Sunday, October 14, 2012
Kimia KATALIS
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Penelitian terhadap zeolit alam dari Wonosari dan diketahui bahwa zeolit ini merupakan mineral alam dengan komposisi utama mordenit sekitar 70 %. Zeolit alam banyak bercampur dengan materi pengotor (impurities) selain zeolit, baik kristalin maupun amorpus. Oleh karena itu, zeolit alam perlu diaktivasi dan dimodifikasi guna meningkatkan karakternya terutama aktivitas katalitiknya. Sebagai katalis, salah satu sifat penting dalam proses konversi sampah plastik menjadi fraksi bensin adalah jumlah situs asam totalnya (keasaman). Keasaman zeolit dapat ditingkatkan dengan cara pengembanan logam-logam transisi yang memiliki orbital d belum terisi penuh. Logam-logam ini secara langsung dapat berfungsi sebagai katalis tanpa diembankan terlebih dahulu pada pengemban, tetapi memiliki kelemahan, diantaranya luas permukaan yang relatif kecil, dan selama proses katalitik dapat terjadi penggumpalan. Pengembanan logam-logam tersebut pada zeolit akan mendistribusikannya secara merata pada permukaan pengemban, sehingga menambah luas permukaan spesifik sistem katalis secara keseluruhan. Jenis logam yang biasanya diembankan pada pengemban dan digunakan secara luas pada industri minyak bumi adalah Ni-Mo dan Ni-Pd pada pengemban zeolit-Y atau zeolit sintetis.
Penelitian awal dilakukan preparasi dan karakterisasi katalis Ni-Mo/zeolit alam dan Mo-Ni/zeolit alam. Modifikasi dilakukan dengan memvariasikan jumlah logam yang diembankan di mana Mo diembankan terlebih dahulu untuk katalis Ni-Mo/zeolit alam dan Ni diembankan lebih dulu untuk katalis Mo-Ni/zeolit alam. Jumlah logam total yang diembankan adalah 1% berdasarkan berat zeolit alam. Metode pengembanan dilakukan dengan mereaksikan zeolit alam dengan larutan garam prekursor Ni dan Mo. Perlakuan sampel padatan dengan larutan Etilen Diamin Tetra Asetat (EDTA) juga dilakukan untuk mengetahui penyebaran logam-logam yang diembankan pada bagian luar permukaan dan dalam rongga pengemban. Karakterisasi sampel padatan katalis meliputi penentuan jumlah logam teremban dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS). Karakter penting lainnya adalah keasaman katalis, ditentukan dengan adsorpsi uap basa amonia dan piridin pada permukaan katalis dengan metode gravimetri. Analisis kristalinitas padatan dilakukan dengan X-ray Diffraction (XRD).
1.2 Perumusan Makalah
Logam transisi (Ni-Mo dan Ni-Pd pada pengemban zeolit-Y atau zeolit sintetis) secara langsung dapat berfungsi sebagai katalis tanpa diembankan terlebih dahulu pada pengemban, tetapi memiliki kelemahan, diantaranya luas permukaan yang relatif kecil, dan selama proses katalitik dapat terjadi penggumpalan. Pengembanan logam-logam tersebut pada zeolit akan mendistribusikannya secara merata pada permukaan pengemban, sehingga menambah luas permukaan spesifik sistem katalis secara keseluruhan.
Sistem katalis yang digunakan disebut sebagai katalis bifunctional, yaitu melibatkan fungsi logam dan pengembannya sebagai katalis. Logam bimetal yang diembankan masing-masing berperan sebagai katalis (Ni) dan promotor (Mo atau Pd). Katalis seperti ini harganya sangat mahal dan Indonesia sampai saat ini masih mengimpornya dari negara lain. Untuk mengatasi penyediaan katalis yang baik bagi industri pengolahan minyak bumi dan proses-proses konversi lainnya untuk menghasilkan materi baru yang lebih bermanfaat, maka perlu dikembangkan penelitian terhadap preparasi katalis dan modifikasinya, zeolit alam dengan pengembanan logam Ni saja untuk reaksi perengkahan katalitik senyawa hidrokarbondan. Demikian pula terhadap zeolit sintetis, penelitian yang lebih intensif untuk pengembangan metode preparasi dan modifikasi katalis masih perlu dilakukan untuk menghasilkan katalis dari bahan pengemban yaitu zeolit alam yang berlimpah di Indonesia dan harganya relatif murah.
1.3 Tujuan
· Memberikan informasi dan solusi pada proses hidrorengkah (hydrocracking) sampah plastik polipropilen menjadi fraksi bensin yang lebih bermanfaat dengan menggunakan metode preparasi dan modifikasi katalis berbasis zeolit alam Wonosari, Yogyakarta, yang diharapkan dapat dihasilkan katalis yang memiliki karakter yang baik (keasaman dan kristalinitas yang tepat) dan selektif untuk digunakan sebagai katalis.
· Mengetahui pengembangan metode preparasi, modifikasi katalis dan modifikasi zeolit alam dengan pengembanan logam Ni saja untuk reaksi perengkahan katalitik senyawa hidrokarbondan dan terhadap zeolit sintetis untuk menghasilkan katalis dari bahan pengemban yang berlimpah di Indonesia yaitu zeolit alam dan harganya relatif murah.
1.4 Ruang Lingkup
1. Keasaman zeolit dapat ditingkatkan dengan cara pengembanan logam-logam transisi yang memiliki orbital d belum terisi penuh. Pengembanan logam-logam tersebut pada zeolit akan mendistribusikannya secara merata pada permukaan pengemban, sehingga menambah luas permukaan spesifik sistem katalis secara keseluruhan.
