatkan dengan koefisien dalam reaksi”. Hukum tersebut dituliskan

dalam persamaan:

r = k (CA)m (CB)n..... (2.13)

Dengan (CA), (CB) .... adalah konsentrasi reaktan, k adalah tetapan laju reaksi

dan m, n....... adalah orde reaksi (koefisien) terhadap A dan B berturut-turut.

Orde reaksi adalah jumlah pangkat dari konsentrasi zat-zat yang menentukan

laju reaksi dengan harga nol, pecahan, negatif atau positif (Masel, 2001).

B. Suhu

Makin tinggi suhu maka laju makin besar. Peranan suhu pada laju

terletak pada tetapan laju k dan bukan pada orde reaksi, sedangkan secara

termodinamika suhu mempengaruhi tetapan setimbang adsorpsi K. Adapun

hubungan suhu terhadap tetapan setimbang adsorpsi dirumuskan oleh Van’t

Hoff pada tahun 1887 (gambar 2.3a) sedangkan hubungan suhu terhadap

tetapan laju k dirumuskan oleh Arrhenius pada tahun 1889 (gambar 2.3b).

(a) (b)

Gambar 2.3. Hubungan antara ln K atau ln k versus 1/T. (a) Persamaan Van’t Hoff (b)Persamaan Arrhenius.

ln K

1/T

Intersep = ΔS/R

Slope = -ΔH/Rln k

1/T

Intersep = ln A

Slope = -Ea/R

20

Hubungan tetapan-tetapan itu dengan suhu dapat dituangkan dalam

persamaan:

-Ea/RTe A. k =

atau RTEa-Aln k ln = (Arrhenius) (2.14)

RS

RTH- K ln Δ

+Δ

= (Van’t Hoff) (2.15)

Dengan K adalah tetapan setimbang adsorpsi, T adalah suhu reaksi (K), ΔH

adalah perubahan entalpi (J/mol) dan ΔS adalah perubahan entropi (J/mol.K),

k adalah tetapan laju, A adalah faktor frekuensi atau faktor pra-eksponensial

(orde satu dalam s-1), Ea adalah energi aktivasi (J/mol) dan R adalah tetapan

gas (8,314 J/mol.K) (Alberty, 1983).

Di dalam reaksi kimia katalitik, kadang dijumpai reaksi yang lajunya

bertambah dengan naiknya suhu, mencapai maksimum dan kemudian

berkurang dengan kenaikan suhu lebih lanjut. Gejala pertama adalah sesuai

dengan persamaan Arrhenius sedangkan gejala kedua tidak sesuai dengan

persamaan Arrhenius (non-Arrhenius). Persamaan non-Arrhenius ini dapat

disebabkan oleh konsentrasi awal reaktan yang sangat tinggi, fraksi penutupan

yang semakin berkurang, kekuatan adsorpsi yang sangat kuat dan konsentrasi

reaktan yang semakin tinggi dengan naiknya suhu. Adapun hubungan antara

ln k versus 1/T dari kedua gejala di atas adalah (Masel, 2001):

Gambar 2.4. Hubungan antara ln k versus 1/T dari Persamaan Arrhenius dan Persamaan non-Arrhenius.

Arrhenius

Non-Arrheniusln k

1/T

21

C. Katalis

Reaksi kimia dapat dipengaruhi oleh adanya zat-zat lain dalam jumlah

sedikit namun dapat mempercepat reaksi. Zat itu disebut juga dengan katalis.

Jumlah yang relatif sedikit dari katalis ini bukan berarti konsentrasi katalis tak

penting tetapi kenyataannya dengan adanya sedikit katalis yang ditambahkan

menyebabkan konversi reaktan menjadi tinggi dan umumnya laju reaksi

berbanding lurus dengan konsentrasi dan luas permukaan katalis.

Katalis mempengaruhi laju dengan menurunkan harga energi aktivasi

yang terlihat pada gambar 2.2. Penurunan energi aktivasi itu terjadi akibat

interaksi antara katalis dengan reaktan. Komponen aktif katalis ini berasal dari

logam-logam yang terdeposit pada pengemban atau dari pengemban sendiri.

Logam-logam ini (umumnya logam transisi) menyediakan orbital d kosong

atau elektron tunggal yang disumbangkan pada molekul reaktan, sehingga

terbentuk ikatan baru dengan kekuatan tertentu. Apabila adsorpsi terlalu kuat

maka aktifitas katalis menjadi kecil karena reaksinya akan menjadi lambat

meskipun katalis cukup aktif (Jocheim, 1998).

2.7 Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET

Sifat permukaan dari katalis yang penting adalah luas permukaan spesifik

dan volume pori. Penentuan luas permukaan spesifik maupun volume pori terdiri

dari dua tahapan yaitu preparasi dan analisa sampel. Sampel dipreparasi untuk

membersihkan kontaminan (air atau molekul lain) yang mungkin teradsorpsi oleh

sampel ketika penyimpanannya. Preparasi (degassing) dilakukan dengan

kombinasi pemanasan, pemvakuman dan pengaliran gas (Nitrogen) sedangkan

22

analisa sampel dengan adsorpsi N2 pada temperatur 77 K. Nitrogen biasa

digunakan karena inert, non korosif dan dapat bersaing dengan material

pembentuk. Selain gas nitrogen, gas lain yang dapat digunakan adalah n-butana,

karbondioksida, krypton dan argon. Temperatur 77 K dipilih karena merupakan

titik didih dari nitrogen cair pada keadaan standar.

Luas permukaan spesifik katalis ditentukan berdasarkan jumlah gas

nitrogen yang diperlukan untuk membentuk “monolayer” pada permukaan dan

pori katalis pada tekanan relatif (P/Po) 0,05-0,35. Jumlah gas yang teradsorpsi

pada tekanan tertentu didefinisikan sebagai isoterm adsorpsi. Diantara isoterm

adsoprsi yang dikenal, isoterm adsorpsi yang diusulkan oleh Brunauer-Emmet–

Teller (BET) merupakan metode yang sering digunakan terutama untuk analisa

mikropori.

Persamaan kesetimbangan adsorpsi BET dituliskan dengan:

1)-W((Po/P)1 =

CWm.1 + (P/Po)

CWm.1- C (2.16)

W adalah berat gas N2 yang terjerap pori pada tekanan pori P/Po (gram),

Wm adalah berat adsorbat yang membentuk lapisan monolayer pada padatan

(gram), P adalah tekanan uap adsorbat (atm), Po adalah tekanan uap murni

adsorbat (atm) dan C adalah konstanta BET yang berkaitan dengan energi

adsorpsi pada lapisan monolayer.

Dengan membuat plot antara 1)-W((Po/P)

1 Vs (P/Po) maka Wm dan C

dapat diperoleh, selanjutnya luas permukaan (SA) dapat dihitung dengan rumus:

SA = M

Acs Nav. Wm. (2.17)

23

Nav adalah bilangan Avogadro (6,023 x 1023 molekul/mol), Acs adalah

luas proyeksi N2 (16,2 Å2/molekul) dan M adalah berat molekul N2 (28,0103

g/mol).

Sementara volume pori ditentukan berdasarkan jumlah nitrogen yang

teradsorpsi dan mengisi pori katalis pada tekanan relatif (P/Po) 0-0,09. Volume

nitrogen yang teradsorpsi (Vads) dapat diubah menjadi volume nitrogen cair yang

mengisi pori (Vp) dengan persamaan berikut:

Vp =T R.

Vm Vads. Pa. (2.18)

Vm merupakan volume molar dari nitrogen cair (34,7 cm3/mol), Pa dan T

merupakan tekanan dan temperatur pengukuran.

Rerata jari-jari pori (ř) yang menyatakan ukuran pori dan persebaran pori

pada katalis ditentukan dengan persamaan berikut (Lowell, 1979):

ř = AS

Vp 2 (2.19)

Hubungan antara konstanta C dengan energi adsorpsi dituliskan dengan:

C= e T R.Qc - Qa

(2.20)

E ads =T R.Qc - Qa atau Eads = ln C (2.21)

Qa merupakan panas adsorpsi, Qc merupakan panas kondensasi nitrogen

cair dan Eads merupakan energi adsorpsi (Joule) (Adamson, 1976 dan Jozefaciuk,

2002).

24

2.8 Metode Difraksi Sinar X

Sinar X merupakan radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang

gelombang pendek, antara 0,5Å- 2,5 Å yang ordenya sama dengan jarak antar

bidang dalam kristal. Oleh karena itulah sinar X sangat berguna dalam analisis

struktur kristal dan untuk identifikasi mineral-mineral yang berbentuk kristal.

Sinar X dihasilkan dari tumbukan antara elektron berkecepatan tinggi

dengan logam sasaran yang memberikan radiasi karakteristik. Biasanya logam

yang digunakan adalah logam Cu yang menghasilkan radiasi Kα dan Kβ, akan

tetapi Kβ dapat dihilangkan dengan cara menghalangi radiasinya menggunakan

suatu filter yang sesuai dengan logam sasaran yang digunakan, misalnya nikel

sehingga hanya satu radiasi yang lolos (radiasi monokromatis Kα) dan dapat

digunakan dalam analisis. Suatu difraksi bisa diperoleh apabila terjadi penguatan

pada sinar X yang terpancarkan oleh atom-atom dalam kristal pada arah tertentu.

Penguatan sinar X yang terpancarkan menjadi kuantitatif hanya jika Hukum

Bragg terpenuhi. Hukum Bragg didefinisikan sebagai berikut:

n λ = 2.dhkl.Sin θ

dhkl : Jarak antar bidang dalam kristal

λ : Panjang gelombang sinar X

θ : Sudut difraksi

n : Tingkat difraksi, n = 1, 2, 3, .....

Gambar 2.5. Pola Difraksi Sinar X.

Pola XRD memberikan data berupa jarak interplanar (d spacing), Sudut

difraksi (2θ), intensitas relatif (I/Io), indeks miller (dhkl), lebar puncak, parameter

unit sel (a, b, c, α, β dan γ). Analisa kualitatif maupun kuantitatif data tersebut

memberikan informasi tentang (i) komposisi mineral/ spesi oksida dari suatu

Bidang Kristalθ d

25

logam katalis, (ii) derajat kristallinitas dan (iii) memungkinkan untuk menentukan

sistem kristal (Niemantsverdiet, 1995). Persamaan-persamaan yang digunakan

adalah:

Komposisi mineral = nilai d data – nilai d JCPDS (Joint Comitte of Powder

Diffraction Standart) (2.22)

Kristalinitas = Luas puncak pada o2θ 9,77 - o2θ 30,88 sampel x 100% (2.23) Luas puncak pada o2θ 9,77 - o2θ 30,88 referens

Ukuran partikel logam pada katalis berpengemban dapat dianalisa dengan

persamaan Scherrer (Clark, 1955).

L = cos . k.

θβλ (2.24)

L merupakan ukuran partikel logam katalis (Å), k merupakan konstanta

kekasaran permukaan sampel (0,94), λ merupakan panjang gelombang yang

digunakan dalam analisis (Å), β merupakan lebar puncak terkoreksi (radian), dan

θ merupakan sudut difraksi ( o).

2.9 Kromatografi Gas

Kromatografi adalah suatu metode analisis yang bertujuan untuk

memisahkan komposisi sampel menjadi komponen-komponennya. Pada sistem

kromatografi terdapat dua fasa, yaitu fasa gerak dan fasa diam. Fasa gerak dapat

berupa gas atau cairan sedangkan fasa diam dapat berupa cairan atau padatan.

Kromatografi gas yang banyak digunakan adalah jenis kromatografi gas-

cairan yang fasa diamnya dilapisi dengan film tipis dari cairan organik yang

diisikan dalam kolom, yaitu pipa/tabung dengan diameter dan panjang tertentu.

26

Analisis dengan kromatografi gas dapat dilakukan secara kualitatif

maupun kuantitatif. Analisis kualitatif bertujuan untuk mengetahui jenis

komponen dalam sampel sedangkan analisis kuantitatif bertujuan untuk

mengetahui konsentrasi komponen dalam sampel.

1. Bagian-bagian kromatografi

a) Sumber gas (gas pembawa), yang digunakan untuk mengelusikan

komponen melalui kolom menuju detektor.

b) Unit kromatografi

a. Pengatur aliran konstan, yang berfungsi untuk mengatur aliran gas

pembawa ke dalam kolom kromatografi.

b. Tempat injeksi (injection port) dan termostat. Injection port berfungsi

sebagai tempat sampel diinjeksi sedangkan termostat berfungsi untuk

mengubah sampel menjadi fase gas dengan memberikan suhu tinggi.

c. Kolom, yang berfungsi untuk memisahkan komposisi sampel menjadi

komponen-komponennya, sehingga dapat terpisah dalam waktu yang

berbeda.

d. Detektor. Prinsip kerja dari detektor adalah tanggapan terhadap

perubahan sifat gas pembawa yang tergantung pada besarnya

konsentrasi komponen dari gas pembawa tersebut pada sampel.

c) Amplifier dan recorder. Amplifier berfungsi untuk membesarkan arus

sinyal dari detektor ke alat pencatat (rekorder) sedangkan rekorder

berfungsi untuk merekam sinyal yang telah diperkuat oleh amplifier dan

mengubahnya menjadi sinyal dalam bentuk tegangan searah. Tegangan ini

dipakai oleh rekorder sebagai fungsi waktu yang digambarkan berupa peak

pada kromatogram.

27

2. Prinsip Pemeriksaan

Pada kromatografi gas yang telah siap pakai, sampel diinjeksikan ke

dalam injection port untuk mengubah sampel dalam fase gas. Bersama gas

pembawa (fase gerak), sampel akan masuk ke dalam kolom yang telah berisi

medium padatan (fasa diam). Selanjutnya komponen sampel akan berinteraksi

dengan fasa diam yang sebagian komponen akan melarut dalam fasa diam.

Banyaknya komponen yang melarut tergantung dari adanya komponen

tersebut dalam sampel dan koefisien distribusi dari tiap komponen antara fasa

gas dan fasa cair. Komponen yang mudah larut akan ditahan lebih lama dalam

fasa diam dengan waktu lebih lama untuk meninggalkan kolom sedangkan

komponen yang lebih sukar larut akan lebih banyak berada dalam fasa gerak

(gas pembawa) dengan waktu yang relatif lebih cepat untuk mencapai

detektor. Selanjutnya detektor akan mengirimkan sinyal ke amplifier yang

diteruskan ke rekorder dan integrator hingga terbentuk kromatogram yang

menunjukkan hubungan antara denyut detektor terhadap waktu (Sukur, 1997).

Gambar 2.6. Susunan Alat Kromatografi Gas.

Rekorder Kromatogram Pengatur Tekanan

Amplifier

28

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Lokasi Penelitian

Seluruh kegiatan penelitian dilakukan di Pusat Penelitian dan

Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi “LEMIGAS”, Jalan Ciledug

Raya Kav.109 Cipulir Kebayoran Lama Jakarta Selatan. Penelitian tentang

karakterisasi katalis dilakukan di laboratorium konversi dan katalisa (pengukuran

sifat-sifat permukaan metode BET) dan laboratorium eksplorasi (metode difraksi

sinar X). Adapun uji aktivitas dilakukan di laboratorium konversi dan katalisa

sedangkan analisis hasil uji aktivitas dilakukan di laboratorium kromatografi.

3.2. Populasi dan Sampel

3.2.1 Populasi

Populasi dalam penelitian ini adalah campuran gas N2O yang diperoleh

dari pasaran P.T. BOC Gases Indonesian dengan konsentrasi 99,5 %.

3.2.2 Sampel

Sampel dalam penelitian ini adalah cuplikan gas N2O dari P.T. BOC

Gases Indonesian dengan konsentrasi 99,5 %.

3.3. Variabel Penelitian

3.3.1 Variabel Bebas

Variabel bebas dalam penelitian ini adalah: suhu dengan variasi 473 K,

573 K, 673 K, 773 K, laju alir gas N2O dengan variasi 40 mL/menit, 50 mL/menit,

29

60 mL/menit serta konsentrasi katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit dengan variasi

1,5 %; 2,5 % dan 3,5 % .

3.3.2 Variabel Terikat

Variabel terikat pada penelitian ini adalah karakteristik luas permukaan

dan energi adsorpsi (metode BET), spesi oksida dan ukuran partikel katalis

(metode difraksi sinar X) serta konversi gas N2O (uji aktivitas).