2. Jenis logam yang biasanya diembankan pada pengemban dan digunakan secara luas pada industri minyak bumi adalah Ni-Mo dan Ni-Pd pada pengemban zeolit-Y atau zeolit sintetis. Sistem katalisnya disebut sebagai katalis bifunctional.
3. Modifikasi dilakukan dengan memvariasikan jumlah logam yang diembankan di mana Mo diembankan terlebih dahulu untuk katalis Ni-Mo/zeolit alam dan Ni diembankan lebih dulu untuk katalis Mo-Ni/zeolit alam. Jumlah logam total yang diembankan adalah 1% berdasarkan berat zeolit alam.
4. Karakterisasi sampel padatan katalis meliputi penentuan jumlah logam teremban dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS). Karakter penting lainnya adalah keasaman katalis, ditentukan dengan adsorpsi uap basa amonia dan piridin pada permukaan katalis dengan metode gravimetri. Analisis kristalinitas padatan dilakukan dengan X-ray Diffraction (XRD).
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Katalis
2.2 Zeolit
a. Tentang Zeolit
Kata “zeolit” berasal dari kata Yunani zein yang berarti membuih dan lithos yang berarti batu. Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat lunak dan mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari 10–15 mikron (Sutarti, 1994)
Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan kadar mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga ini diisi oleh air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu. Oleh karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, senyawa penukar ion, sebagai filter dan katalis.
b. Struktur Zeolit
Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO4] dan [SiO4] yang saling berhubungan melalui atom O (Barrer, 1987).
Gambar 2 Kerangka utama zeolit
Dalam struktur tersebut Si4+ dapat diganti Al3+ (gambar 2), sehingga rumus umum komposisi zeolit dapat dinyatakan sebagai berikut :
Mx/n [(AlO2)x(SiO2)y] m H2O (Lesley dkk, 2001 : 238)
Dimana : n = Valensi kation M (alkali / alkali tanah)
x, y = Jumlah tetrahedron per unit sel
m = Jumlah molekul air per unit sel
M = Kation alkali / alkali tanah
Gambar 2 Unit Pembangun Zeolit
Sedangkan struktur penyusun zeolit dapat dilihat dari gambar 3 (Weller, 1994)
Gambar 3 Struktur Penyusun Zeolit
c. Sifat – sifat Zeolit
Zeolit mempunyai struktur berongga (gambar 4) yang biasanya diisi oleh air dan kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu.
Gambar 4 Struktur Pori di dalam Zeolit
(Weller, 1994)
Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya :
1. Dehidrasi
Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat jerapannya. Keunikan zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam didalam pori-porinya terdapat kation-kation atau molekul air. Bila kation-kation atau molekul air tersebut dikeluarkan dari dalam pori dengan suatu perlakuan tertentu maka zeolit akan meninggalkan pori yang kosong (Barrer, 1982).
2. Penjerapan
Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air yang berada disekitar kation. Bila zeolit dipanaskan maka air tersebut akan keluar. Zeolit yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penjerap gas atau cairan (Khairinal, 2000).
3. Penukar Ion
Ion-ion pada rongga berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya. Sifat sebagai penukar ion dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion (Bambang P, dkk, 1995).
4. Katalis
Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa mempengaruhi kesetimbangan reaksi karena mampu menaikkan perbedaan lintasan molekular dari reaksi. Katalis berpori dengan pori-pori sangat kecil akan memuat molekul-molekul kecil tetapi mencegah molekul besar masuk. Selektivitas molekuler seperti ini disebut molecular sieve yang terdapat dalam substansi zeolit alam (Bambang P, dkk, 1995).
5. Penyaring / pemisah
Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas perbedaan bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini disebabkan zeolit mempunyai ruang hampa yang cukup besar. Molekul yang berukuran lebih kecil dari ruang hampa dapat melintas sedangkan yang berukuran lebih besar dari ruang hampa akan ditahan (Bambang P, dkk, 1995).
Zeolit adalah silikat hidrat dengan struktur sel berpori dan mempunyai sisi aktif yang mengikat kation yang dapat tertukar. Struktur inilah yang membuat zeolit mampu melakukan pertukaran ion. Zeolit alam merupakan mineral yang mempunyai sifat sebagai penjerap yaitu mampu menjerap ion-ion logam penyebab kesadahan air.
Beberapa penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa zeolit alam mampu dimanfatkan sebagai adsorben limbah pencemar dari beberapa industri. Zeolit mampu menjerap berbagai macam logam, antara lain Ni, Np, Pb, U, Zn, Ba, Ca, Mg, Sr, Cd, Cu dan Hg (Kosmulski, 2001).
Zeolit dibedakan menjadi 2 jenis yaitu zeolit alam dan zeolit buatan. Zeolit alam terbentuk karena adanya perubahan alam (zeolitisasi) dari bahan vulkanik dan dapat digunakan secara langsung untuk berbagai keperluan, namun daya jerap maupun daya tukar ion zeolit ini belum maksimal. Untuk memperoleh zeolit dengan daya guna tinggi diperlukan suatu perlakuan yaitu dengan aktivasi. Sedangkan zeolit buatan merupakan hasil rekayasa manusia secara proses kimia yang bisa dimodifikasi sesuai kebutuhan.
Proses aktivasi zeolit alam dapat dilakukan dengan 2 cara, yang pertama yaitu secara fisika melalui pemanasan dengan tujuan untuk menguapkan air yang terperangkap di dalam pori-pori kristal zeolit, sehingga luas permukaannya bertambah (Khairinal, 2000). Proses pemanasan zeolit dikontrol, karena pemanasan yang berlebihan kemungkinan akan menyebabkan zeolit tersebut rusak.
Yang kedua aktivasi zeolit secara kimia dengan tujuan untuk membersihkan permukaan pori, membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dapat dipertukarkan. Proses aktivasi zeolit dengan perlakuan asam HCl pada konsentrasi 0,1 N hingga 11 N menyebabkan zeolit mengalami dealuminasi dan dekationisasi yaitu keluarnya Al dan kation-kation dalam kerangka zeolit. Aktivasi asam menyebabkan terjadinya dekationisasi yang menyebabkan bertambahnya luas permukaan zeolit karena berkurangnya pengotor yang menutupi pori-pori zeolit. Luas permukaan yang bertambah diharapkan meningkatkan kemampuan zeolit dalam proses penjerapan (Weitkamp, 1999).
2.3 Analisis Secara Spektrofotometri Serapan Atom
Spektrofotometri Serapan Atom (SSA) adalah suatu metode atau cara analisis secara kuantitatif menggunakan instrumen spektrofotometer serapan atom. Alat spektrofotometer serapan atom berprinsip pada penyerapan cahaya oleh atom. Atom-atom menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu tergantung pada sifat-sifat unsurnya. Penyerapan tersebut menyebabkan tereksitasinya atom ke tingkat energi yang lebih tinggi. Prinsip kerja metode ini mirip dengan metode fotometri nyala tetapi sumber energinya berupa lampu katode berlubang (hollow cathode lamp) sedang nyala pembakar berguna untuk mengaktifkan atom-atom logam sebelum menyerap energi. Karena itu, dengan metode ini hampir semua atom logam yang terdaftar dalam sistem periodik dapat ditentukan konsentrasinya.
Gambar 5 Diagram SSA
Kelebihan analisis unsur dengan SSA antara lain analisis dapat dilakukan dengan cepat, ketelitian tinggi sampai tingkat runut (kemungkinan untuk menentukan konsentrasi semua unsur pada konsentrasi runut), dan tidak memerlukan pemisahan (penentuan suatu unsur dapat dilakukan dengan kehadiran unsur lain, asalkan katoda berongga yang diperlukan tersedia) (Khopkar, 1984).
2.4 Metode Difraksi Sinar – X (X – Ray Difraction)
Difraksi sinar–X merupakan suatu metode analisis yang didasarkan pada interaksi antara materi dengan radiasi elektromagnetik sinar–X (mempunyai λ= 0,5-2,5 Ǻ dan energi ±107 eV), yakni pengukuran radiasi sinar-X yang terdifraksi oleh bidang kristal (Endang Tri Wahyuni, 2003). Penghamburan sinar–X oleh unit-unit padatan kristalin, akan menghasilkan pola-pola difraksi yang digunakan untuk menentukan susunan partikel pada kisi padatan (Chang, 1998).
Kegunaan metode ini adalah :
1. Penentuan struktur kristal yakni bentuk dan ukuran sel satuan kristal, pengindeksan bidang kristal, dan jumlah atom per sel satuan.
2. Analisis kimia yakni identifikasi kristal, penentuan kemurnian hasil sintesis dan deteksi senyawa baru. Dasar dari analisis kimia adalah bahwa setiap jarak antar bidang kristal (d) karakteristik untuk senyawa tertentu.
Pola difraksi pada setiap materi akan berbeda satu sama lain sehingga dapat digunakan untuk identifikasi dan memberikan informasi mengenai kesimetrian serta ukuran unit-unit molekuler (Triwahyuni, 2003).
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian ini telah dilakukan preparasi dan karakterisasi katalis logam bimetal yang diembankan dalam rongga zeolit alam. Zeolit alam diambil dari daerah Wonosari, DIY. Logam yang diembankan adalah Mo dan Ni.
· Preparasi dilakukan dengan metode impregnasi garam Mo atau Ni ke dalam rongga zeolit sehingga diperoleh katalis Mo/Z atau Ni/Z.
· Selanjutnya ke dalam katalis Mo/Z diimpregnasi lagi dengan logam Ni diperoleh katalis Ni-Mo/Z dan ke dalam sampel Ni/Z diimpregnasi kembali logam Mo untuk memperoleh katalis bimetal Mo-Ni/Z.
· Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui kualitas bahan-bahan tersebut sebagai katalis yang meliputi penentuan distribusi logam dalam zeolit, keasaman dan kristalinitas.
Hubungan antara variasi rasio berat ke dua logam dalam katalis dengan karakter katalis tersebut dibahas di bawah ini:
1) Katalis Ni-Mo/Z
Logam Mo dalam Mo/Z mempunyai fungsi yang sama dengan logam Pd yaitu sebagai kopromotor dalam proses katalisis. Pengembanan logam Mo ke dalam zeolit bertujuan untuk meningkatkan keasaman zeolit. Pengembanan logam Mo dapat memberikan peningkatan kualitas katalis, maka logam Mo dapat dimanfaatkan sebagai pengganti logam Pd yang mahal. Untuk itu telah dilakukan impregnasi logam Mo ke dalam zeolit, kemudian ke dalam Mo/Z diimpregnasikan logam Ni. Kualitas katalis ditentukan oleh kualitas dispersi logam dalam zeolit, sedangkan kualitas dipersi dapat dipengaruhi oleh jumlah logam tersebut.