3.3.3 Variabel Terkendali

Variabel terkendali dalam penelitian ini adalah suhu 77.35 K, tekanan 1

atm dan berat katalis 0,1924 gram (metode BET), tegangan 40 kV, arus 30 mA,

radiasi λ1 = 1,54060 Ǻ dan λ2 = 1,54443 Ǻ (metode XRD), volume gas total,

tekanan 1 atm dan berat katalis 1 gram (uji aktivitas) serta suhu kolom 60oC, suhu

detektor 200oC, laju alir gas pembawa 35 mL/menit (metode GC-TCD).

3.4. Alat dan bahan

3.4.1. Alat-alat

a. Furnace Thermolyne 6000

b. Neraca analitik Metter Toledo

c. NOVA 1200e (NO Void Analyse )-Quantachrome instrument

d. Difraksi Sinar PANalytical X’Pert Pro

e. Perangkat alat uji reaksi dekomposisi gas N2O

f. GC-TCD V-3700

g. Software QuickBasic

30

Susunan alat selengkapnya dapat dilihat pada gambar 3.1.

Keterangan:

1. Tabung gas N2O 5. Flowmeter

2. Indikator tekanan 6. Termostat

3. Reaktor 7. Penampung produk

4. Katalis 8. GC-TCD

3.4.2. Bahan-bahan

a. Gas N2

b. Gas N2O 99,5 %

c. Nitrogen cair

d. Katalis 1,5 %; 2,5 % dan 3,5 % Cr2O3/Zeolit

e. Katalis 1,5 %; 2,5 % dan 3,5 % Co3O4/Zeolit

3.5. Prosedur Kerja

3.5.1. Karakterisasi Katalis

a. Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET

8 1

2

7

3

4

Gambar 3.1. Rangkaian Alat Uji Aktivitas Reaksi Dekomposisi Gas N2O

6 5

31

Analisa diawali dengan preparasi sampel dengan memasukkan sejumlah

katalis pada tempat sampel kemudian dilakukan degassing selama 3 jam

pada suhu 250oC dan laju alir gas N2 5 gelembung/detik. Selanjutnya

dilakukan pengukuran serta analisis sampel dengan cara adsorpsi dan

desorpsi gas N2 pada suhu 77 K.

b. Metode Difraksi Sinar-X

Sejumlah sampel dihaluskan dengan ukuran <50 μm kemudian dikeringkan

pada suhu 120oC selama 3 jam dan ditempatkan pada plat sampel. Spektrum

direkam pada daerah sudut 2θ = 3,01o sampai 69,99o dengan interval

pencatatan 0,2o 2θ/1 detik. Kondisi pengoperasian pada 40 kV dan 30 mA

dengan radiasi CuKα (λ1 = 1,54060 Ǻ dan λ2 = 1,54443 Ǻ).

3.5.2. Uji Aktivitas Katalis

1. Dialirkan gas nitrogen ke dalam rangkaian alat selama ± 5 menit.

2. Dimasukkan 1 gram katalis Cr2O3/Zeolit yang telah dikeringkan pada suhu

200oC selama 2 jam ke dalam reaktor dengan konsentrasi katalis sesuai variabel.

3. Diatur suhu reaksi dalam reaktor dengan suhu sesuai variabel, hingga

dicapai suhu konstan.

4. Dialirkan gas N2O ke dalam reaktor dengan laju alir sesuai variabel dan

biarkan selama 30 menit.

5. Ditampung gas produk dari hasil dekomposisi gas N2O dalam topler selama

15 menit (hingga kondisi telah dianggap steady state).

6. Dicatat persentase gas produk (gas N2) secara diskontinu sesuai hasil analisis

GC-TCD.

32

7. Proses ini diulang dengan memvariasikan konsentrasi katalis, suhu reaksi

dan laju alir gas N2O sesuai variabel.

8. Ulangi ketujuh langkah di atas untuk katalis Co3O4/Zeolit.

3.6. Analisis Data

Data konstanta BET dari metode BET digunakan untuk menentukan energi

adsorpsi dengan persamaan (2.21).

Data difraktogram sinar X digunakan untuk menganalisis komposisi

mineral/ spesi oksida dalam katalis dengan persamaan (2.22) dan ukuran partikel

logam pada katalis dengan persamaan (2.24).

Data khromatogram digunakan untuk menentukan konsentrasi sampel

dengan cara mensubstitusikan area sampel pada persamaan kurva standar yang

telah dibuat. Data konsentrasi sampel ini dapat digunakan untuk mengetahui

pengaruh suhu reaksi, laju alir dan jenis katalis terhadap laju dengan membuat

grafik hubungan antara suhu reaksi dengan laju reaksi dekomposisi gas N2O pada

variasi laju alir gas N2O untuk katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Adapun analisis laju reaksi dalam penelitian ini meliputi perhitungan laju

reaksi dekomposisi N2O dari hasil eksperimen (data) dan simulasi komputer.

Perhitungan laju reaksi dari hasil eksperimen meliputi perhitungan

konversi dan laju molar gas N2O dari persamaan gas ideal. Persamaan-persamaan

yang digunakan adalah (Teraoka et al., 1998):

IN2

OUT2

O][N][N

X = (3.1)

33

T R.F P.

F N2OV,N2O = (3.2)

WX.F

)r (- N2ON2O = (3.3)

Keterangan:

[N2O]IN = fraksi mol gas N2O sebelum reaksi, % X = konversi gas N2O, %

[N2]OUT = fraksi mol gas N2 setelah reaksi, % P = tekanan total gas, atm

FN2O = laju molar gas N2O, mol/jam T = suhu reaksi, K

FV,N2O = laju volumetris gas N2O, L/jam W = berat katalis, g

R = tetapan gas, 0,082053L.atm/mol.K (-rN2O) = laju reaksi gas N2O, mol/jam/g

Perhitungan laju reaksi dari hasil simulasi komputer dilakukan dengan cara

optimasi data eksperimen dan perkiraan harga tetapan-tetapan awal (metode trial-

and-error) terhadap persamaan model kinetika mekanisme Langmuir-

Hinshelwood, Eley-Rideal dan Power Rate Law yang telah diajukan dengan

program komputer QuickBasic metode Hooke-Jeeves 4 variabel, hingga diperoleh

harga tetapan-tetapan akhir dan Sum of Square Error (SSE) untuk tiap model.

Dasar dalam optimasi adalah minimasi fungsi (SSE) yang merupakan kuadrat dari

selisih antara laju hasil perhitungan komputer dengan laju hasil eksperimen.

Model kinetika yang memiliki harga SSE terkecil itulah yang merupakan model

kinetika terpilih (Sediawan, 1997).

Penentuan persamaan tetapan-tetapan untuk model kinetika terpilih dan

tetapan laju serta orde reaksi untuk model Power Rate Law dilakukan dengan cara

optimasi seperti di atas hingga diperoleh harga tetapan-tetapan akhir dan SSE

untuk tiap suhu. Tetapan-tetapan yang diperoleh digunakan untuk menentukan

nilai Ea, A, ΔH dan ΔS dengan mengubah nilai tetapan ke dalam bentuk

persamaan Arrhenius dengan persamaan (2.14) dan Van’t Hoff dengan persamaan

34

(2.15) yaitu dengan membuat grafik hubungan antara ln tetapan-tetapan (ordinat)

dan 1/T (absis) menggunakan metode regresi linear hingga diperoleh harga slope,

intersep dan rerata ralat. Dasar dalam optimasi adalah minimasi rerata ralat yang

merupakan selisih antara tetapan hasil perhitungan dan tetapan hasil eksperimen

dibagi dengan tetapan hasil eksperimen. Persamaan yang memiliki harga rerata

ralat kecil itulah yang dapat digunakan untuk menentukan nilai Ea, A, ΔH dan ΔS.

Adapun model kinetika yang diajukan pada penelitian ini adalah :

Model 1. Mekanisme Langmuir-Hinshelwood 1

i). Katalis Cr2O3/Zeolit

1-

11 k

kK =

3-

33 k

kK =

ii). Katalis Co3O4/Zeolit

1-

11 k

kK =

3-

33 k

kK =

Adsorpsi N2O ke permukaan katalis:

Z Cr2O3(sf) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-(sf)

k21

Z (Cr3+)2(sf) + 2 N2O(g) Z (Cr4+(N2O)-)2(sf) k2

-1 Z (Cr4+(N2O)-)2(sf) k2

2 Z (Cr4+(O)-)2(sf) + 2 N2(g) k3

Z (Cr4+(O)-)2(sf) Z (Cr3+)2(sf) + O2(g) k-3

Z Cr2O3(sf) + 2 N2O(g) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-(sf) + 2 N2(g) + O2(g)

N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

k21

Z (Co2+)2(sf) + 2 N2O(g) Z (Co3+(N2O)-)2(sf) k2

-1 Z (Co3+(N2O)-)2(sf) k2

2 Z (Co3+(O)-)2(sf) + 2 N2(g) k3

Z (Co3+(O)-)2(sf) Z (Co2+)2(sf) + O2(g) k-3

2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

35

(-r (N2O)S)2 = – k21. P2

N2O. θ2v + k2

-1. θ2N2O

= – k21. (P2

N2O. θ2v – θ2

N2O / K21)

(-r (N2O)S) = – k1. (PN2O. θv – θN2O / K1)

Dalam keadaan setimbang : (-r (N2O)S) = 0

– k1. (PN2O. θv – θN2O / K1) = 0

k1. θN2O / K1 = k1. PN2O. θv

θN2O = K1. PN2O. θv

Desorpsi Os dari permukaan katalis:

(-r O2) = – k3. θ2O + k-3. PO2. θ2

v = – k3. (θ2

O – PO2. θ2v/ K3)

Dalam keadaan setimbang : (-r O2) = 0

– k3. (θ2O – PO2. θ2

v/ K3) = 0

k3. θ2O = k3. PO2. θ2

v/ K3

θ2O = 1/ K3. PO2. θ2

v

θO = 1/ K1/23. P1/2

O2. θv

Jumlah situs aktif katalis:

1 = θv + θN2O + θO

1 = θv + K1. PN2O. θv + 1/ K1/23. P1/2

O2. θv

1 = θv . (1 + K1. PN2O + 1/ K1/23. P1/2

O2)

θv = 1 / (1 + K1. PN2O + 1/ K1/23. P1/2

O2)

Seolah-olah tahap yang paling lambat adalah reaksi permukaan:

(-r N2O)2 = k22. θ2

N2O

= k22. K2

1. P2N2O. θ�2

v

= k22. K2

1. P2N2O / (1 + K1. PN2O + 1/ K1/2

3. P1/2O2)2�

(-r N2O) = k2. K1. PN2O / (1 + K1. PN2O + 1/ K1/23. P1/2

O2)� (3.4)

(Vannice et al., 1996 dan Kapteijn et al., 1997)

36

Model 2. Mekanisme Langmuir-Hinshelwood 2


2-

22 k

kK =


2-

22 k

kK =

Desorpsi Os dari permukaan katalis:

(-r O2) = – k2. θ2O + k-2. PO2. θ2

v

= – k2. (θ2O – PO2. θ2

v/ K2)

Dalam keadaan setimbang : (-r O2) = 0

– k2. (θ2O – PO2. θ2

v/ K2) = 0

k2. θ2O = k2. PO2. θ2

v/ K2

θ2O = 1/ K2. PO2. θ2

v

θO = 1/ K1/22. P1/2

O2. θv

Jumlah situs aktif katalis:

1 = θ v + θO

1 = θ v + 1/ K1/22. P1/2

O2. θv

1 = θ v (1 + 1/ K1/22. P1/2

O2)

θ v = 1 / (1 + 1/ K1/22. P1/2

O2)

Seolah-olah tahap yang lambat adalah adsorpsi O:

(-r N2O)2 = k21. P2

N2O. θ2v

Z Cr2O3(sf) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-(sf)

k21

Z (Cr3+)2(sf) + 2 N2O(g) Z (Cr4+(O)-)2(sf) + 2 N2(g) k2

Z (Cr4+(O)-)2(sf) Z (Cr3+)2(sf) + O2(g) k-2 2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

k21

Z (Co2+)2(sf) + 2 N2O(g) Z (Co3+(O)-)2(sf) + 2 N2(g)

k2 Z (Co3+(O)-)2(sf) Z (Co2+)2(sf) + O2(g) k-2 2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

37

= k21. P2

N2O. / (1 + 1/ K1/22. P1/2

O2) 2

(-r N2O) = k1. PN2O / (1 + 1/ K1/22. P1/2

O2) (3.5)

(Kapteijn et al., 1996)

Model 3. Mekanisme Eley-Rideal 1


1-

11 k

kK =

3-

33 k

kK =


1-

11 k

kK =

3-

33 k

kK =

Adsorpsi N2O ke permukaan katalis: (-r (N2O)S) = – k1. PN2O. θv + k-1. θN2O

= – k1. (PN2O. θv – θN2O / K1) Dalam keadaan setimbang : (-r (N2O)S) = 0 – k1. (PN2O. θv – θN2O / K1) = 0 k1. θN2O / K1 = k1. PN2O. θv

θN2O = K1. PN2O. θv

Desorpsi O2s dari permukaan katalis:

Z Cr2O3(sf) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-(sf)

k1 Z (Cr3+)(sf) + N2O(g) Z (Cr4+(N2O)-)(sf)

k-1 Z (Cr4+(N2O)-)(sf) + N2O(g) k2 Z (Cr4+(O2)-)(sf) + 2 N2(g) k3 Z (Cr4+(O2)-)(sf) Z (Cr3+)(sf) + O2(g) k-3 Z Cr2O3(sf) + 2 N2O(g) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-

(sf) + 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

k1 Z (Co2+)(sf) + N2O(g) Z (Co3+(N2O)-)(sf)

k-1 Z (Co3+(N2O)-)(sf) + N2O(g) k2 Z (Co3+(O2)-)(sf) + 2 N2(g)

k3 Z (Co3+(O2)-)(sf) Z (Co2+)(sf) + O2(g)

k-3 2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g)

N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

38

(-r O2) = – k3. θO2 + k-3. PO2. θv = – k3. (θO2 – PO2. θv/ K3) Dalam keadaan setimbang : (-r O2) = 0 – k3. (θO2 – PO2. θv/ K3) = 0 k3. θO2 = k3. PO2. θv/ K3 θO2 = 1/ K3. PO2. θv Jumlah situs aktif katalis: 1 = θv + θN2O + θO2

1 = θv + K1. PN2O. θv + 1/ K3. PO2. θv

1 = θv. (1 + K1. PN2O + 1/ K3. PO2)

θv = 1 / (1 + K1. PN2O + 1/ K3. PO2) Seolah-olah tahap yang paling lambat adalah reaksi permukaan: (-r N2O) = k2. PN2O. θN2O

= k2. PN2O. K1. PN2O. θ�v

= k2. K1. P2N2O. / (1 + K1. PN2O + 1/ K3. PO2) (3.6)

(Teraoka et al., 1998)



3-

33 k

kK =


3-

33 k

kK =

Z Cr2O3(sf) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-(sf)

k1 Z (Cr3+)(sf) + N2O(g) Z (Cr4+(O)-)(sf) + N2(g) k2 Z (Cr4+(O)-)(sf) + N2O(g) Z (Cr4+(O2)-)(sf) + N2(g) k3 Z (Cr4+(O2)-)(sf) Z (Cr3+)(sf) + O2(g) k-3 Z Cr2O3(sf) + 2 N2O(g) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-

(sf) + 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

k1 Z (Co2+)(sf) + N2O(g) Z (Co3+(O)-)(sf) + N2(g)

k2 Z (Co3+(O)-)(sf) + N2O(g) Z (Co3+(O2)-)(sf) + N2(g) k3 Z (Co3+(O2)-)(sf) Z (Co2+)(sf) + O2(g)

k-3 2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

39

Adsorpsi O dan Desorpsi Os ke dan dari permukaan katalis: (-r Os) = – k1. PN2O. θv + k2. PN2O. θO

Dalam keadaan tetap : (- r Os ) = 0 – k1. PN2O. θv + k2. PN2O. θO = 0 k1. PN2O. θv = k2. PN2O. θO θv = (k2/ k1). θO

Adsorpsi O2 dan Desorpsi O2s ke dan dari permukaan katalis: (- r O2s) = – k2. PN2O. θO + k3. θO2 – k-3. PO2. θv = k3. θO2 – k2. PN2O. θO – k3/ K3. PO2. (k2/ k1). θO = k3. θO2 – k3. {(k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2}. θO Dalam keadaan setimbang : (- r O2s ) = 0 k3. θO2 – k3. {(k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2. θO = 0

k3. θO2 = k3. {(k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2}. θO θO2 = {(k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2}. θO