§ Dilakukan penentuan distribusi logam Ni dengan jumlah Ni bervariasi sedangkan jumlah Mo tetap dan sebaliknya di dalam Ni-Mo/Z. Kajian pengaruh jumlah logam Ni dalam katalis Ni-Mo/Z dan jumlah logam Mo dalam Ni-Mo/Z terhadap karakter katalis juga dilakukan.
§ Tabel 1 dan 2 serta Gambar 1 dan 2 juga memperlihatkan bahwa Ni dan Mo dalam katalis Ni-Mo/Z selain berada di dalam rongga zeolit juga ada yang menempati permukaan luar.
§ Jumlah logam Ni yang terletak di dalam rongga lebih besar daripada yang berada di permukaan luar. Sebaliknya, jumlah logam Mo yang mengisi rongga zeolit lebih sedikit daripada yang ada di permukaan luar. Ini karena ukuran logam Mo relatif lebih besar daripada ukuran logam Ni lebih sulit memasuki rongga zeolit. Kenaikkan jumlah Ni maupun jumlah Mo tampak memberikan prosentase jumlah yang di dalam rongga semakin kecil. Semakin banyak logam yang diimpregnasikan maka semakin banyak pula yang tidak tertampung ke dalam zeolit karena melebihi kapasitas zeolit yang terbatas. Hal ini akan memberikan dispersi yang kurang baik, yang akan berpengaruh pada keasamannya.
2) Pengaruh jumlah logam Ni dan Mo dalam Ni-Mo/Zeolit terhadap keasaman katalis
Pengaruh jumlah logam Ni dalam Ni-Mo/Z maupun pengaruh jumah logam Mo dalam Ni-Mo/Z terhadap keasaman katalis total permukaan dan dalam rongga zeolite yang disajikan dalam jumlah logam Ni dan Mo dalam Ni-mo/Zeolit dalam Gambar 3 dan 4.
Tabel 4, Gambar 3 dan 4 menunjukkan bahwa pengembanan Mo ke dalam zeolit dapat meningkatkan keasaman baik total, permukaan maupun keasaman di dalam rongga. Hal ini mengindikasikan bahwa logam Mo dapat terdispersi cukup baik di dalam zeolit.
Penambahan logam Ni dalam Mo/Z memberikan keasaman yang lebih tinggi. Semakin banyak jumlah logam Ni dalam katalis Ni-Mo/zeolit, ternyata menyebabkan penurunan keasaman , meskipun masih lebih tinggi daripada sebelum penambahan Ni. Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya bahwa, kenaikkan jumlah logam Ni meningkatkan jumlah yang ada di permukaan atau yang menutupi rongga zeolit. Akibatnya situs asam yang tertutupi juga semakin banyak.
Sebaliknya, kenaikan jumlah logam Mo ternyata meningkatkan keasaman meskipun jumlah yang ada di permukaan luar atau menutup rongga semakin banyak. Hal ini karena jumlah Mo yang diimpregnasikan relative rendah, sehingga meskipun jumlah yang ada dipermukaan luar juga besar namun dispersinya cukup baik.
Efek perlakuan EDTA pada Ni-Mo/Z terhadap keasaam katalis
Perlakuan EDTA/pencucian terhadap katalis Ni-Mo/zeolite juga dilakukan dan efeknya terhadap keasaman katalis tersebut juga diamati, seperti yang disajikan dalam Tabel 5
Fenomena efek pencucian pada katalis Ni-Mo/Z dalam table 5 dan Gambar 5-6 menunjukkan bahwa pencucian dengan EDTA dapat melarutkan logam Ni maupun Mo yang ada di permukaan luar, yang menutupi situs asam pada zeolit.
DAFTAR PUSTAKA
Augustine, J.R. (1990). Heterogeneous Catalysis For The Synthetic Chemist, 1st ed. Marcel Decker, Inc. New York.
Barrer, R M. 1982. Hydrotermal Chemistry of Zeolite. Academic Press, London
Chang, Raymond. 1998. Chemistry Sixth Edition. Boston; Mc Graw- Hill
Khairinal, Trisunaryanti, W. 2000. Dealuminasi Zeolit Alam Wonosari dengan Perlakuan asam dan Proses Hidrotermal. Prosiding Seminar Nasional Kimia VIII. Yogyakarta
Khopkar, S. M. 1984. Konsep Dasar Kimia Analitik (Terjemahan). Bombay : Analytical Laboratory Departement of Chemistry Indian Institute of Technology Bombay
Kosmulski, M. 2001. Chemical properties of material surfaces, Surfactant Science Series, 102. Marcel Dekker New York
Miyatani, Y. Yasuda, S. Su, Y. Kaneda, K. Murata, S. dan Nomura, M. (1999). Hydrocracking of Heavy Petroleum Oils over Transition Metal-Ioaded Y-Type Zeolites, Journal of The Japan Petroleum Institute, Vo. 42, No.4, 246-251.
Poerwadi, Bambang dkk. 1998. Pemanfaatan Zeolit Alam Indonesia Sebagai Adsorben Limbah Cair dan Media Fluiditas dalam Kolom Fluidisasi. Jurnal MIPA. Malang; Universitas Brawijaya
Trisunaryanti, W. Bambang, S dan Nazarudin (2000) Determintion of an Indonesian natural Zeolite by Acids and Hydrothermal, Prosiding Seminar National FMIPA-UGM, Yogyakarta.
Trisunaryanti, W. Shiba, R, Miura, M. Nomura, M. Nishiyama, N. dan Matsukata, M. (1996). Characteriation and Modificaion of Indonesian Natural Zeolite and Their properties of Indonesian of The Japan Petroleum Institute.Vol. 39, No.1, 20-25
Triwahyuni, Endang. 2003. Hand Out Metode Difraksi Sinar–X. Yogyakarta: Laboratorium Kimia Analitik. FMIPA; Universitas Gajah Mada.
Triwahyuni, E. (2000) Synthetesis of Iron Oxide Nanopaticles in Zeolite Structure, 2nd Pasific Basin Conference on Adsorption Scien and Technology Brisbane Australia.
Triwahyuni, E. (2003). Types and Distriution of The Iron Species Formed in The Zeolite Structure, 7th . Eurasia Chemical Conference, Karachi, Pakistan.
Sawa, M. Niwa, M dan Murakami, W. (1990). Relationship Between Acid Amount and Framwork Aluminium Content in Mordenite, ZEOLITES, Vol. 10, 532-538.
Smart, Lesley and Moore, Elaine. 2001. Solid State Chemistry. Cheltenham; Nelson Thornes Ltd
Sutarti, Mursi . 1994. Zeolit : Tinjauan Literatur. Jakarta
Weitkamp, L. and Puppe, L. 1999. Catalysis and Zeolite. Springer, New York
Weller, M.T. 1994. Inorganic Materials Chemistry. Oxford University Press
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Penelitian terhadap zeolit alam dari Wonosari dan diketahui bahwa zeolit ini merupakan mineral alam dengan komposisi utama mordenit sekitar 70 %. Zeolit alam banyak bercampur dengan materi pengotor (impurities) selain zeolit, baik kristalin maupun amorpus. Oleh karena itu, zeolit alam perlu diaktivasi dan dimodifikasi guna meningkatkan karakternya terutama aktivitas katalitiknya. Sebagai katalis, salah satu sifat penting dalam proses konversi sampah plastik menjadi fraksi bensin adalah jumlah situs asam totalnya (keasaman). Keasaman zeolit dapat ditingkatkan dengan cara pengembanan logam-logam transisi yang memiliki orbital d belum terisi penuh. Logam-logam ini secara langsung dapat berfungsi sebagai katalis tanpa diembankan terlebih dahulu pada pengemban, tetapi memiliki kelemahan, diantaranya luas permukaan yang relatif kecil, dan selama proses katalitik dapat terjadi penggumpalan. Pengembanan logam-logam tersebut pada zeolit akan mendistribusikannya secara merata pada permukaan pengemban, sehingga menambah luas permukaan spesifik sistem katalis secara keseluruhan. Jenis logam yang biasanya diembankan pada pengemban dan digunakan secara luas pada industri minyak bumi adalah Ni-Mo dan Ni-Pd pada pengemban zeolit-Y atau zeolit sintetis.
Penelitian awal dilakukan preparasi dan karakterisasi katalis Ni-Mo/zeolit alam dan Mo-Ni/zeolit alam. Modifikasi dilakukan dengan memvariasikan jumlah logam yang diembankan di mana Mo diembankan terlebih dahulu untuk katalis Ni-Mo/zeolit alam dan Ni diembankan lebih dulu untuk katalis Mo-Ni/zeolit alam. Jumlah logam total yang diembankan adalah 1% berdasarkan berat zeolit alam. Metode pengembanan dilakukan dengan mereaksikan zeolit alam dengan larutan garam prekursor Ni dan Mo. Perlakuan sampel padatan dengan larutan Etilen Diamin Tetra Asetat (EDTA) juga dilakukan untuk mengetahui penyebaran logam-logam yang diembankan pada bagian luar permukaan dan dalam rongga pengemban. Karakterisasi sampel padatan katalis meliputi penentuan jumlah logam teremban dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS). Karakter penting lainnya adalah keasaman katalis, ditentukan dengan adsorpsi uap basa amonia dan piridin pada permukaan katalis dengan metode gravimetri. Analisis kristalinitas padatan dilakukan dengan X-ray Diffraction (XRD).
1.2 Perumusan Makalah
Logam transisi (Ni-Mo dan Ni-Pd pada pengemban zeolit-Y atau zeolit sintetis) secara langsung dapat berfungsi sebagai katalis tanpa diembankan terlebih dahulu pada pengemban, tetapi memiliki kelemahan, diantaranya luas permukaan yang relatif kecil, dan selama proses katalitik dapat terjadi penggumpalan. Pengembanan logam-logam tersebut pada zeolit akan mendistribusikannya secara merata pada permukaan pengemban, sehingga menambah luas permukaan spesifik sistem katalis secara keseluruhan.
Sistem katalis yang digunakan disebut sebagai katalis bifunctional, yaitu melibatkan fungsi logam dan pengembannya sebagai katalis. Logam bimetal yang diembankan masing-masing berperan sebagai katalis (Ni) dan promotor (Mo atau Pd). Katalis seperti ini harganya sangat mahal dan Indonesia sampai saat ini masih mengimpornya dari negara lain. Untuk mengatasi penyediaan katalis yang baik bagi industri pengolahan minyak bumi dan proses-proses konversi lainnya untuk menghasilkan materi baru yang lebih bermanfaat, maka perlu dikembangkan penelitian terhadap preparasi katalis dan modifikasinya, zeolit alam dengan pengembanan logam Ni saja untuk reaksi perengkahan katalitik senyawa hidrokarbondan. Demikian pula terhadap zeolit sintetis, penelitian yang lebih intensif untuk pengembangan metode preparasi dan modifikasi katalis masih perlu dilakukan untuk menghasilkan katalis dari bahan pengemban yaitu zeolit alam yang berlimpah di Indonesia dan harganya relatif murah.