Jumlah situs aktif katalis: 1 = θv + θO + θO2 1 = 0 + θO + {(k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2}. θO 1 = θO. {1+ (k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2} θO = 1 / {1+ (k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2} Seolah-olah tahap yang lambat adalah adsorpsi O dan O2:

(-r N2O) = k1. PN2O. θv + k2. PN2O. θO = k1. PN2O. (k2/ k1). θO + k2. PN2O. θO = 2 k2. PN2O. θO

= 2 k2. PN2O / {1+ (k2/ k3). PN2O + (k2/ k1. K3). PO2} (3.7) (Kapteijn et al., 1997)



Z Cr2O3(sf) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-(sf)

k1 Z (Cr3+)(sf) + N2O(g) Z (Cr4+(O)-)(sf) + N2(g) k2 Z (Cr4+(O)-)(sf) + N2O(g) Z (Cr3+)(sf) + N2(g) + O2(g) Z Cr2O3(sf) + 2 N2O(g) Z (Cr3+)2(sf) + 3 O2-

(sf) + 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

40


Adsorpsi O dan Desorpsi Os ke dan dari permukaan katalis:

(-r Os) = – k1. PN2O. θv + k2. PN2O. θO

Dalam keadaan tetap : (- r Os) = 0

– k1. PN2O. θv + k2. PN2O. θO = 0

k2. PN2O. θO = k1. PN2O. θv

θO = (k1/ k2 ). θv

Jumlah situs aktif katalis: 1 = θv + θO

1 = θv + (k1/ k2 ). θv

1 = θv. {1 + (k1/ k2 )}

θv = 1 /{1 + ( k1/ k2)}

Seolah-olah laju reaksi semua tahap adalah sama: (-r N2O) = k1. PN2O. θv + k2. PN2O. θO = k1. PN2O. θv + k2. PN2O. (k1/ k2). θv = 2 k1. PN2O. θv

= 2 k1. PN2O / {1 + (k1/ k2)} (3.8) (Kapteijn et al., 1996 dan Kapteijn et al., 1997)

Model 6. Power Rate Law

N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

(-r N2O ) = k. PaN2O. Pb

O2 (3.9)

(Vannice et al., 1995 dan Kapteijn et al., 1996)

Keterangan: Z = zeolit s = katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit

k1 Z (Co2+)(sf) + N2O(g) Z (Co3+(O)-)(sf) + N2(g) k2 Z (Co3+(O)-)(sf) + N2O(g) Z (Co2+)(sf) + N2(g) + O2(g) 2 N2O(g) 2 N2(g) + O2(g) N2O(g) N2(g) + ½ O2(g)

41

a, b = orde reaksi θv = fraksi penutupan katalis tak terisi molekul gas θ O, O2 & N2O = fraksi penutupan katalis terisi molekul gas k = tetapan laju reaksi gas N2O k 1, 2 & 3 = tetapan laju reaksi ke kanan k -1, -2 & -3 = tetapan laju reaksi ke kiri K 1,2 & 3 = tetapan setimbang adsorpsi/desorpsi P O2 & N2O = tekanan parsial gas r Os, O2s & (N2O)S = laju reaksi gas teradsorpsi r O2 & N2O = laju reaksi gas tidak teradsorpsi

42

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Karakterisasi Katalis

4.1.1. Analisis Sifat-sifat Permukaan Metode BET

Dari pengukuran sifat-sifat permukaan melalui metode BET diperoleh data

berupa luas permukaan spesifik, volume pori dan konstanta BET. Konstanta BET

digunakan untuk menentukan energi adsorpsi, yang hasilnya terangkum pada

tabel 4.1. Contoh data lengkap metode BET terlihat pada lampiran 5.

Tabel 4.1. Analisis Sifat-sifat Permukaan Metode BET untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Luas Permukaaan

Spesifik, LPS (m2/g)

Volume Pori,

Vp (cc/g)

Konstanta BET, C

Energi Adsorpsi,

Eads (Joule) 1,5% Cr2O3/Zeolit 171,97 0,16640 -37,3 3,632,5% Cr2O3/Zeolit 171,83 0,15200 -39,4 3,673,5% Cr2O3/Zeolit 164,88 0,14580 -42,1 3,741,5% Co3O4/Zeolit 122,99 0,14550 -42,2 3,742,5% Co3O4/Zeolit 113,44 0,14390 -42,5 3,753,5% Co3O4/Zeolit 113,11 0,13140 -41,4 3,72

4.1.2. Analisis Metode Difraksi Sinar X

Dari data pengukuran d-spacing, 2θ dan lebar puncak dengan metode

difraksi sinar X dapat ditentukan spesi oksida yang dibentuk dan ukuran partikel,

yang hasilnya disajikan pada tabel 4.2. Contoh data lengkap serta penentuan spesi

oksida dan ukuran partikel hasil analisis metode difraksi sinar X berturut-turut

tercantum pada lampiran 6 dan lampiran 7.

43

Tabel 4.2. Analisis Metode Difraksi Sinar X untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis d-spacing (Ǻ)

SudutDifraksi,

2θ (o )

LebarPuncak, β ( o )

Perkiraan Spesi

Oksida

Ukuran Partikel Logam Katalis,

L (Ǻ)

1,5% Cr2O3/ Zeolit

1.67007 2.49646

54.934135.9754

0.34560.9446 CrO2

270.7248 92.4009

2.66244 2.49646

33.663335.9754

0.37790.9446 Cr2O3

229.5088 92.4009

2,5% Cr2O3/ Zeolit

2.48748 1.67640

36.109654.7583

0.23620.4723 CrO2

369.6661 197.9421

2.67370 1.67640

33.517354.7583

0.28340.4723 Cr2O3

305.9210 197.9421

3,5% Cr2O3/ Zeolit

3.23317 1.67738

27.589754.7235

0.18890.3779 CrO2

452.5221 247.3494

2.67824 1.67738

33.458854.7235

0.23620.3779 Cr2O3

366.9971 247.3494

1,5% Co3O4/ Zeolit

2.88890 2.50846

30.955335.7974

0.18890.4723 Co3O4

456.0067 184.7088

2,5% Co3O4/ Zeolit

2.42105 2.89099

37.104230.9322

0.10800.1889 Co3O4

810.7979 455.9812

3,5% Co3O4/ Zeolit

2.44005 2.03722

36.836544.4724

0.14170.2834 Co3O4

617.4863 316.4627

4.2. Uji Aktivitas Katalis

4.2.1 Analisis Konsentrasi Gas Produk

Data konsentrasi gas produk (gas N2) secara diskontinu dengan GC-TCD

terangkum dalam tabel 4.3. Contoh data lengkap dan perhitungan konsentrasi gas

N2 hasil analisis GC-TCD berturut-turut dapat dilihat pada lampiran 9 dan

lampiran 10.

Tabel 4.3. Konsentrasi Gas N2O Awal dan Konsentrasi Gas Produk (Gas N2) pada Variasi Suhu dan Laju Alir untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Suhu, K

Laju Alir 40 mL/menit Laju Alir 50 mL/menit

Laju Alir 60 mL/menit

[N2O]IN, %

[N2]OUT,%

[N2O]IN, %

[N2]OUT,%

[N2O]IN, %

[N2]OUT,%

1,5 % Cr2O3/ Zeolit

473 99,5 61,80232 99,5 59,36089 99,5 37.77607573 99,5 66,4387 99,5 61,4813 99,5 42.05224673 99,5 68,2581 99,5 63,38496 99,5 46.89064773 99,5 67,62317 99,5 64,82638 99,5 53.24984

44

2,5 % Cr2O3/ Zeolit

473 99,5 47,16094 99,5 57,17286 99,5 48.13631573 99,5 69,02151 99,5 64,30728 99,5 61.50267673 99,5 71,45514 99,5 68,06325 99,5 66.16682773 99,5 69,55524 99,5 70,32406 99,5 75.17493

3,5 % Cr2O3/ Zeolit

473 99,5 54,6208 99,5 56,34416 99,5 43,41652573 99,5 76,5921 99,5 65,2205 99,5 63,65589673 99,5 81,12161 99,5 72,5674 99,5 67,6265773 99,5 80,30194 99,5 72,8931 99,5 64,66726

1,5 % Co3O4/ Zeolit

473 99,5 55,69299 99,5 68,4297 99,5 56,20088573 99,5 66,52576 99,5 70,36715 99,5 61,03829673 99,5 75,79558 99,5 74,65752 99,5 70,32208773 99,5 77,70589 99,5 75,15028 99,5 74,75978

2,5 % Co3O4/ Zeolit

473 99,5 64,12151 99,5 63,25622 99,5 56,48571573 99,5 74,32334 99,5 70,93464 99,5 66,7364673 99,5 75,7768 99,5 73,75382 99,5 71,53799773 99,5 79,0439 99,5 80,10674 99,5 74,58883

3,5 % Co3O4/ Zeolit

473 99,5 57,74793 99,5 57,25669 99,5 62,24304573 99,5 74,43029 99,5 77,5983 99,5 66,41003673 99,5 77,71984 99,5 79,05407 99,5 72,17605773 99,5 83,87584 99,5 79,75354 99,5 79,1244

Dari tabel 4.3 dapat dihitung konversi dan laju reaksi dekomposisi gas N2O, yang

hasilnya disajikan dalam tabel 4.4. Contoh perhitungan terlihat pada lampiran 11.

Tabel 4.4. Konversi dan Laju Reaksi Dekomposisi Gas N2O pada Variasi Suhu dan Laju Alir untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Suhu, K

Laju Alir 40 mL/menit Laju Alir 50 mL/menit Laju Alir 60 mL/menitKonversi,

% Laju, -r

mol/j/g kat Konversi,

% Laju, -r

mol/j/g kat Konversi,

% Laju, -r

mol/j/g kat

1,5 % Cr2O3/ Zeolit

473 62,1129 0,03841 59,6592 0,04611 37.9659 0,03522573 66,7726 0,03408 61,7903 0,03943 42.2636 0,03236673 68,6011 0,02981 63,7035 0,03461 47.1263 0,03072773 67,9630 0,02572 65,1521 0,03082 53.5174 0,03038

2,5 % Cr2O3/ Zeolit

473 47,3979 0,02931 57,4602 0,04441 48,3782 0,04487573 69,3684 0,03541 64,6304 0,04124 61,8117 0,04733673 71,8142 0,03121 68,4053 0,03716 66,4993 0,04335773 69,9048 0,02645 70,6774 0,03343 85,6029 0,04288

3,5 % Cr2O3/ Zeolit

473 54,8953 0,03395 56,6273 0,04377 43,6347 0,04047573 76,9770 0,03929 65,5482 0,04182 63,9758 0,04898673 81,5293 0,03543 72,9321 0,03962 67,9663 0,04431773 80,7055 0,03054 73,2594 0,03465 64,9922 0,03689

1,5 % Co3O4/ Zeolit

473 55,9729 0,03461 68,7736 0,05316 56,4833 0,05239573 66,8601 0,03413 70,7208 0,04513 61,3450 0,04697673 76,1765 0,03311 75,0327 0,04076 70,6755 0,04607773 78,0964 0,02955 75,5279 0,03572 75,1355 0,04265

2,5 % Co3O4/

473 64,4437 0,03985 63,5741 0,04914 56,7696 0,05266573 74,6968 0,03813 71,2911 0,04549 67,0718 0,05136

45

Zeolit 673 76,1576 0,03310 74,1244 0,04027 71,8975 0,04687773 79,4411 0,03006 80,5093 0,03808 74,9636 0,04255

3,5 % Co3O4/ Zeolit

473 58,0381 0,03589 57,5444 0,04448 62,5558 0,05802573 74,8043 0,03818 77,9882 0,04976 66,7437 0,05111673 78,1104 0,03395 79,4513 0,04316 72,5387 0,04729773 84,2973 0,03190 80,1543 0,03791 79,5220 0,04514

4.2.2 Analisis Laju Reaksi

Dari tabel 4.4 dapat dihitung tetapan-tetapan dalam persamaan laju dari

berbagai model kinetika yang telah diajukan (model 1 - model 5) dan Power Rate

Law (model 6), yang hasilnya terangkum dalam tabel 4.5. Contoh perhitungannya

tercantum pada lampiran 12.

Tabel 4.5. Tetapan-tetapan Model 1 – Model 6 untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Model X1 X2 X3 X4 SSE

1,5% Cr2O3/ Zeolit

1 0.051009 5.482965 35.485733 6.000000 3.626249E-042 0.083009 46.520241 35.000000 6.000000 1.056075E-033 0.079009 88.601112 59.441566 6.000000 1.046517E-034 0.132009 0.025180 38.040329 2.895225 3.557517E-045 0.39009 4.040070 35.000000 6.000000 1.010011E-036 0.034000 0.031009 -0.021009 0.020000 3.186669E-04

2,5% Cr2O3/ Zeolit

1 0.062009 5.124991 35.125931 6.000000 5.434594E-042 0.01119 39.718979 35.000000 6.000000 1.283041E-033 0.105009 89.878410 68.739456 6.000000 1.285023E-034 0.152009 0.030180 37.716507 2.882226 5.331053E-045 0.052009 3.436113 35.000000 6.000000 1.235504E-036 0.039000 0.097009 -0.068009 0.020000 5.033182E-04

3,5% Cr2O3/ Zeolit

1 0.055009 9.017194 39.014793 6.000000 2.513841E-042 0.117009 52.942711 35.000000 6.000000 1.606766E-033 0.112009 111.925292 68.024849 6.000000 1.618812E-034 0.235009 0.027180 38.162262 2.803232 2.454899E-045 0.055009 4.378045 35.000000 6.000000 1.544771E-036 0.040000 0.103009 -0.086009 0.020000 2.474537E-04

1,5% Co3O4/ Zeolit

1 0.078009 4.151062 34.152466 6.000000 5.488511E-042 0.143009 31.139694 35.00000 6.000000 1.125887E-033 0.134009 94.688766 55.683632 6.000000 1.136942E-034 0.151009 0.038180 34.584229 2.878226 5.425747E-045 0.066009 3.975074 35.000000 6.000000 1.086475E-036 0.043000 0.214010 -0.199010 0.020000 5.533859E-04

2,5% Co3O4/ Zeolit

1 0.083009 4.111064 34.110489 6.000000 2.077814E-042 0.163009 20.736412 35.000000 6.000000 4.908556E-043 0.149009 105.084053 50.728355 6.000000 4.958456E-044 0.129009 0.051180 37.914398 2.893225 2.061521E-04

46

5 0.073009 5.221984 35.00000 6.000000 4.615182E-046 0.046000 0.374008 -0.371008 0.020000 2.152732E-04

3,5% Co3O4/ Zeolit

1 0.066009 8.175854 38.175255 6.000000 5.515593E-042 0.160009 39.690994 35.000000 6.000000 1.965632E-033 0.150009 126.261414 57.346718 6.000000 1.990761E-034 0.260009 0.032180 38.155266 2.895225 5.421343E-045 0.075009 3.269125 35.000000 6.000000 1.902121E-036 0.045000 0.149009 -0.150009 0.020000 5.625112E-04

Berdasarkan data model 1 – model 5 pada tabel 4.5, harga SSE minimum

diperoleh pada model 4, sehingga model 4 merupakan Model Kinetika Terpilih

yang akan digunakan untuk analisis selanjutnya. Dari model 4 ini dapat diperoleh

nilai tetapan laju dan tetapan desorpsi setimbang sedangkan dari model 6 dapat

diperoleh nilai orde reaksi dan tetapan laju.

4.2.2.1 Model Kinetika Terpilih (Model 4)

Tetapan-tetapan model 4 pada tabel 4.5 dapat dikonversikan dalam bentuk

persamaan laju, yang hasilnya disajikan pada tabel 4.6.

Tabel 4.6. Persamaan Laju Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Persamaan Laju Model 4, -r (mol/jam/g) SSE

1,5% Cr2O3/Zeolit 2.(0.132009).(PN2O)/{1+((0.132009)/(0.025180)).(PN2O) +((0.132009)/(38.040329).(2.895225)).PO2} 3.557517E-04

2,5% Cr2O3/Zeolit 2.(0.152009).(PN2O)/{1+((0.152009)/(0.030180)).(PN2O)+((0.152009)/(37.716507).(2.882226)).PO2} 5.331053E-04

3,5% Cr2O3/Zeolit 2.(0.235009).(PN2O)/{1+((0.235009)/(0.027180)).(PN2O)+((0.235009)/(38.162262).(2.803232)).PO2} 2.454899E-04

1,5% Co3O4/Zeolit 2.(0.151009).(PN2O)/{1+((0.151009)/(0.038180)).(PN2O)+((0.151009)/(34.584229).(2.878226)).PO2} 5.425747E-04



Dengan melihat harga SSE yang minimum pada tabel 4.6 di atas, maka

katalis yang memiliki aktivitas terbaik adalah konsentrasi 3,5 % untuk katalis

Cr2O3/Zeolit dan konsentrasi 2,5 % untuk katalis Co3O4/Zeolit. Dari kedua

47

aktivitas katalis terbaik tersebut, harga SSE minimum dimiliki oleh katalis

Co3O4/Zeolit sehingga aktivitas katalis Co3O4/Zeolit lebih baik daripada katalis

Cr2O3/Zeolit.