1.3 Tujuan
· Memberikan informasi dan solusi pada proses hidrorengkah (hydrocracking) sampah plastik polipropilen menjadi fraksi bensin yang lebih bermanfaat dengan menggunakan metode preparasi dan modifikasi katalis berbasis zeolit alam Wonosari, Yogyakarta, yang diharapkan dapat dihasilkan katalis yang memiliki karakter yang baik (keasaman dan kristalinitas yang tepat) dan selektif untuk digunakan sebagai katalis.
· Mengetahui pengembangan metode preparasi, modifikasi katalis dan modifikasi zeolit alam dengan pengembanan logam Ni saja untuk reaksi perengkahan katalitik senyawa hidrokarbondan dan terhadap zeolit sintetis untuk menghasilkan katalis dari bahan pengemban yang berlimpah di Indonesia yaitu zeolit alam dan harganya relatif murah.
1.4 Ruang Lingkup
1. Keasaman zeolit dapat ditingkatkan dengan cara pengembanan logam-logam transisi yang memiliki orbital d belum terisi penuh. Pengembanan logam-logam tersebut pada zeolit akan mendistribusikannya secara merata pada permukaan pengemban, sehingga menambah luas permukaan spesifik sistem katalis secara keseluruhan.
2. Jenis logam yang biasanya diembankan pada pengemban dan digunakan secara luas pada industri minyak bumi adalah Ni-Mo dan Ni-Pd pada pengemban zeolit-Y atau zeolit sintetis. Sistem katalisnya disebut sebagai katalis bifunctional.
3. Modifikasi dilakukan dengan memvariasikan jumlah logam yang diembankan di mana Mo diembankan terlebih dahulu untuk katalis Ni-Mo/zeolit alam dan Ni diembankan lebih dulu untuk katalis Mo-Ni/zeolit alam. Jumlah logam total yang diembankan adalah 1% berdasarkan berat zeolit alam.
4. Karakterisasi sampel padatan katalis meliputi penentuan jumlah logam teremban dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS). Karakter penting lainnya adalah keasaman katalis, ditentukan dengan adsorpsi uap basa amonia dan piridin pada permukaan katalis dengan metode gravimetri. Analisis kristalinitas padatan dilakukan dengan X-ray Diffraction (XRD).
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Katalis
2.2 Zeolit
a. Tentang Zeolit
Kata “zeolit” berasal dari kata Yunani zein yang berarti membuih dan lithos yang berarti batu. Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat lunak dan mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari 10–15 mikron (Sutarti, 1994)
Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan kadar mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga ini diisi oleh air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu. Oleh karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, senyawa penukar ion, sebagai filter dan katalis.
b. Struktur Zeolit
Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO4] dan [SiO4] yang saling berhubungan melalui atom O (Barrer, 1987).
Gambar 2 Kerangka utama zeolit
Dalam struktur tersebut Si4+ dapat diganti Al3+ (gambar 2), sehingga rumus umum komposisi zeolit dapat dinyatakan sebagai berikut :
Mx/n [(AlO2)x(SiO2)y] m H2O (Lesley dkk, 2001 : 238)
Dimana : n = Valensi kation M (alkali / alkali tanah)
x, y = Jumlah tetrahedron per unit sel
m = Jumlah molekul air per unit sel
M = Kation alkali / alkali tanah
Gambar 2 Unit Pembangun Zeolit
Sedangkan struktur penyusun zeolit dapat dilihat dari gambar 3 (Weller, 1994)
Gambar 3 Struktur Penyusun Zeolit
c. Sifat – sifat Zeolit
Zeolit mempunyai struktur berongga (gambar 4) yang biasanya diisi oleh air dan kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu.
Gambar 4 Struktur Pori di dalam Zeolit
(Weller, 1994)
Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya :
1. Dehidrasi
Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat jerapannya. Keunikan zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam didalam pori-porinya terdapat kation-kation atau molekul air. Bila kation-kation atau molekul air tersebut dikeluarkan dari dalam pori dengan suatu perlakuan tertentu maka zeolit akan meninggalkan pori yang kosong (Barrer, 1982).
2. Penjerapan
Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air yang berada disekitar kation. Bila zeolit dipanaskan maka air tersebut akan keluar. Zeolit yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penjerap gas atau cairan (Khairinal, 2000).
3. Penukar Ion
Ion-ion pada rongga berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya. Sifat sebagai penukar ion dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion (Bambang P, dkk, 1995).
4. Katalis
Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa mempengaruhi kesetimbangan reaksi karena mampu menaikkan perbedaan lintasan molekular dari reaksi. Katalis berpori dengan pori-pori sangat kecil akan memuat molekul-molekul kecil tetapi mencegah molekul besar masuk. Selektivitas molekuler seperti ini disebut molecular sieve yang terdapat dalam substansi zeolit alam (Bambang P, dkk, 1995).
5. Penyaring / pemisah
Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas perbedaan bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini disebabkan zeolit mempunyai ruang hampa yang cukup besar. Molekul yang berukuran lebih kecil dari ruang hampa dapat melintas sedangkan yang berukuran lebih besar dari ruang hampa akan ditahan (Bambang P, dkk, 1995).
Zeolit adalah silikat hidrat dengan struktur sel berpori dan mempunyai sisi aktif yang mengikat kation yang dapat tertukar. Struktur inilah yang membuat zeolit mampu melakukan pertukaran ion. Zeolit alam merupakan mineral yang mempunyai sifat sebagai penjerap yaitu mampu menjerap ion-ion logam penyebab kesadahan air.