Dari tabel 4.6 dapat dihitung tetapan laju (k1, k2, k3) dan tetapan setimbang

desorpsi (K3) dari berbagai suhu, yang hasilnya tertera pada tabel 4.7. Contoh

perhitungannya terlampir pada lampiran 13.

Tabel 4.7. Tetapan Laju dan Tetapan Setimbang Desorpsi Model Kinetika Terpilih (Model 4) pada berbagai Suhu Reaksi untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Suhu (K) k2 k3 k1 K3 SSE

1,5% Cr2O3/ Zeolit

473 0.040009 29.040527 29.046524 6.095330 4.657245E-04573 0.038009 29.038528 29.038528 6.096331 3.196489E-04673 0.038009 29.038528 29.038528 6.096331 1.741243E-04773 0.031009 29.038528 29.038528 6.096331 4.496727E-05

2,5% Cr2O3/ Zeolit

473 0.040009 29.040527 29.040527 6.096231 2.835063E-04573 0.060009 29.059517 29.060516 6.094028 5.366729E-06673 0.061009 29.061516 29.061516 6.094028 1.732462E-05773 0.060009 29.060516 29.060516 6.094128 2.801525E-04

3,5% Cr2O3/ Zeolit

473 0.041009 29.041527 29.042526 6.096130 1.087266E-04573 0.069009 29.067513 29.069511 6.093226 8.926128E-05673 0.076009 29.076508 29.077507 6.092626 7.494407E-05773 0.061009 29.062515 29.061516 6.094028 8.724265E-05

1,5% Co3O4/ Zeolit

473 0.057009 29.059517 29.059517 6.094428 5.597328E-04573 0.062009 29.063515 29.063515 6.093727 1.276748E-04673 0.078009 29.077507 29.078506 6.092626 1.894628E-05773 0.077009 29.078506 29.076508 6.092525 3.973175E-05

2,5% Co3O4/ Zeolit

473 0.062009 29.062515 29.062515 0.693816 3.418946E-05573 0.078009 29.078506 29.078506 0.691415 2.277233E-06673 0.078009 29.078506 29.078506 0.692415 2.587534E-05773 0.085009 29.085503 29.088501 0.691215 4.843761E-05

3,5% Co3O4/ Zeolit

473 0.057009 29.057518 29.058517 6.094428 3.920436E-04573 0.085009 29.086502 29.085503 6.091524 2.037602E-04673 0.090009 29.090500 29.090500 6.091124 7.100409E-05773 0.104009 29.121483 29.121483 6.087919 1.767809E-05

Dari tabel 4.7 dapat dibuat persamaan Arrhenius dan Van’t Hoff, yang hasilnya

terangkum pada tabel 4.8. Contoh perhitungannya terlihat pada lampiran 14.

48

Tabel 4.8. Persamaan Arrhenius dan Van’t Hoff Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Persamaan Arrhenius dan Van’t Hoff Rerata ralat (%)

1,5% Cr2O3/Zeolit

ln k2 = -3.359425 + 61.64444 1/T 1.011287 ln k3 = 3.368474 + 0.1059559 1/T 1.354706 x 10-3

ln k1 = 3.368501 + 0.08423802 1/T 1.349771 x 10-3 ln K3 = 1.807974 – 0.1976604 1/T 3.230502 x 10-3

2,5% Cr2O3/Zeolit

ln k2 = -2.08907 – 494.9035 1/T 8.299039 ln k3 = 3.370618 – 0.8493264 1/T 1.345071 x 10-2

ln k1 = 3.370615 – 0.8423896 1/T 1.434007 x 10-2 ln K3 = 1.806711 + 0.4172437 1/T 7.602887 x 10-3

3,5% Cr2O3/Zeolit

ln k2 = - 1.89622 – 550.7287 1/T 16.15334 ln k3 = 3.371178 – 1.051799 1/T 2.974717 x 10-2

ln k1 = 3.371079 – 0.9767913 1/T 3.265551 x 10-2 ln K3 = 1.806491 – 0.490209 1/T 1.549702 x 10-2

1,5% Co3O4/Zeolit

ln k2 = -1.998855 – 416.3888 1/T 4.05281 ln k3 = 3.371167 – 0.884549 1/T 8.111644 x 10-3

ln k1 = 3.37108 – 0.8372883 1/T 1.002671 x 10-2 ln K3 = 1.80651 + 0.4121054 1/T 2.49255 x 10-3

2,5% Co3O4/Zeolit

ln k2 = -1.990755 – 359.1424 1/T 3.297502 ln k3 = 3.371408 – 0.8956072 1/T 7.703112 x 10-3

ln k1 = 3.371596 – 0.9430458 1/T 8.411048 x 10-3 ln K3 = - 0.374137 + 3.78229 1/T 7.697719 x 10-2

3,5% Co3O4/Zeolit

ln k2 = - 1.335209 – 701.8971 1/T 4.0690781 ln k3 = 3.374382 – 2.423221 1/T 1.8462971 x 10-2

ln k1 = 3.374325 – 2.388731 1/T 1.816657 x 10-2 ln K3 = 1.804901 + 1.175974 1/T 9.201588 x 10-3

Dari tabel 4.8 dapat dihitung nilai parameter-parameter laju (A, Ea, ΔH dan ΔS),

yang hasilnya tertera pada tabel 4.9. Contoh perhitungannya terlampir pada

lampiran 14.

Tabel 4.9. Nilai Parameter Laju dari Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Energi aktivasi (kJ/mol)

Model 4 Faktor Tumbukan

Model 4 Entalpi, ΔH

(kJ/mol)

Entropi, ΔS

(J/mol.K) Ea2 Ea3 Ea1 A2 A3 A1 1,5% Cr2O3/ Zeolit -0.51251 -0.00088 -0.00070 0.034755 29.03417 29.03498 0.0016 15.0315

2,5% Cr2O3/ Zeolit 4.11463 0.00706 0.00700 0.123802 29.09651 29.09642 -0.0035 15.0210

3,5% Cr2O3/ Zeolit 4.57876 0.00874 0.00812 0.150135 29.11279 29.10992 -0.0041 15.0192

1,5% Co3O4/ Zeolit 3.46186 0.00735 0.00696 0.135490 29.11247 29.10994 -0.0034 15.0193

2,5% Co3O4/ 2.98591 0.00745 0.00826 0.136592 29.11951 29.12497 -0.0314 -3.1106

49

Zeolit 3,5% Co3O4/ Zeolit 5.83557 0.02015 0.01986 0.263103 29.20622 29.20455 -0.0098 15.0059

Dari data parameter laju pada tabel 4.9, maka persamaan laju reaksi lengkap

model 4 menjadi sebagai berikut:

Tabel 4.10. Persamaan Laju Lengkap Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Persamaan Laju Lengkap Model 4, -r (mol/jam/g)

1,5% Cr2O3/ Zeolit

2.(0.03475523e61.64444/T)).(PN2O)/{1+((0.03475523e61.64444/T)/(29.03417e0.1059559/T))(PN2O)+((0.03475523e61.64444)/(29.03498e0.08423802/T).

(e-0.1976604/Te1.807974)).PO2}

2,5% Cr2O3/ Zeolit

2.(0.123802e-494.9035/T)).(PN2O)/{1+((0.123802e-494.9035/T)/(29.09651e-0.8493264/T)).(PN2O)+((0.123802e-494.9035/T)/(29.09642e-0.8423896/T).

(e0.4172437/Te1.806711)).PO2}

3,5% Cr2O3/ Zeolit

2.(0.150135e-550.7287/T)).(PN2O)/{1+((0.150135e-550.7287/T)/(29.11279e-1.051799/T)).(PN2O)+((0.150135e-550.7287/T)/(29.10992e-0.976713/T).

(e0.490209/Te1.806491)).PO2}

1,5% Co3O4/ Zeolit

2.(0.1354904e-416.3888/T)).(PN2O)/{1+((0.1354904e-416.3888/T)/ (29.11247e-0.884549/T)).(PN2O)+((0.1354904e-416.3888/T)/(29.10994e-0.8372883/T).

(e0.4121054/Te1.80651)).PO2}

2,5% Co3O4/ Zeolit

2.(0.1365922e-359.1424/T)).(PN2O)/{1+((0.1365922e-359.1424/T)/ (29.11951e-0.8956072/T)).(PN2O)+((0.1365922e-359.1424/T)/(29.12497e-0.9930458/T).

(e3.78229/Te-0.374137)).PO2}

3,5% Co3O4/ Zeolit

2.(0.2631032e-701.8971/T)).(PN2O)/{1+((0.2631032e-701.8971/T)/ (29.20622e-2.423221/T)).(PN2O)+((0.2631032e-701.8971/T)/(29.20455e1.804901/T).

(e1.1175974/Te36.25719)).PO2} 4.2.2.2 Model Power Rate Law (Model 6)

Tetapan-tetapan model 6 pada tabel 4.5 dapat dikonversikan dalam bentuk

persamaan laju, yang hasilnya disajikan pada tabel 4.11 berikut.

Tabel 4.11. Persamaan Laju Model Power Rate Law (Model 6) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Persamaan Laju Model 6, -r (mol/jam/g) SSE 1,5% Cr2O3/Zeolit (0.034000). PN2O

(0.031009).PO2(-0.021009) 3.186669E-04

2,5% Cr2O3/Zeolit (0.039000). PN2O(0.097009).PO2

(-0.068009) 5.033182E-04 3,5% Cr2O3/Zeolit (0.040000). PN2O

(0.103009).PO2(-0.086009) 2.474537E-04

1,5% Co3O4/Zeolit (0.043000). PN2O(0.214010).PO2

(-0.199010) 5.533859E-04 2,5% Co3O4/Zeolit (0.046000). PN2O

(0.374008).PO2(-0.371008) 2.152732E-04

3,5% Co3O4/Zeolit (0.045000). PN2O(0.149009).PO2

(-0.150009) 5.625112E-04

50

Dengan melihat harga SSE yang minimum pada tabel 4.11 di atas, maka

katalis yang memiliki aktivitas terbaik adalah konsentrasi 3,5 % untuk katalis

Cr2O3/Zeolit dan konsentrasi 2,5 % untuk katalis Co3O4/Zeolit. Dari kedua

aktivitas katalis terbaik tersebut, harga SSE minimum dimiliki oleh katalis

Co3O4/Zeolit sehingga aktivitas katalis Co3O4/Zeolit lebih baik daripada katalis

Cr2O3/Zeolit.

Dari tabel 4.11 dapat dihitung tetapan laju k dari berbagai suhu, yang

hasilnya tertera pada tabel 4.12. Contoh perhitungannya terlihat pada lampiran 13.

Tabel 4.12. Tetapan Laju k Model Power Rate Law (Model 6) pada berbagai Suhu Reaksi untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Suhu (K) k a b SSE

1,5% Cr2O3/Zeolit

473 0.040 0.031009 -0.021009 7.194956E-05573 0.035 0.031009 -0.021009 3.172229E-05673 0.032 0.031009 -0.021009 1.383162E-05773 0.029 0.031009 -0.021009 1.450661E-05

2,5% Cr2O3/Zeolit

473 0.039 0.097009 -0.068009 1.727711E-04573 0.043 0.097009 -0.068009 5.814099E-05673 0.039 0.097009 -0.068009 6.419371E-05773 0.036 0.097009 -0.068009 1.512483E-04

3,5% Cr2O3/Zeolit

473 0.038 0.103009 -0.086009 5.098119E-05573 0.045 0.103009 -0.086009 3.24406E-05673 0.042 0.103009 -0.086009 1.848762E-05773 0.036 0.103009 -0.086009 7.193326E-06

1,5% Co3O4/Zeolit

473 0.045 0.214010 -0.199010 3.082132E-04573 0.043 0.214010 -0.199010 9.21001E-05673 0.044 0.214010 -0.199010 5.819208E-05773 0.041 0.214010 -0.199010 7.123764E-05

2,5% Co3O4/Zeolit

473 0.044 0.374008 -0.371008 4.271024E-05573 0.049 0.374008 -0.371008 2.518233E-05673 0.046 0.374008 -0.371008 5.464058E-05773 0.046 0.374008 -0.371008 5.292544E-05

3,5% Co3O4/Zeolit

473 0.044 0.149009 -0.150009 2.821064E-04573 0.049 0.149009 -0.150009 9.161361E-05673 0.045 0.149009 -0.150009 7.612468E-05773 0.043 0.149009 -0.150009 6.57319E-05

Dari tabel 4.12 dapat dibuat persamaan Arrhenius serta dapat dihitung nilai

parameter-parameter laju (A dan Ea), yang hasilnya disajikan pada tabel 4.13.

Contoh perhitungannya terlampir pada lampiran 14.

51

Tabel 4.13. Persamaan Arrhenius dan Nilai Parameter Laju dari Model Power Rate Law (Model 6) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Persamaan Arrhenius Ea (kJ/mol) A Rerata ralat (%)

1,5% Cr2O3/Zeolit ln k = -4.02547 + 383.8154 1/T -3.19104 1.785504 x 10-2 0.81829922,5% Cr2O3/Zeolit ln k = -3.405067 + 99.57792 1/T -0.82782 3.32046 x 10-2 4.8537263,5% Cr2O3/Zeolit ln k = -3.29034 + 44.55192 1/T -0.37040 3.724119 x 10-2 8.2700841,5% Co3O4/Zeolit ln k = -3.336907 + 114.1059 1/T -0.94868 3.554673 x 10-2 2.1784162,5% Co3O4/Zeolit ln k = -3.009452 – 39.15104 1/T 0.32550 4.931869 x 10-2 3.0639453,5% Co3O4/Zeolit ln k = -3.156964 + 36.25719 1/T -0.30144 4.255474 x 10-2 3.954414

Dari data parameter laju pada tabel 4.13, maka persamaan laju reaksi

lengkap model 6 menjadi sebagai berikut:

Tabel 4.14. Persamaan Laju Lengkap Model Power Rate Law (Model 6) untuk Katalis Cr2O3/Zeolit dan Co3O4/Zeolit.

Katalis Persamaan Laju Lengkap Model 6, -r (mol/jam/g) 1,5% Cr2O3/Zeolit (1.785504x10-2e383.8154/T). PN2O

(0.031009).PO2(-0.021009)

2,5% Cr2O3/Zeolit (3.32046x10-2e99.57792/T). PN2O(0.097009).PO2

(-0.068009) 3,5% Cr2O3/Zeolit (3.724119x10-2e44.55192/T). PN2O

(0.103009).PO2(-0.086009)

1,5% Co3O4/Zeolit (3.554673x10-2e114.1059/T). PN2O(0.214010).PO2

(-0.199010) 2,5% Co3O4/Zeolit (4.931869x10-2e-39.15104/T).PN2O

(0.374008).PO2(-0.371008)

3,5% Co3O4/Zeolit (4.255474x10-2e36.25719/T). PN2O(0.149009).PO2

(-0.150009)

4.3. Pengaruh Konsentrasi

Dari persamaan (2.13) tampak bahwa laju sebanding dengan konsentrasi

semua spesies dalam reaktor. Ketika orde reaksi semua spesies berharga positif

dan konsentrasi semua spesies tinggi maka laju akan semakin cepat. Dalam hal

ini, laju dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan (laju alir), konsentrasi produk dan

konsentrasi katalis.

Tabel 4.4 menunjukkan bahwa semakin tinggi laju alir gas N2O

mengakibatkan konversi semakin menurun. Hal ini disebabkan oleh proses

adsorpsi gas N2O yang menjadi sangat cepat atau bahkan gas N2O tidak

mengalami adsorpsi, yang berakibat gas N2O tidak bereaksi membentuk produk.

Contoh hubungan laju alir gas N2O dengan konversi gas N2O dapat dilihat pada

52

gambar 4.1 (katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit) dan gambar 4.2 (katalis 2,5 %

Co3O4/Zeolit).