Beberapa penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa zeolit alam mampu dimanfatkan sebagai adsorben limbah pencemar dari beberapa industri. Zeolit mampu menjerap berbagai macam logam, antara lain Ni, Np, Pb, U, Zn, Ba, Ca, Mg, Sr, Cd, Cu dan Hg (Kosmulski, 2001).
Zeolit dibedakan menjadi 2 jenis yaitu zeolit alam dan zeolit buatan. Zeolit alam terbentuk karena adanya perubahan alam (zeolitisasi) dari bahan vulkanik dan dapat digunakan secara langsung untuk berbagai keperluan, namun daya jerap maupun daya tukar ion zeolit ini belum maksimal. Untuk memperoleh zeolit dengan daya guna tinggi diperlukan suatu perlakuan yaitu dengan aktivasi. Sedangkan zeolit buatan merupakan hasil rekayasa manusia secara proses kimia yang bisa dimodifikasi sesuai kebutuhan.
Proses aktivasi zeolit alam dapat dilakukan dengan 2 cara, yang pertama yaitu secara fisika melalui pemanasan dengan tujuan untuk menguapkan air yang terperangkap di dalam pori-pori kristal zeolit, sehingga luas permukaannya bertambah (Khairinal, 2000). Proses pemanasan zeolit dikontrol, karena pemanasan yang berlebihan kemungkinan akan menyebabkan zeolit tersebut rusak.
Yang kedua aktivasi zeolit secara kimia dengan tujuan untuk membersihkan permukaan pori, membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dapat dipertukarkan. Proses aktivasi zeolit dengan perlakuan asam HCl pada konsentrasi 0,1 N hingga 11 N menyebabkan zeolit mengalami dealuminasi dan dekationisasi yaitu keluarnya Al dan kation-kation dalam kerangka zeolit. Aktivasi asam menyebabkan terjadinya dekationisasi yang menyebabkan bertambahnya luas permukaan zeolit karena berkurangnya pengotor yang menutupi pori-pori zeolit. Luas permukaan yang bertambah diharapkan meningkatkan kemampuan zeolit dalam proses penjerapan (Weitkamp, 1999).
2.3 Analisis Secara Spektrofotometri Serapan Atom
Spektrofotometri Serapan Atom (SSA) adalah suatu metode atau cara analisis secara kuantitatif menggunakan instrumen spektrofotometer serapan atom. Alat spektrofotometer serapan atom berprinsip pada penyerapan cahaya oleh atom. Atom-atom menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu tergantung pada sifat-sifat unsurnya. Penyerapan tersebut menyebabkan tereksitasinya atom ke tingkat energi yang lebih tinggi. Prinsip kerja metode ini mirip dengan metode fotometri nyala tetapi sumber energinya berupa lampu katode berlubang (hollow cathode lamp) sedang nyala pembakar berguna untuk mengaktifkan atom-atom logam sebelum menyerap energi. Karena itu, dengan metode ini hampir semua atom logam yang terdaftar dalam sistem periodik dapat ditentukan konsentrasinya.
Gambar 5 Diagram SSA
Kelebihan analisis unsur dengan SSA antara lain analisis dapat dilakukan dengan cepat, ketelitian tinggi sampai tingkat runut (kemungkinan untuk menentukan konsentrasi semua unsur pada konsentrasi runut), dan tidak memerlukan pemisahan (penentuan suatu unsur dapat dilakukan dengan kehadiran unsur lain, asalkan katoda berongga yang diperlukan tersedia) (Khopkar, 1984).
2.4 Metode Difraksi Sinar – X (X – Ray Difraction)
Difraksi sinar–X merupakan suatu metode analisis yang didasarkan pada interaksi antara materi dengan radiasi elektromagnetik sinar–X (mempunyai λ= 0,5-2,5 Ǻ dan energi ±107 eV), yakni pengukuran radiasi sinar-X yang terdifraksi oleh bidang kristal (Endang Tri Wahyuni, 2003). Penghamburan sinar–X oleh unit-unit padatan kristalin, akan menghasilkan pola-pola difraksi yang digunakan untuk menentukan susunan partikel pada kisi padatan (Chang, 1998).
Kegunaan metode ini adalah :
1. Penentuan struktur kristal yakni bentuk dan ukuran sel satuan kristal, pengindeksan bidang kristal, dan jumlah atom per sel satuan.
2. Analisis kimia yakni identifikasi kristal, penentuan kemurnian hasil sintesis dan deteksi senyawa baru. Dasar dari analisis kimia adalah bahwa setiap jarak antar bidang kristal (d) karakteristik untuk senyawa tertentu.
Pola difraksi pada setiap materi akan berbeda satu sama lain sehingga dapat digunakan untuk identifikasi dan memberikan informasi mengenai kesimetrian serta ukuran unit-unit molekuler (Triwahyuni, 2003).
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian ini telah dilakukan preparasi dan karakterisasi katalis logam bimetal yang diembankan dalam rongga zeolit alam. Zeolit alam diambil dari daerah Wonosari, DIY. Logam yang diembankan adalah Mo dan Ni.
· Preparasi dilakukan dengan metode impregnasi garam Mo atau Ni ke dalam rongga zeolit sehingga diperoleh katalis Mo/Z atau Ni/Z.