30

40

50

60

70

80

90

30 35 40 45 50 55 60 65

Laju Alir (mL/menit)

Kon

vers

i (%

)

Suhu 473 K Suhu 573 K Suhu 673 K Suhu 773 K

Gambar 4.1. Hubungan antara Laju Alir Versus Konversi Gas N2O pada berbagai Suhu untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit.

40

50

60

70

80

90

30 35 40 45 50 55 60 65


Kon

vers

i (%

)


Gambar 4.2. Hubungan antara Laju Alir Versus Konversi Gas N2O pada berbagai Suhu untuk Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit.

Pada umumnya semakin turun konversi yang dihasilkan maka laju akan

semakin turun pula namun berdasarkan tabel 4.4 menginformasikan bahwa

semakin turun konversi mengakibatkan laju semakin naik. Kejanggalan ini dapat

disebabkan oleh konsentrasi gas N2O awal yang sangat tinggi (99,5 %), sehingga

mengakibatkan akan lebih sering terjadi tumbukan baik antar molekul gas N2O

53

maupun antara molekul gas N2O dengan katalis. Hal ini menjadikan gas N2O

makin mudah untuk teradsorpsi dan dalam hal ini ikatan adsorpsi yang terjadi

semakin kuat. Namun, kuatnya ikatan adsorpsi gas N2O pada katalis

mengakibatkan makin sulitnya proses desorpsi gas O2. Adapun hubungan naiknya

laju akibat dari turunnya konversi atau naiknya laju alir tersebut dapat terlihat

pada gambar 4.3 (katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit) dan gambar 4.4 (katalis 2,5 %

Co3O4/Zeolit).

0.02

0.025

0.03

0.035

0.04

0.045

0.05

30 35 40 45 50 55 60 65


Laju

(mol

/j/g

kat)


Gambar 4.3. Hubungan antara Laju Alir Gas N2O dengan Laju Reaksi terhadap Variasi Suhu untuk Konsentrasi Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit.

0.02

0.0250.03

0.0350.04

0.0450.05

0.055

30 35 40 45 50 55 60 65Laju Alir (mL/menit)

Laju

(mol

/j/g

kat)


Gambar 4.4. Hubungan antara Laju Alir Gas N2O dengan Laju Reaksi terhadap Variasi Suhu untuk Konsentrasi Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit.

Proses desorpsi gas O2 merupakan langkah paling sulit dalam reaksi

dekomposisi gas N2O (Kapteijn et al., 1997). Akibatnya, molekul reaktan gas N2O

54

makin berkurang namun produk gas O2 yang dibentuk hanya sedikit. Kondisi ini

tidak sesuai dengan definisi laju reaksi, yaitu berkurangnya konsentrasi reaktan

dan bertambahnya konsentrasi produk. Dalam hal ini, produk gas O2 yang sedikit

ini merupakan inhibitor pada reaksi dekomposisi gas N2O (Kapteijn et al., 1996)

dan reaksi ini disebut juga dengan reaksi otoinhibisi (Masel, 2001). Pengaruh

inhibitor gas O2 oleh katalis Cr2O3/Zeolit dialami lebih kuat dibandingkan oleh

katalis Co3O4/Zeolit (Egerton et al., 1973). Pengaruh inhibitor ini dibuktikan

dengan harga orde reaksi terhadap gas O2 yang negatif pada tabel 4.11. Kapteijn et

al. (1996) juga menambahkan bahwa ketika telah terjadi hambatan O2 maka harga

orde reaksi dari molekul N2O berkisar antara 0 – 1 dan orde reaksi molekul O2

berkisar antara 0 – (-0,5).

Di samping gas O2, reaksi dekomposisi gas N2O juga menghasilkan gas

lain yang berupa gas NO dan NO2. Adapun reaksi yang terjadi adalah:

2 N2O 2 N2 + O2

2 N2O 2 NO + N2

2 NO + O2 2 NO2

Kehadirannya dari gas produk tersebut mengakibatkan kenaikan konversi tidak

signifikan terhadap kenaikan suhu, yang dikarenakan produk gas tersebut dapat

bertindak sebagai agen pereduksi yang dapat menaikkan konversi dan ada kalanya

juga dapat bertindak sebagai inhibitor yang dapat menurunkan konversi (Kapteijn

et al., 1996). Perannya gas produk tersebut sebagai agen pereduksi adalah dengan

cara mempermudah proses desorpsi gas O2. Reaksi dari agen pereduksi itu dapat

digambarkan seperti berikut:

NO : NO + O* NO2*

N2O + NO2* N2 + NO2 + O*

NO2 : NO2 + O* NO + O2 + *

55

Pada laju alir gas N2O, konsentrasi katalis dan suhu yang sama dalam tabel

4.4 memperlihatkan konversi reaksi dekomposisi gas N2O oleh katalis

Co3O4/Zeolit lebih tinggi daripada katalis Cr2O3/Zeolit.

Konsentrasi katalis sangat mempengaruhi konversi. Pada umumnya,

semakin tinggi konsentrasi katalis dapat mengakibatkan konversi semakin naik.

Peran katalis pada reaksi katalitik adalah memberikan situs yang mempermudah

molekul-molekul reaktan itu untuk mengalami tumbukan yang lebih berkualitas

dibanding reaksi tanpa katalis dan berakibat makin mudahnya reaksi itu terjadi

(Page, 1987). Semakin tinggi konsentrasi katalis mengindikasikan bahwa situs

yang tersedia semakin banyak, sehingga makin mudah untuk terjadinya reaksi.

Namun katalis adalah zat yang memiliki sifat spesifik dan ini juga yang

menjadikan semakin tinggi konsentrasi katalis tidak selalu berarti semakin

meningkatnya aktivitas katalis yang dikarenakan aktivitas katalis dipengaruhi oleh

merata tidaknya situs aktif (Page, 1987). Hubungan antara konsentrasi katalis

dengan konversi dan laju dituangkan pada tabel 4.4 yang dapat diilustrasikan pada

gambar 4.5 dan gambar 4.6 untuk katalis Cr2O3/Zeolit sedangkan gambar 4.7 dan

gambar 4.8 untuk katalis Co3O4/Zeolit.

56

01020304050607080

Katalis 1,5 % Katalis 2,5 % Katalis 3,5 %

Konsentrasi Katalis (%)

Kon

vers

i (%

)


Gambar 4.5. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Konversi pada Laju Alir 50 mL/menit untuk Katalis Cr2O3/Zeolit.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05



Laju

(%)


Gambar 4.6. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Laju pada Laju Alir 50 mL/menit untuk Katalis Cr2O3/Zeolit.

0

20

40

60

80

100



Kon

vers

i (%

)


57

Gambar 4.7. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Konversi pada Laju Alir 50 mL/menit untuk Katalis Co3O4/Zeolit.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Katalis 1,5 % Katalis 2,5 % Katalis 3,5 %Konsentrasi Katalis (%)

Laju

(mol

/j/g

kat)


Gambar 4.8. Hubungan antara Konsentrasi Katalis dengan Laju pada Laju Alir 50 mL/menit untuk Katalis Co3O4/Zeolit.

Menurut Masel (2001), apabila konsentrasi reaktan sangat tinggi maka

mekanisme reaksi yang terjadi mengikuti model Eley-Rideal. Hal ini terbukti dari

Model Kinetika Terpilih yang merupakan model Eley-Rideal 2 (Model 4).

Berdasarkan model 4, reaksi dekomposisi gas N2O terdiri dari 3 tahapan yaitu

adsorpsi atom O2 (tahap 1), adsorpsi molekul O2 (tahap 2) dan desorpsi O2 (tahap

3). Menurut Kapteijn (1996), fenomena yang terjadi pada Model Kinetika Terpilih

(model 4) adalah:

1. Tahap 1 telah terjadi adsorpsi N2O yang lemah dan pembentukan atom O2

permukaan yang sangat cepat.

2. Tahap 2 telah terjadi reaksi permukaan antara atom oksigen permukaan

dengan molekul gas N2O lain.

3. Tahap 3 telah terjadi reaksi reversibel sejati dari desorpsi molekul O2

permukaan.

58

Adapun ketiga tahapan reaksi di atas dapat digambarkan seperti berikut:

4.4. Pengaruh Suhu

Pengaruh suhu terhadap laju dapat diungkapkan oleh Arrhenius persamaan

(2.14) dan Van’t Hoff persamaan (2.15). Dari persamaan Arrhenius tampak bahwa

semakin naik suhu maka semakin naik tetapan laju k (Masel, 2001) dan ini juga

terjadi pada Model Kinetika Terpilih (model 4) yaitu semakin naik suhu maka

semakin naik tetapan laju tahap 1 k1, tetapan laju tahap 2 k2 dan tetapan laju tahap

3 k3 (Kapteijn et al., 1996). Contoh hubungan antara suhu dan tetapan laju k

tercantum pada tabel 4.7 yang juga dapat terlihat pada gambar 4.9 – gambar 4.11

(katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit) dan gambar 4.12 – gambar 4.14 (katalis 2,5 %

Co3O4/Zeolit):

y = -0.001x + 3.3711

3.3686

3.3688

3.369

3.3692

3.3694

3.3696

3.3698

3.37

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

1

k1 Linear (k1)

Gambar 4.9. Hubungan antara 1/T Versus ln k1 dari tahap 1 Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit.

N2O(g) + *(sf) N2(g) + O*(sf) N2O(g) + O*(sf) N2(g) + *O2(sf) *O2(sf) O2(g) + *(sf)

59

y = -0.5743x - 1.8666

-3.7

-3.5

-3.3

-3.1

-2.9

-2.7

-2.51 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

2

k2 Linear (k2)

Gambar 4.10. Hubungan antara 1/T Versus ln k2 dari tahap 2 Model Kinetika

Terpilih (Model 4) untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit.

y = -0.0011x + 3.3712

3.36843.36863.36883.369

3.36923.36943.36963.3698

3.37

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

3

k3 Linear (k3)



Dari gambar 4.9 - gambar 4.11 di atas terlihat adanya penurunan yang

tajam dari nilai ln k1, ln k2 dan ln k3 pada 1/T = 1/ 773, hal ini dapat dijelaskan

dari kombinasi tabel 4.3 dan tabel 4.7. Dari tabel 4.7 terlihat nilai tetapan k1, k2

dan k3 pada suhu 773 K mengalami penurunan dengan nilai SSE yang lebih kecil

dibandingkan nilai SSE pada suhu 473 K. Hal ini berarti, penurunan titik pada

gambar 4.9 - gambar 4.11 di atas disebabkan oleh nilai k1, k2 dan k3 pada suhu

473 K. Kondisi ini didukung dari data pada tabel 4.4, pada laju alir yang semakin

tinggi, nilai konversi dan laju yang diperoleh tidak signifikan yaitu konversi dan

60

laju yang diperoleh pada laju alir 50 mL/menit lebih tinggi dibandingkan laju alir

40 mL/menit dan 60 mL/menit.

y = -0.001x + 3.3716

3.36943.36953.36963.36973.36983.3699

3.373.37013.37023.37033.3704

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

1k1 Linear (k1)

Gambar 4.12. Hubungan antara 1/T Versus ln k1 dari tahap 1 Model Kinetika Terpilih (Model 4) untuk Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit.

y = -0.3591x - 1.9908

-2.8

-2.75

-2.7

-2.65

-2.6

-2.55

-2.5

-2.45

-2.41 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

2

k2 Linear (k2)


Terpilih (Model 4) untuk Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit.

y = -0.0009x + 3.3714

3.36943.36953.36963.36973.36983.3699

3.373.37013.37023.3703

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

3

k3 Linear (k3)



61

Dari gambar 4.12 - gambar 4.14 terlihat adanya nilai ln k1, ln k2 dan ln k3

yang tetap pada kenaikan suhu 1/ 573 ke 1/ 673 K. Kondisi ini dapat dibuktikan

pada tabel 4.7 dengan menunjukkan nilai tetapan laju k1, k2 dan k3 yang tetap pada

kenaikan suhu dari 573 ke 673 K dengan nilai SSE kedua suhu tersebut lebih kecil

dibandingkan nilai SSE pada suhu 773 K. Hal ini berarti, titik yang tetap pada

gambar 4.12 - gambar 4.14 di atas disebabkan oleh nilai k1, k2 dan k3 pada suhu

773 K. Kondisi ini didukung dari data pada tabel 4.4, pada laju alir yang semakin

tinggi yaitu laju alir 60 mL/menit, nilai konversi yang diperoleh menurun.

Berdasarkan persamaan (2.13), semakin tinggi tetapan laju mengakibatkan

laju akan semakin cepat dan sebaliknya. Kondisi ini terlihat pada kombinasi tabel

4.4 dan tabel 4.12 (Model Power Rate Law) yang menginformasikan bahwa

semakin naik suhu maka semakin turun tetapan laju k dan laju semakin lambat.

Hal ini bertentangan dengan persamaan Arrhenius. Menurut Masel (2001)

hubungan suhu dan tetapan laju dari persamaan Arrhenius hanya baik digunakan

untuk reaksi yang menggunakan kenaikan suhu berkisar antara 50 – 100 K dan

baik diterapkan untuk reaksi elementer. Tahap 1, tahap 2 dan tahap 3 pada Model

Kinetika Terpilih merupakan reaksi elementer sedangkan model Power Rate Law

merupakan reaksi overall. Adapun contoh hubungan antara suhu dengan tetapan

laju k dapat diilustrasikan pada gambar 4.15 (Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit) dan

gambar 4.16 (Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit).

62

y = 0.0446x - 3.2903

-3.4

-3.35

-3.3

-3.25

-3.2

-3.15

-3.11 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

k Linear (k)

Gambar 4.15. Hubungan antara 1/T Versus ln k dari Model Power Rate Law

(Model 6) untuk Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit.

y = -0.0391x - 3.0095

-3.15

-3.13

-3.11

-3.09

-3.07

-3.05

-3.03

-3.01 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln k

k Linear (k)

Gambar 4.16. Hubungan antara 1/T Versus ln k dari Model Power Rate Law

(Model 6) untuk Katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit.

Persamaan garis linear yang dibentuk pada gambar 4.15 merupakan

persamaan non-Arrhenius sedangkan persamaan garis linear yang dibentuk pada

gambar 4.16 merupakan persamaan Arrhenius.

Di samping tetapan laju, persamaan Arrhenius juga melibatkan faktor

tumbukan (A) dan energi aktivasi (Ea). Menurut Masel (2001), peningkatan suhu

mengakibatkan naiknya energi kinetik molekul-molekul reaktan sehingga

meningkatkan jumlah tumbukan antar molekul reaktan. Faktor tumbukan akan

berpengaruh pada rendahnya energi aktivasi. Dengan adanya katalis, jumlah

tumbukan antar molekul reaktan makin sedikit namun tumbukan yang terjadi

63

semakin berkualitas akibatnya energi aktivasi semakin menurun dan reaksi makin

mudah terjadi.

Apabila ditinjau ulang tentang mekanisme reaksi dekomposisi gas N2O,

banyaknya tumbukan yang dapat mengakibatkan energi aktivasi menurun hanya

terjadi pada tahap 1 dan tahap 2 saja karena tahap 3 (desorpsi O2) adalah tahap

sulit. Deskripsi ini dibuktikan pada tabel 4.9. Pada aktivitas konsentrasi katalis

terbaik, katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit memiliki faktor tumbukan (A) dan energi

aktivasi (Ea) untuk tiap tahapan reaksi berturut-turut adalah A1 = 29,10992,

Ea1 = 0,00812 kJ/mol; A2 = 0,150135, Ea2 = 4,57876 kJ/mol dan A3 = 29,11279,

Ea3 = 0,00874 kJ/mol sedangkan katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit memiliki

A1 = 29,12497, Ea1 = 0,00826 kJ/mol; A2 = 0,136592, Ea2 = 2,98591 kJ/mol dan

A3 = 29,11951, Ea3 = 0,00745 kJ/mol. Dengan melihat nilai A3 dan Ea3 dari

katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit dapat diketahui bahwa sedikitnya tumbukan yang

terjadi masih dapat mengakibatkan Ea menurun. Hal ini berarti, tahap 3 dari

katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit lebih mudah terjadi dibandingkan katalis 3,5 %

Cr2O3/Zeolit.

Menurut Kapteijn et al, (1996), desorpsi O2 terjadi pada suhu di atas

573 K. Sama halnya dengan tabel 4.9, tabel 4.13 juga memberikan informasi

bahwa energi aktivasi (Ea) dan faktor tumbukan (A) yang dimiliki oleh katalis

Co3O4/Zeolit lebih baik daripada katalis Cr2O3/Zeolit yaitu berturut-turut

Ea = 0,32550 kJ/ mol dan A = 4,931869x10-2 untuk katalis Co3O4/Zeolit

sedangkan Ea = 0,37040 kJ/ mol dan A = 3,724119x10-2 untuk katalis

Cr2O3/Zeolit.

64

Dari persamaan Van’t Hoff, terlihat bahwa semakin tinggi suhu maka

semakin naik tetapan setimbang adsorpsi K (Masel, 2001) dan semakin turun

tetapan setimbang desorpsi K3 (Kapteijn et al., 1996) yang terlihat pada tabel 4.7.

Contoh hubungan antara suhu dengan tetapan laju K3 dapat diilustrasikan pada

gambar 4.17 (Katalis 3,5 % Cr2O3/Zeolit) dan gambar 4.18 (Katalis 2,5 %

Co3O4/Zeolit).

y = 0.0005x + 1.8065

1.807

1.8071

1.8072

1.8073

1.8074

1.8075

1.8076

1.8077

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln K

3

K3 Linear (K3)

Gambar 4.17. Hubungan antara 1/T Versus ln K3 dari tahap 3 Model Kinetika


y = 0.0038x - 0.3741

-0.3695-0.369

-0.3685-0.368

-0.3675

-0.367-0.3665-0.366

-0.3655-0.365

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

1/T x 1000 (1/K)

ln K

3

K3 Linear (K3)

Gambar 4.18. Hubungan antara 1/T Versus ln K3 dari tahap 3 Model Kinetika


65

Seiring menurunnya laju terhadap kenaikan suhu dapat juga dibuktikan

oleh faktor yang tidak signifikan dari konversi yang dihasilkan pada tiap kenaikan

suhu. Pada kebanyakan reaksi, konversi akan meningkat dengan faktor 2 – 3 kali

tiap kenaikan suhu 10 K dan akibatnya laju juga akan meningkat dengan faktor

yang sama (Masel, 2001). Hal ini tidak dialami oleh reaksi dekomposisi gas N2O

yang telah dilakukan.

4.5. Pengaruh Jenis dan Karakterisasi Katalis

Kapteijn (1996) melaporkan bahwa aktivitas katalis oksida logam murni

terhadap reaksi dekomposisi gas N2O untuk golongan VIII (CoO) lebih tinggi

daripada katalis golongan III-VII (Cr2O3). Di samping itu, menurut Richardson

(1989) oksida semikonduktor tipe-p memiliki aktivitas yang lebih tinggi daripada

semikonduktor tipe-n. Oksida CoO memiliki aktivitas relatif reaksi dekomposisi

gas N2O sebesar 7,91 yang jauh lebih tinggi daripada oksida Cr2O3 tipe-n yang

hanya sebesar 7,3 x 10-3.

Karakterisasi katalis dari metode BET yang mempengaruhi laju hanya

energi adsorpsi. Dari tabel 4.1 dan tabel 4.13 dapat dikombinasikan menjadi

tabel 4.15.

Tabel 4.15. Hubungan Luas Permukaan dan Energi Adsorpsi Katalis terhadap Energi Aktivasi Reaksi Dekomposisi Gas N2O.

Katalis Luas Permukaaan

Spesifik, LPS (m2/g)

Energi Adsorpsi,

Eads (Joule)

Energi Aktivasi,

Ea (kJ/mol)

Energi Aktivasi ,

Ea (kJ/mol) 1,5% Cr2O3/Zeolit 171,97 3,63 -3.19104 3.191042,5% Cr2O3/Zeolit 171,83 3,67 -0.82782 0.827823,5% Cr2O3/Zeolit 164,88 3,74 -0.37040 0.370401,5% Co3O4/Zeolit 122,99 3,74 -0.94868 0.948682,5% Co3O4/Zeolit 113,44 3,75 +0.32550 0.325503,5% Co3O4/Zeolit 113,11 3,72 -0.30144 0.30144

66

Berdasarkan tabel 4.15 di atas, tanda (-) pada energi aktivasi hanya

menandakan kecenderungan sedangkan tanda (+) pada energi aktivasi katalis

2,5 % Co3O4/Zeolit menyatakan aktivitas yang lebih baik daripada aktivitas yang

memiliki tanda (-).

Tabel 4.15 di atas menunjukkan bahwa untuk tiap katalis, semakin

rendahnya energi aktivasi disebabkan oleh semakin tingginya energi adsorpsi

kecuali pada katalis 3,5 % Co3O4/Zeolit. Semakin tinggi energi adsorpsi

mengakibatkan molekul reaktan makin mudah teradsorpsi (Lowell, 1979)

sementara semakin rendahnya energi aktivasi menunjukkan semakin mudahnya

reaksi terjadi (Masel, 2001). Pada konsentrasi katalis yang sama (konsentrasi

katalis 1,5 %), untuk katalis Cr2O3/Zeolit memiliki energi adsorpsi yang lebih

rendah dan energi aktivasi yang lebih tinggi, Eads = 3,63 Joule dan Ea = -3,19104

kJ/mol daripada katalis Co3O4/Zeolit, Eads = 3,74 Joule dan Ea = -0,94868 kJ/mol.

Hal ini berarti bahwa aktivitas katalis Co3O4/Zeolit lebih baik dari katalis

Cr2O3/Zeolit. Dengan argumen yang sama, aktivitas terbaik dari katalis

Cr2O3/Zeolit terjadi pada konsentrasi katalis 3,5 % sedangkan untuk katalis

Co3O4/Zeolit terjadi pada konsentrasi katalis 2,5 %.

Tabel 4.15 juga memberikan informasi bahwa untuk tiap katalis, semakin

rendahnya energi aktivasi dapat disebabkan oleh luas permukaan yang semakin

rendah kecuali pada katalis 2,5 % Co3O4/Zeolit. Luas permukaan yang tinggi

menyatakan semakin banyaknya jumlah situs aktif yang tersedia dan ini

mengakibatkan semakin banyaknya jumlah molekul reaktan yang teradsorpsi.

Dengan kata lain, semakin tinggi luas permukaan mengakibatkan semakin

67

mudahnya reaksi terjadi (energi aktivasi semakin rendah). Luas permukaan

spesifik katalis merupakan penjumlahan antara luas permukaan internal dengan

luas permukaan eksternal katalis. Luas permukaan internal katalis ini memiliki

jumlah yang lebih banyak dari luas permukaan eksternal katalis (Masel, 2001).

Hal ini berarti, dari tabel 4.15 menyatakan bahwa tingginya luas permukaan tidak

selalu mengakibatkan aktivitasnya baik, yang dikarenakan permukaan internal

katalis tidak dapat digunakan akibat ukuran partikel logam katalis yang sangat

kecil. Ukuran partikel logam katalis ini dapat dijelaskan dengan metode difraksi

sinar X.

Karakterisasi katalis dari metode difraksi sinar X yang mempengaruhi laju

hanya ukuran partikel logam katalis. Menurut Clark (1955), ukuran partikel logam

katalis yang semakin besar mengakibatkan semakin mudahnya molekul reaktan

gas N2O untuk masuk ke dalam pori katalis sehingga semakin mudah terjadinya

reaksi dan penggunaan luas permukaan pun maksimal. Berdasarkan tabel 4.2,

memperoleh informasi bahwa pada konsentrasi katalis yang sama (konsentrasi

katalis 1,5 %), untuk katalis Cr2O3/Zeolit memiliki ukuran partikel lebih kecil

daripada katalis Co3O4/Zeolit yaitu L CrO2 = 270,7248 Å dan 92,4009 Å,

L Cr2O3 = 229,5088 Å dan 92,4009 Å untuk katalis Cr2O3/Zeolit sedangkan L

Co3O4 = 456,0067 Å dan 184,7088 Å untuk katalis Co3O4/Zeolit. Hal ini berarti

bahwa aktivitas katalis Co3O4/Zeolit lebih baik dari katalis Cr2O3/Zeolit. Dengan

alasan sama, aktivitas terbaik dari katalis Cr2O3/Zeolit terjadi pada konsentrasi

katalis 3,5 % sedangkan untuk katalis Co3O4/Zeolit terjadi pada konsentrasi

katalis 2,5 %.

68

Perkiraan spesi oksida yang dibentuk saat preparasi menentukan bilangan

oksidasi yang terlibat dalam mekanisme reaksi dekomposisi gas N2O.

Berdasarkan tabel 4.2 maka spesi oksida yang berperan dalam mekanisme reaksi

untuk katalis Cr2O3/Zeolit adalah spesi Cr2O3 namun menurut Egerton (1974)

dalam sistem bulk oksida, spesi oksida bentuk Cr2O8 lebih disukai sehingga

mekanisme reaksi dekomposisi gas N2O yang terjadi adalah:

Sedangkan menurut Drago (1997), spesi oksida yang berperan dalam

mekanisme reaksi dari katalis Co3O4/Zeolit adalah spesi CoO dan mekanisme

reaksinya menjadi seperti berikut:

Z Cr2O8(sf) + N2O(g) Z (Cr2O8(O)-)(sf) + N2(g) Z (Cr2O8(O)-)(sf) + N2O(g) Z (Cr2O8(O2)-)(sf) + N2(g)

Z (Cr2O8(O2)-)(sf) Z Cr2O8(sf) + O2(g)

Z (CoO)3(sf) + N2O(g) Z ((CoO)3(O)-)(sf) + N2(g) Z ((CoO)3(O)-)(sf) + N2O(g) Z ((CoO)3(O2)-)(sf) + N2(g)

Z ((CoO)3(O2)-)(sf) Z (CoO)3(sf) + O2(g)

69

BAB V

PENUTUP

5.1 Simpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan:

1. Konversi reaksi dekomposisi gas N2O akan naik apabila konsentrasi semua

spesies dalam reaktor tinggi selama orde reaksi spesies itu berharga positif.

2. Pengaruh suhu terhadap kenaikan konversi akan mengikuti persamaan

Arrhenius atau non-Arrhenius dan persamaan Van’t Hoff .

3. Karakterisasi katalis yang dapat menaikkan konversi adalah energi adsorpsi

yang tinggi dan ukuran partikel logam katalis yang besar.

4. Mekanisme reaksi dekomposisi gas N2O untuk katalis Cr2O3/Zeolit dan

katalis Co3O4/Zeolit mengikuti model Eley-Rideal (Model 4) dengan

desorpsi gas O2 merupakan langkah paling sulit.

5.2 Saran

Saran yang dapat diberikan oleh penulis demi pengembangan penelitian

selanjutnya adalah sebagai berikut:

1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan variasi lain, misalnya variasi

konsentrasi gas N2O dalam satuan tekanan dan variasi waktu kontak agar

dapat diperoleh pembahasan yang lebih mendalam.

70

2. Penelitian selanjutnya diharapkan mencari model kinetika lain yang lebih

baik dari yang sudah ada dengan melibatkan senyawa-senyawa lain yang

mempengaruhi gas N2O.

3. Perlu dilakukan penelitian lanjutan yang langsung diaplikasikan pada

sumber polutan, misalnya pada knalpot kendaraan bermotor agar dapat

diperoleh data yang lebih akurat.

71

DAFTAR PUSTAKA

Adamson, A. W. 1976. Physical Chemistry of Surface. Canada: John Wiley and

Sons. pp. 551. Alberty, R. A. 1983. Physical Chemistry. 6th edition. New York: John Wiley and

Sons, Inc. pp. 188 – 618. Anderson, R. B. and Dawson, P.T. 1976. Experimental Methods in Catalytic

Research. Vol 2: Preparation and Examination of Practical Catalysts. London. Academic Press Inc. pp. 2 – 51.

Anonim. 2002. Nitrogen Oksida. http://www.depkes.go.id/downloads/Udara.PDF.

Diakses tanggal 21 Juni 2006. California Environmental Protection Agency (CEPA). 1996. Demonstration of

Lean NOx Catalytic Converter Technology on Heavy-Duty Diesel Engine: Final Report, May 1996. Air Resource Board Research Div. pp. 5.

Clark, G. L. 1955. Applied X-Rays. New York: McGraw Hill Company Inc. pp.

643 – 644. Degobert, P. 1995. Automobiles and Pollution. Paris: Society of Automotive

Engineers, Inc. pp. 24 – 372. Drago, R. S. 1997. Catalyzed Decomposition of N2O on Metal Oxide Supports.

Applied Catalysis B:Environmental 13, 69-79. Elsevier Science B.V. Egerton, T. A., Stone, F.S. and Vickerman, J. C. 1973. α-Cr2O3-Al2O3 Solid

Solutions, II. The Catalyctic Decomposition of Nitrous Oxide. Journal of Catalysis 33, 307-315. Academic Press, Inc

Egerton, T. A., Stone, F.S. and Vickerman, J. C. 1974. α-Cr2O3-Al2O3 Solid

Solutions, I. The Formation and Stability of Adsorbed Oxygen. Journal of Catalysis 33, 299-306. Academic Press, Inc.

Foger, K. 1984. Dispersed Metal Catalyst and Surface. Australia: University of

Melbourne. pp. 228. Fogler, H. S., 1992. Element of Chemical Reaction Engineering. 3rd edition. New

Jersey: Prentice-Hall. Inc. pp. 255 – 257. Fritz, A. and Pitchon, V. 1997. The Current State of Research on Automotive

Lean NOx Catalysis (Review). Applied Catalysis B:Environmental 13, 1-25. Elsevier Science B.V.

72

Jocheim, Jorgen. 1998. The Dependence of The Conversion Performance of Different Types of Diesel Catalysts as a Function of Operation Properties. Jerman: Vom Fachberlich Chemie der Niversitat Hannoover. pp. 9 – 21.

Jozefaciuk, G. 2002, Effect of Acid and Alkali Treatment Surface Charge

Properties of Selected Clay. Clays and Clay Material. pp. 568. Justiana, Sandri. 2006. Katalitik Konverter Kurangi Kadar Emisi Gas Buang.

http://www.pikiranrakyat.com/cetak/2006/042006/27/cakrawala/lainnya03.htm. Diakses tanggal 20 Mei 2006.

Kapteijn, F., Mirasol J. R. and Moulijn, J. A. 1996. Heterogenous Catalytic

Decomposition of Nitrous Oxide. Applied Catalysis B: Environmental 9, 25-64. Elsevier Science B.V.

Kapteijn, et al. 1997. Kinetic Analysis of the Decomposition of Nitrous Oxide

over ZSM-5 Catalysis. Journal of Catalysis 167, 256-265. Academic Press, Inc.

Las, Thamzil. 2005. Potensi Zeolit untuk Mengolah Limbah Industri dan

Radioaktif. http:///www.batan.go.id/p2plr/olah limbah.htm. Diakses tanggal 20 Mei 2006.

Lowell, S. 1979. Introduction to Powder Surface Area. New York: John Wiley

and Sons, Inc. pp. 10 – 35. Manahan, S. E. 1993. Fundamentals of Environmental Chemistry. Michigan:

Lemis Publishers. pp. 595. Masel, R. I. 2001. Chemical Kinetics and Catalysis. 10th edition. Canada: John

Wiley and Sons, Inc. pp. 11 – 30. Niemantsverdiet, J. W. 1995. Spectroscopy in Catalysis. Jerman: Weinheim. pp.

138 – 139. Page, J. F’Le. 1987. Applied Heterogenous Catalysis. Design Manufacture Use of

Solid Catalysis. Paris: Technip. pp. 7. Richardson, J. T. 1989. Principles of Catalyst Development. New York: Plenum

Press. pp. 65 – 68. Sediawan, W. B. dan Prasetyo, A. 1997. Permodelan Matematis dan Penyelesaian

Numeris dalam Teknik Kimia dengan Pemrograman Bahasa Basic dan Fortran. Yogyakata : Andi Offset. pp. 62 – 73.

Sukur, A. A. 1997. Analisis Komposisi Epliji Menggunakan Kromatografi Gas.

Akamigas Cepu. pp. 10 – 12.

73

Teraoka, Y., Harada, T. and Kagawa, S. 1998. Reaction Mechanism of Direct Decomposition of Nitric Oxide over Co-and Mn- based Perovskite-Type Oxides. J. Chem. Soc., Faraday Trans 94, 1887-1891.

Vannice, M.A., Walters, A. B. and Zhang, X. 1996. The Kinetics of NOx

Decomposition and NO Reduction by CH4 over La2O3 and Sr/La2O3. Journal of Catalysis 159, 119-126. Academic Press, Inc.

Yaws, C. L. and Sameth, J. D. 2001. Matheson Gas Data Book. 7th edition. New

York: McGraw-Hill Book Company, Inc. pp. 589.

75

Lampiran 1. Diagram Alir Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET. Lampiran 2. Diagram Alir Metode Difraksi Sinar X.

Katalis 1,5%; 2,5% & 3,5% Co3O4/Zeolit

Katalis 1,5%; 2,5% & 3,5% Cr2O3/Zeolit

Degassing T = 250oC, t = 3 jam

v = 5 gelembung/detik

Pengukuran (Specific Surface Area & Total Pore Volume)

T = 77 K

Gas N2

Gas N2

Data

Katalis 1,5%; 2,5% & 3,5% Co3O4/Zeolit

Katalis 1,5%; 2,5% & 3,5% Cr2O3/Zeolit

Penghancuran Ukuran = < 50µm

Pengukuran 2θ = 3,01o – 69,99o, V = 40 kV, I = 30 mA

CuKα λ1 = 1,54060 Ǻ, λ1 = 1,54439 Ǻ

Data

Pengeringan T = 120 oC, t = 3 jam

76

Lampiran 3. Diagram Alir Proses Reaksi Dekomposisi Gas N2O dengan Katalis Cr2O3/Zeolit.

Lampiran 4. Diagram Alir Proses Reaksi Dekomposisi Gas N2O dengan

Katalis Co3O4/Zeolit.

Dekomposisi t = 45 menit

T = 473, 573, 673 & 773 K

Pencatatan Konsentrasi Produk YN2 = ...., ...., .... & ....%

Katalis 1,5; 2,5 & 3,5 % Cr2O3/Zeolit

Karakterisasi 1. BET 2. XRD

Pengeringan T = 200oC, t = ± 2 jam

Pembebasan Udara pada Alat

t = ± 5 menit Gas N2O

Pengaturan Laju Alir FV,N2O = 40, 50 dan 60 mL/menit

Gas N2

Variasi Suhu

Variasi Laju Alir

Variasi Konsentrasi

Katalis

Dekomposisi t = 45 menit

T = 473, 573, 673 & 773 K

Pencatatan Konsentrasi Produk YN2 = ...., ...., .... & ....%

Katalis 1,5; 2,5 & 3,5 % Co3O4/Zeolit

Karakterisasi 1. BET 2. XRD

Pengeringan T = 200oC, t = ± 2 jam

Pembebasan Udara pada Alat

t = ± 5 menit Gas N2O

Pengaturan Laju Alir FV,N2O = 40, 50 dan 60 mL/menit

Gas N2

Variasi Suhu

Variasi Laju Alir

Variasi Konsentrasi

Katalis

77

Lampiran 5. Contoh Data Keluaran Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit.

78

Lampiran 6. Contoh Data Keluaran Metode Difraksi Sinar X pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit.

Measurement Conditions: Dataset Name Katalis 1,5% Co3O4/Zeolit Measurement Date / Time 2/28/2007 1:27:36 PM Operator Lemigas Raw Data Origin XRD measurement (*.XRDML) Scan Axis Gonio Start Position [°2Th.] 3.0100 End Position [°2Th.] 69.9900 Step Size [°2Th.] 0.0200 Scan Step Time [s] 1.0000 Scan Type Continuous Offset [°2Th.] 0.0000 Divergence Slit Type Automatic Irradiated Length [mm] 17.00 Specimen Length [mm] 10.00 Receiving Slit Size [mm] 0.1500 Measurement Temperature [°C] 22.00 Anode Material Cu K-Alpha1 [Å] 1.54060 K-Alpha2 [Å] 1.54443 K-Beta [Å] 1.39225 K-A2 / K-A1 Ratio 0.50000 Generator Settings 30 mA, 40 kV Diffractometer Type PW 3040 Diffractometer Number 0 Goniometer Radius [mm] 240.00 Dist. Focus-Diverg. Slit [mm] 100.00 Incident Beam Monochromator Yes Spinning No Main Graphics, Analyze View:

79

Peak List: Pos.

[°2Th.] d-spacing

[Å] Height [cts]

Rel. Int. [%]

Backgr.[cts]

Area [cts*°2Th.]

Tip width [°2Th.]

6.4864 13.62694 22.26 7.35 40.00 6.05 0.3306 9.7901 9.03466 107.68 35.55 40.00 20.90 0.2362 13.5258 6.54662 97.54 32.20 51.00 15.15 0.1889 15.2903 5.79490 40.43 13.35 57.01 9.42 0.2834 19.7139 4.50342 100.69 33.24 93.00 23.46 0.2834 21.7991 4.07715 94.34 31.15 115.00 21.98 0.2834 22.3558 3.97686 175.78 58.03 119.00 27.30 0.1889 23.6867 3.75633 58.08 19.17 123.00 9.02 0.1889 25.7320 3.46222 302.90 100.00 121.00 29.40 0.1181 26.6018 3.35095 136.62 45.10 117.00 15.91 0.1417 27.6725 3.22369 211.75 69.91 109.00 49.33 0.2834 30.9553 2.88890 85.10 28.09 88.00 13.22 0.1889 35.7974 2.50846 64.56 21.31 74.00 25.07 0.4723 44.5025 2.03591 57.59 19.01 75.00 13.42 0.2834 46.6172 1.94837 30.59 10.10 80.00 14.25 0.5668 48.5520 1.87515 39.10 12.91 82.00 12.15 0.3779 50.9260 1.79318 29.85 9.85 80.00 11.59 0.4723 52.9036 1.72928 52.44 17.31 78.00 10.07 0.1728

80

Lampiran 7. Contoh Joint Comitte of Powder Diffraction Standart (JCPDS) untuk Spesi Oksida Co3O4.

Name and formula Reference code: 01-078-1969 ICSD name: Cobalt Oxide Empirical formula: Co3O4 Chemical formula: Co3O4 Crystallographic parameters Crystal system: Cubic Space group: Fd-3m Space group number: 227 a (Å): 8.0850 b (Å): 8.0850 c (Å): 8.0850 Alpha (°): 90.0000 Beta (°): 90.0000 Gamma (°): 90.0000 Calculated density (g/cm^3): 6.05 Volume of cell (10^6 pm^3): 528.49 Z: 8.00 RIR: 1.00 Status, subfiles and quality Status: Edited Pattern Subfiles: Inorganic Alloy, metal or intermetalic Corrosion ICSD Pattern Quality: Calculated (C) Comments ICSD collection code: 063164 References Primary reference: Calculated from ICSD using POWD-12++, (1997) Structure: Will, G., Masciocchi, N., Parrish, W., Hart, M., J. Appl.

Chem., 20, 394, (1987) Peak list No. h k l d [A] 2Theta[deg] I [%] 1 1 1 1 4.66788 18.997 1.3 9 4 4 0 1.42924 65.225 30.3 2 2 2 0 2.85848 31.267 28.9 10 5 3 1 1.36661 68.618 0.2 3 3 1 1 2.43772 36.841 100.0 11 4 4 2 1.34750 69.731 0.1 4 2 2 2 2.33394 38.543 8.0 12 6 2 0 1.27835 74.109 2.2 5 4 0 0 2.02125 44.804 17.1 13 5 3 3 1.23295 77.329 6.3 6 3 3 1 1.85483 49.076 3.0 14 6 2 2 1.21886 78.393 3.1 7 4 2 2 1.65034 55.647 7.4 15 4 4 4 1.16697 82.613 1.6 8 5 1 1 1.55596 59.348 20.9 16 7 1 1 1.13213 85.750 0.3 Stick Pattern

81

Lampiran 8. Contoh Penentuan Spesi Oksida dan Ukuran Partikel ( L ) pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit.

Pos. [°2Th.] Selisih d Data – d JCPDS Spesi Oksida Data JCPDS

13,62694 9,03466 6,54662 5,79490 4,50342 4,07715 3,97686 3,75633 3,46222 3,35095 3,22369 2,88890 2,85848 0,03042 Co3O4 2,50846 2,53772 0,02926 Co3O4 2,03591 2,02125 0,01466 Co3O4 1,94837 1,87515 1,85483 0,02032 Co3O4 1,79318 1,72928

Perhitungan Ukuran Partikel ( L ): Harga tetapan: k = 0,94 λ = 1,54060 Å Data difraksi sinar X: β1 = 0,1889 o β2 = 0,4723 o

= 3,295256 x 10-3 radian = 8,239011 x 10-3 radian 2θ1 = 30,9553 o 2θ2 = 35,7974 o

θ1 = 15,47765 o θ2 = 17,8987 o

Rumus: L = cos . k.

θβλ

Ukuran partikel ( L ): L1 = 456,0067 Å L2 = 184,7088 Å

82

Lampiran 9. Contoh Data Keluaran GC-TCD pada katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit dengan Laju Alir 60 mL/menit.

83

Lampiran 10. Contoh Perhitungan Konsentrasi N2 Hasil Analisis GC-TCD pada katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit dengan Laju Alir 60 mL/menit.

Data area dan konsentrasi standar:

Area 1 Area 2 Area Rata-rata (X)

Konsentrasi Standar (Y)

7699376 7071619 7385497,5 7.02 115202120 112093440 113647780 78,08 134135560 135765280 134950420 100

Dengan membuat plot antara area rata-rata (X) Vs konsentrasi standar (Y) diperoleh persamaan Y = 7 x 10-7 X + 1,16 dan kurva standar sebagai berikut:

Kurva Standar N2

y = 7E-07x + 1.16

R2 = 0.995

0

20

40

60

80

100

120

0 20000000 40000000 60000000 80000000 100000000

120000000

140000000

160000000

Area

Kon

sent

rasi

(%)

Dengan mensubstitusikan area rata-rata sampel pada persamaan kurva standar N2, maka diperoleh konsentrasi sampel N2 dan kurva sampel sebagai berikut:

Kurva Sampel

30

40

50

60

70

80

90

400 450 500 550 600 650 700 750 800Suhu (C)

Kon

sent

rasi

(%)

Suhu/K (X) Area 1 Area 2 Area

Rata-Rata Konsentrasi

sampel N2 (Y) 473 78909504 78350144 78629824 56,20088 573 84211136 86869696 85540416 61,03829 673 98157696 99448256 98802976 70,32208 773 105296680 104988400 105142540 74,75978

84

Lampiran 11. Contoh Perhitungan Laju Reaksi Hasil Eksperimen (rdat) pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit Laju Alir 60 mL/menit.

Data hasil analisis GC-TCD: P = 1 atm R = 0,082053 L.atm/mol.K W = 1 gram Suhu (T) = 473K Laju Alir (Fv,N2O) = 60 mL/menit = 3,6 L/jam [N2]OUT = 56,20088 % [N2O]IN = 99,5 %

A. Menghitung Konversi

X = IN2

OUT2

O][N]N[

= % 100x % 99,5

% 56,20088=56,4833 %

B. Menghitung Jumlah Mol N2O

FN2O = T x R

F x P N2OV, = K 473K x L.atm/mol. 0,082053L/jam 3,6 x atm 1

= 0,09276 mol/jam

C. Menghitung Laju Reaksi

WX.F

)(-r N2ON2O = = g 1

% 56,4833 x mol/jam 0,09276= 0,05239mol/jam/g kat

85

Lampiran 12. Contoh Perhitungan Tetapan Laju k dan Tetapan Setimbang Desorpsi K dengan Metode Hooke-Jeeves 4 Variabel untuk Tiap Model pada Katalis Co3O4/Zeolit.

CLS PRINT "Disusun oleh : Bambang Priyambudi" PRINT "NIM : 4350402011" PRINT 'Program Hooke-Jeeves N Variabel 'untuk Menentukan Model Terbaik 'Inisialisasi nv = 4 mdat = 3 ndat = 4 Pt = 1 g$ = STRING$(75, "-") FOR i = 1 TO nv READ axopt1(i), adelx1(i) NEXT i DATA 1,.001,5,.001,35,.001,6,.001 READ aratio1, atol1 DATA .5,1e-2 FOR i = 1 TO nv READ axopt2(i), adelx2(i) NEXT i DATA .05,.001,1,.001,-1,.001,.02,.001 READ aratio2, atol2 DATA .5,1e-2 'Menyimpan file INPUT "Masukkan nama file"; nm$ OPEN nm$ FOR OUTPUT AS #1 'Membaca kecepatan reaksi FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat READ rdat1(k, h) NEXT k NEXT h 'Kecepatan reaksi untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 0.05239,0.04697,0.04607,0.04265 DATA 0.05316,0.04513,0.04076,0.03572 DATA 0.03461,0.03413,0.03311,0.02955

86

FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat READ rdat2(k, h) NEXT k NEXT h 'Kecepatan reaksi untuk konsentrasi katalis 2,5 % DATA 0.05266,0.05136,0.04687,0.04255 DATA 0.04914,0.04549,0.04027,0.03808 DATA 0.03985,0.03813,0.03310,0.03006 FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat READ rdat3(k, h) NEXT k NEXT h 'Kecepatan reaksi untuk konsentrasi katalis 3,5 % DATA 0.05802,0.05111,0.04729,0.04514 DATA 0.04448,0.04976,0.04316,0.03791 DATA 0.03589,0.03818,0.03395,0.03190 'Membaca konversi Dinitrogen Oksida FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat READ xDO1(k, h) NEXT k NEXT h 'Konversi Dinitrogen Oksida untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 56.4833e-2,61.3450e-2,70.6755e-2,75.1355e-2 DATA 68.7736e-2,70.7208e-2,75.0327e-2,75.5279e-2 DATA 55.9729e-2,66.8601e-2,76.1765e-2,78.0964e-2 FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat READ xDO2(k, h) NEXT k NEXT h 'Konversi Dinitrogen Oksida untuk konsentrasi katalis 2,5 % DATA 56.7696e-2,67.0718e-2,71.8975e-2,74.9636e-2 DATA 63.5741e-2,71.2911e-2,74.1244e-2,80.5093e-2 DATA 64.4437e-2,74.6968e-2,76.1576e-2,79.4411e-2 FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat READ xDO3(k, h) NEXT k NEXT h 'Konversi Dinitrogen Oksida untuk konsentrasi katalis 3,5 % DATA 62.5558e-2,66.7437e-2,72.5387e-2,79.5220e-2 DATA 57.5444e-2,77.9882e-2,79.4513e-2,80.1543e-2 DATA 58.0381e-2,74.8043e-2,78.1104e-2,84.2973e-2

87

'Membaca konsentrasi Dinitrogen Oksida FOR h = 1 TO mdat READ C(h) NEXT h DATA .995,.995,.995 'Membaca suhu FOR k = 1 TO ndat READ T(k) NEXT k DATA 473,573,673,773 PRINT #1, USING "Hasil Optimasi # Variabel"; nv PRINT #1, " Metode Hooke-Jeeves" PRINT #1, "Perhitungan Model : 1-6" PRINT #1, "--------------------------" PRINT #1, GOSUB Header FOR Ckat = 1 TO 3 PRINT #1, USING "Konsentrasi Katalis # %"; Ckat PRINT #1, g$ PRINT #1, " Model"; FOR i = 1 TO nv PRINT #1, USING " x(#)"; i; NEXT i PRINT #1, " SSE" PRINT #1, g$ IF (Ckat = 1) THEN FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat rdat(k, h) = rdat1(k, h) xDO(k, h) = xDO1(k, h) NEXT k NEXT h ELSE IF (Ckat = 2) THEN FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat rdat(k, h) = rdat2(k, h) xDO(k, h) = xDO2(k, h) NEXT k NEXT h ELSE

88

FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat rdat(k, h) = rdat3(k, h) xDO(k, h) = xDO3(k, h) NEXT k NEXT h END IF END IF FOR model = 1 TO 6 PRINT USING "Konsentrasi Katalis # %"; Ckat PRINT "Perhitungan Model:"; model PRINT g$ FOR i = 1 TO nv PRINT USING " x(#)"; i; NEXT i PRINT " SSE" PRINT g$ cou = 0 IF model = 6 THEN FOR i = 1 TO nv xopt(i) = axopt2(i) delx(i) = adelx2(i) NEXT i ratio = aratio2 tol = atol2 ELSE FOR i = 1 TO nv xopt(i) = axopt1(i) delx(i) = adelx1(i) NEXT i ratio = aratio1 tol = atol1 END IF FOR i = 1 TO nv x(i) = xopt(i) NEXT i GOSUB 70 fopt = f GOSUB cetak 'Eksplorasi 10 FOR i = 1 TO nv tandax(i) = 0 NEXT i

89

FOR i = 1 TO nv FOR j = 1 TO nv IF j = i THEN x(j) = xopt(j) + delx(j) ELSE x(j) = xopt(j) END IF NEXT j GOSUB 70 IF (f >= fopt) THEN 20 fopt = f xopt(i) = x(i) tandax(i) = 1 IF i = nv THEN 40 ELSE GOTO 30 20 x(i) = xopt(i) - delx(i) GOSUB 70 IF (f >= fopt) THEN 30 fopt = f xopt(i) = x(i) tandax(i) = -1 GOSUB cetak 30 NEXT i 40 FOR i = 1 TO nv IF ABS(tandax(i)) > .2 THEN 50 NEXT i IF sse < tol THEN 60 'Mengecilkan delta dan kembali ke eksplorasi FOR i = 1 TO nv delx(i) = delx(i) * ratio NEXT i GOTO 10 'Mengulang langkah sukses 50 FOR i = 1 TO nv x(i) = xopt(i) + delx(i) * tandax(i) NEXT i GOSUB 70 IF (f >= fopt) THEN 10 FOR i = 1 TO nv xopt(i) = x(i) NEXT i fopt = f GOSUB cetak GOTO 50

90

'Mencetak hasil akhir 60 PRINT #1, USING " #"; model; FOR i = 1 TO nv PRINT #1, USING "####.######"; xopt(i); x(i) = xopt(i) NEXT i GOSUB 70 PRINT #1, " "; sse er(model) = f cou = 1 GOSUB cetak PRINT g$ PRINT NEXT model PRINT #1, g$ PRINT #1, IF (er(1) > er(2)) THEN best(Ckat) = 2 ELSE best(Ckat) = 1 IF (er(best(Ckat)) > er(3)) THEN best(Ckat) = 3 IF (er(best(Ckat)) > er(4)) THEN best(Ckat) = 4 IF (er(best(Ckat)) > er(5)) THEN best(Ckat) = 5 PRINT #1, "Model yang terbaik adalah model:"; best(Ckat) PRINT #1, PRINT #1, NEXT Ckat END 'Fungsi yang dicari harga optimumnya 70 cou = cou + 1 sse = 0 FOR h = 1 TO mdat FOR k = 1 TO ndat yDO = (1 - xDO(k, h)) * C(h) yO2 = .5 * xDO(k, h) * C(h) pDO(k, h) = yDO * Pt pO2(k, h) = yO2 * Pt IF model = 1 THEN GOSUB 100 IF model = 2 THEN GOSUB 200 IF model = 3 THEN GOSUB 300 IF model = 4 THEN GOSUB 400 IF model = 5 THEN GOSUB 500 IF model = 6 THEN GOSUB 600 sse = sse + (rcal(k, h) - rdat(k, h)) ^ 2 NEXT k NEXT h f = sse RETURN

91

100 rcal(k, h) = x(1) * x(2) * pDO(k, h) / (1 + x(2) * pDO(k, h) + (1 / x(3)) ^ .5 * pO2(k, h) ^ .5)

RETURN 200 rcal(k, h) = x(1) * pDO(k, h) / (1 + 1 / x(2) ^ .5 * pO2(k, h) ^ .5) RETURN 300 rcal(k, h) = x(1) * x(2) * pDO(k, h) ^ 2 / (1 + x(2) * pDO(k, h) + 1 / x(3) *

pO2(k, h)) RETURN 400 rcal(k, h) = 2 * x(1) * pDO(k, h) / (1 + (x(1) / x(2)) * pDO(k, h) + (x(1) / x(3)

* x(4)) * pO2(k, h)) RETURN 500 rcal(k, h) = 2 * x(1) * pDO(k, h) / (1 + x(1) / x(2)) RETURN 600 rcal(k, h) = x(1) * pDO(k, h) ^ x(2) * pO2(k, h) ^ x(3) RETURN 'Header tampilan Header: PRINT PRINT USING "Hasil Optimasi # Variabel"; nv PRINT " Metode Hooke-Jeeves" PRINT " Perhitungan Model : 1-6" PRINT "---------------------------" PRINT RETURN 'Mencetak perhitungan optimasi cetak: IF (cou = 1) OR (cou MOD 2000 = 0) THEN FOR m = 1 TO nv PRINT USING "####.######"; xopt(m); NEXT m PRINT " "; fopt END IF RETURN

92

Lampiran 13. Contoh Perhitungan Tetapan Laju k dan Tetapan Setimbang Desorpsi K dengan Metode Hooke-Jeeves 4 Variabel dari Model Kinetika Terpilih dan Power Rate Law untuk Berbagai Suhu pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit.

CLS PRINT "Disusun oleh : Bambang Priyambudi" PRINT "NIM : 4350402011" PRINT 'Program Hooke-Jeeves N Variabel 'untuk Mencari Variabel 2 Model 'Inisialisasi nv = 4 cdo = 3 Pt = 1 g$ = STRING$(75, "-") FOR i = 1 TO nv READ axopt1(i), adelx1(i) NEXT i DATA 1,.001,30,.001,30,.001,6,.0001 READ aratio1, atol1 DATA .5,1e-2 FOR i = 1 TO nv READ axopt2(i), adelx2(i) NEXT i DATA 1e-7,.001,0.214010,.001,-0.199010,.001,2,0.01 READ aratio2, atol2 DATA .5,1e-2 'Menyimpan file INPUT "Masukkan nama file"; nm$ OPEN nm$ FOR OUTPUT AS #1 'Membaca kecepatan reaksi FOR k = 1 TO cdo READ rdat1(k) NEXT k 'Kecepatan reaksi pada suhu 473 K DATA 0.05239,0.05316,0.03461 FOR k = 1 TO cdo READ rdat2(k) NEXT k

93

'Kecepatan reaksi pada suhu 573 K DATA 0.04697,0.04513,0.03413 FOR k = 1 TO cdo READ rdat3(k) NEXT k 'Kecepatan reaksi pada suhu 673 K DATA 0.04607,0.04076,0.03311 FOR k = 1 TO cdo READ rdat4(k) NEXT k 'Kecepatan reaksi pada suhu 773 K DATA 0.04265,0.03572,0.02955 'Membaca konversi Dinitrogen Oksida FOR k = 1 TO cdo READ xDO1(k) NEXT k 'Konversi Dinitrogen Oksida pada suhu 473 K DATA 56.4833e-2,68.7736e-2,55.9729e-2 FOR k = 1 TO cdo READ xDO2(k) NEXT k 'Konversi Dinitrogen Oksida pada suhu 573 K DATA 61.3450e-2,70.7208e-2,66.8601e-2 FOR k = 1 TO cdo READ xDO3(k) NEXT k 'Konversi Dinitrogen Oksida pada suhu 673 K DATA 70.6755e-2,75.0327e-2,76.1765e-2 FOR k = 1 TO cdo READ xDO4(k) NEXT k 'Konversi Dinitrogen Oksida pada suhu 773 K DATA 75.1355e-2,75.5279e-2,78.0964e-2 'Membaca konsentrasi Dinitrogen Oksida FOR h = 1 TO cdo READ C(h) NEXT h DATA .995,.995,.995 'Membaca suhu FOR k = 1 TO 4 READ T(k) NEXT k DATA 473,573,673,773

94

PRINT #1, USING "Hasil Optimasi # Variabel"; nv PRINT #1, " Metode Hooke-Jeeves" PRINT #1, "Perhitungan Model : 4&6" PRINT #1, "--------------------------" PRINT #1, GOSUB Header FOR Model = 1 TO 2 IF Model = 1 THEN mkin = 4 ELSE mkin = 6 PRINT #1, "Model Kinetika"; mkin PRINT "Model Kinetika"; mkin PRINT #1, g$ PRINT #1, " Suhu"; FOR i = 1 TO nv PRINT #1, USING " x(#)"; i; NEXT i PRINT #1, " SSE" PRINT #1, g$ FOR Tk = 1 TO 4 IF (Tk = 1) THEN FOR k = 1 TO cdo rdat(k) = rdat1(k) xDO(k) = xDO1(k) NEXT k ELSE IF (Tk = 2) THEN FOR k = 1 TO cdo rdat(k) = rdat2(k) xDO(k) = xDO2(k) NEXT k ELSE IF (Tk = 3) THEN FOR k = 1 TO cdo rdat(k) = rdat3(k) xDO(k) = xDO3(k) NEXT k ELSE FOR k = 1 TO cdo rdat(k) = rdat4(k) xDO(k) = xDO4(k) NEXT k END IF END IF END IF

95

PRINT "Perhitungan suhu:"; T(Tk) PRINT g$ FOR i = 1 TO nv PRINT USING " x(#)"; i; NEXT i PRINT " SSE" PRINT g$ cou = 0 IF Model = 1 THEN FOR i = 1 TO nv xopt(i) = axopt1(i) delx(i) = adelx1(i) NEXT i ratio = aratio1 tol = atol1 ELSE FOR i = 1 TO nv xopt(i) = axopt2(i) delx(i) = adelx2(i) NEXT i ratio = aratio2 tol = atol2 END IF FOR i = 1 TO nv x(i) = xopt(i) NEXT i GOSUB 70 fopt = f GOSUB cetak 'Eksplorasi 10 FOR i = 1 TO nv tandax(i) = 0 NEXT i FOR i = 1 TO nv FOR j = 1 TO nv IF j = i THEN x(j) = xopt(j) + delx(j) ELSE x(j) = xopt(j) END IF NEXT j GOSUB 70 IF (f >= fopt) THEN 20 fopt = f

96

xopt(i) = x(i) tandax(i) = 1 IF i = nv THEN 40 ELSE GOTO 30 20 x(i) = xopt(i) - delx(i) GOSUB 70 IF (f >= fopt) THEN 30 fopt = f xopt(i) = x(i) tandax(i) = -1 GOSUB cetak 30 NEXT i 40 FOR i = 1 TO nv IF ABS(tandax(i)) > .2 THEN 50 NEXT i IF sse < tol THEN 60 'Mengecilkan delta dan kembali ke eksplorasi FOR i = 1 TO nv delx(i) = delx(i) * ratio NEXT i GOTO 10 'Mengulang langkah sukses 50 FOR i = 1 TO nv x(i) = xopt(i) + delx(i) * tandax(i) NEXT i GOSUB 70 IF (f >= fopt) THEN 10 FOR i = 1 TO nv xopt(i) = x(i) NEXT i fopt = f GOSUB cetak GOTO 50 'Mencetak hasil akhir 60 PRINT #1, USING " ###"; T(Tk); FOR i = 1 TO nv PRINT #1, USING "####.######"; xopt(i); x(i) = xopt(i) NEXT i GOSUB 70 PRINT #1, " "; sse cou = 1 GOSUB cetak PRINT g$ PRINT

97

SLEEP (1) NEXT Tk PRINT #1, g$ PRINT #1, NEXT Model END 'Fungsi yang dicari harga optimumnya 70 cou = cou + 1 sse = 0 FOR k = 1 TO cdo yDO = (1 - xDO(k)) * C(k) yO2 = .5 * xDO(k) * C(k) pDO(k) = yDO * Pt pO2(k) = yO2 * Pt IF Model = 1 THEN GOSUB 100 IF Model = 2 THEN GOSUB 200 sse = sse + (rcal(k) - rdat(k)) ^ 2 NEXT k f = sse RETURN 100 rcal(k) = 2 * x(1) * pDO(k) / (1 + (x(1) / x(2)) * pDO(k) + (x(1) / x(3) * x(4))

* pO2(k)) RETURN 200 rcal(k) = x(1) * pDO(k) ^ (.21401) * pO2(k) ^ (-.19901) RETURN 'Header tampilan Header: PRINT PRINT USING "Hasil Optimasi # Variabel"; nv PRINT " Metode Hooke-Jeeves" PRINT "Perhitungan Model: 4&6" PRINT "--------------------------" PRINT RETURN 'Mencetak perhitungan optimasi cetak: IF (cou = 1) OR (cou MOD 400 = 0) THEN FOR m = 1 TO nv PRINT USING "####.######"; xopt(m); NEXT m PRINT " "; fopt END IF RETURN

98

Lampiran 14. Contoh Perhitungan A, E, ΔH dan ΔS dengan Metode Regresi Linear untuk Model Kinetika Terpilih dan Power Rate Law pada Katalis 1,5 % Co3O4/Zeolit.

CLS PRINT "Disusun oleh : Bambang Priyambudi" PRINT "NIM : 4350402011" PRINT 'Program Regresi Linear 'untuk Menghitung A,E,^H,^S 'Inisialisasi n = 4 'Menyimpan file INPUT "Masukkan nama file"; nm$ OPEN nm$ FOR OUTPUT AS #1 'Membaca tetapan laju k2 FOR k = 1 TO n READ X1(k), Y1(k) NEXT k 'Tetapan laju untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 473,0.057009,573,0.062009,673,0.078009,773,0.077009 'Membaca tetapan laju k3 FOR k = 1 TO n READ X2(k), Y2(k) NEXT k 'Tetapan laju untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 473,29.059517,573,29.063515,673,29.077507,773,29.078506 'Membaca tetapan laju k1 FOR k = 1 TO n READ X3(k), Y3(k) NEXT k 'Tetapan laju untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 473,29.059517,573,29.063515,673,29.078506,773,29.076508 'Membaca tetapan setimbang desorpsi K3 FOR k = 1 TO n READ X4(k), Y4(k) NEXT k 'Tetapan setimbang desorpsi untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 473,6.094428,573,6.093727,673,6.092626,773,6.092525 'Membaca tetapan laju k (Power Law)

99

FOR k = 1 TO n READ X5(k), Y5(k) NEXT k 'Tetapan laju untuk konsentrasi katalis 1,5 % DATA 473,.045,573,.043,673,.044,773,.041 PRINT USING "Regresi Linier # Data"; n PRINT "----------------------------" PRINT FOR proses = 1 TO 5 IF (proses = 1) THEN FOR k = 1 TO n Xi(k) = X1(k) Yi(k) = Y1(k) NEXT k ELSE IF (proses = 2) THEN FOR k = 1 TO n Xi(k) = X2(k) Yi(k) = Y2(k) NEXT k ELSE IF (proses = 3) THEN FOR k = 1 TO n Xi(k) = X3(k) Yi(k) = Y3(k) NEXT k ELSE IF (proses = 4) THEN FOR k = 1 TO n Xi(k) = X4(k) Yi(k) = Y4(k) NEXT k ELSE FOR k = 1 TO n Xi(k) = X5(k) Yi(k) = Y5(k) NEXT k END IF END IF END IF END IF FOR i = 1 TO n

100

Y(i) = LOG(Yi(i)) X(i) = 1 / Xi(i) NEXT i sX = 0: sXX = 0: sY = 0: sXY = 0 FOR i = 1 TO n sX = sX + X(i): sXX = sXX + X(i) * X(i): rX = sX / n sY = sY + Y(i): rY = sY / n sXY = sXY + X(i) * Y(i) NEXT i B1 = (n * sXY - (sX * sY)) / (n * sXX - (sX) ^ 2) B0 = rY - B1 * rX A = EXP(B0) E = -B1 * (8.314) / (1000) H = -B1 * (8.314) / (1000) S = B0 * (8.314) jral = 0 FOR i = 1 TO n kcal(i) = A * EXP(B1 / Xi(i)) ral(i) = ABS(kcal(i) - Yi(i)) * 100 / Yi(i) jral = jral + ral(i) NEXT i rral = jral / n IF proses = 1 THEN PRINT "Dari tetapan laju k2 :" ELSE IF proses = 2 THEN PRINT "Dari tetapan laju k3 :" ELSE IF proses = 3 THEN PRINT "Dari tetapan laju k1 :" ELSE IF proses = 4 THEN PRINT "Dari tetapan setimbang desorpsi K3 :" ELSE PRINT "Dari tetapan laju k (Power Law):" END IF END IF END IF END IF PRINT " Y ="; B0; "+"; B1; " X" IF (proses = 4) THEN PRINT " ^S/R ="; B0 PRINT USING " ^S = ##.#### J/mol.K"; S PRINT " -^H/R="; B1 PRINT USING " ^H = ##.#### kJ/mol"; H;

101

PRINT " Rerata ralat="; rral; "%" ELSE PRINT " A ="; A PRINT " -E/R="; B1 PRINT USING " E = ###.##### kJ/mol"; E; PRINT " Rerata ralat="; rral; "%" END IF PRINT NEXT proses END

102

Lampiran 15. Alat-alat Penelitian.

NOVA 1200e (NO Void Analyse )-Quantachrome instrument

Difraksi Sinar PANalytical X’Pert Pro

103

Alat Uji Reaksi Dekomposisi Gas N2O

STUDI KINETIKA REAKSI DEKOMPOSISI GAS N2O DENGAN ...

Documents

Transcript of STUDI KINETIKA REAKSI DEKOMPOSISI GAS N2O DENGAN ...