· Selanjutnya ke dalam katalis Mo/Z diimpregnasi lagi dengan logam Ni diperoleh katalis Ni-Mo/Z dan ke dalam sampel Ni/Z diimpregnasi kembali logam Mo untuk memperoleh katalis bimetal Mo-Ni/Z.
· Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui kualitas bahan-bahan tersebut sebagai katalis yang meliputi penentuan distribusi logam dalam zeolit, keasaman dan kristalinitas.
Hubungan antara variasi rasio berat ke dua logam dalam katalis dengan karakter katalis tersebut dibahas di bawah ini:
1) Katalis Ni-Mo/Z
Logam Mo dalam Mo/Z mempunyai fungsi yang sama dengan logam Pd yaitu sebagai kopromotor dalam proses katalisis. Pengembanan logam Mo ke dalam zeolit bertujuan untuk meningkatkan keasaman zeolit. Pengembanan logam Mo dapat memberikan peningkatan kualitas katalis, maka logam Mo dapat dimanfaatkan sebagai pengganti logam Pd yang mahal. Untuk itu telah dilakukan impregnasi logam Mo ke dalam zeolit, kemudian ke dalam Mo/Z diimpregnasikan logam Ni. Kualitas katalis ditentukan oleh kualitas dispersi logam dalam zeolit, sedangkan kualitas dipersi dapat dipengaruhi oleh jumlah logam tersebut.
§ Dilakukan penentuan distribusi logam Ni dengan jumlah Ni bervariasi sedangkan jumlah Mo tetap dan sebaliknya di dalam Ni-Mo/Z. Kajian pengaruh jumlah logam Ni dalam katalis Ni-Mo/Z dan jumlah logam Mo dalam Ni-Mo/Z terhadap karakter katalis juga dilakukan.
§ Tabel 1 dan 2 serta Gambar 1 dan 2 juga memperlihatkan bahwa Ni dan Mo dalam katalis Ni-Mo/Z selain berada di dalam rongga zeolit juga ada yang menempati permukaan luar.
§ Jumlah logam Ni yang terletak di dalam rongga lebih besar daripada yang berada di permukaan luar. Sebaliknya, jumlah logam Mo yang mengisi rongga zeolit lebih sedikit daripada yang ada di permukaan luar. Ini karena ukuran logam Mo relatif lebih besar daripada ukuran logam Ni lebih sulit memasuki rongga zeolit. Kenaikkan jumlah Ni maupun jumlah Mo tampak memberikan prosentase jumlah yang di dalam rongga semakin kecil. Semakin banyak logam yang diimpregnasikan maka semakin banyak pula yang tidak tertampung ke dalam zeolit karena melebihi kapasitas zeolit yang terbatas. Hal ini akan memberikan dispersi yang kurang baik, yang akan berpengaruh pada keasamannya.
2) Pengaruh jumlah logam Ni dan Mo dalam Ni-Mo/Zeolit terhadap keasaman katalis
Pengaruh jumlah logam Ni dalam Ni-Mo/Z maupun pengaruh jumah logam Mo dalam Ni-Mo/Z terhadap keasaman katalis total permukaan dan dalam rongga zeolite yang disajikan dalam jumlah logam Ni dan Mo dalam Ni-mo/Zeolit dalam Gambar 3 dan 4.
Tabel 4, Gambar 3 dan 4 menunjukkan bahwa pengembanan Mo ke dalam zeolit dapat meningkatkan keasaman baik total, permukaan maupun keasaman di dalam rongga. Hal ini mengindikasikan bahwa logam Mo dapat terdispersi cukup baik di dalam zeolit.
Penambahan logam Ni dalam Mo/Z memberikan keasaman yang lebih tinggi. Semakin banyak jumlah logam Ni dalam katalis Ni-Mo/zeolit, ternyata menyebabkan penurunan keasaman , meskipun masih lebih tinggi daripada sebelum penambahan Ni. Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya bahwa, kenaikkan jumlah logam Ni meningkatkan jumlah yang ada di permukaan atau yang menutupi rongga zeolit. Akibatnya situs asam yang tertutupi juga semakin banyak.
Sebaliknya, kenaikan jumlah logam Mo ternyata meningkatkan keasaman meskipun jumlah yang ada di permukaan luar atau menutup rongga semakin banyak. Hal ini karena jumlah Mo yang diimpregnasikan relative rendah, sehingga meskipun jumlah yang ada dipermukaan luar juga besar namun dispersinya cukup baik.
Efek perlakuan EDTA pada Ni-Mo/Z terhadap keasaam katalis
Perlakuan EDTA/pencucian terhadap katalis Ni-Mo/zeolite juga dilakukan dan efeknya terhadap keasaman katalis tersebut juga diamati, seperti yang disajikan dalam Tabel 5
Fenomena efek pencucian pada katalis Ni-Mo/Z dalam table 5 dan Gambar 5-6 menunjukkan bahwa pencucian dengan EDTA dapat melarutkan logam Ni maupun Mo yang ada di permukaan luar, yang menutupi situs asam pada zeolit.
DAFTAR PUSTAKA
Augustine, J.R. (1990). Heterogeneous Catalysis For The Synthetic Chemist, 1st ed. Marcel Decker, Inc. New York.
Barrer, R M. 1982. Hydrotermal Chemistry of Zeolite. Academic Press, London
Chang, Raymond. 1998. Chemistry Sixth Edition. Boston; Mc Graw- Hill
Khairinal, Trisunaryanti, W. 2000. Dealuminasi Zeolit Alam Wonosari dengan Perlakuan asam dan Proses Hidrotermal. Prosiding Seminar Nasional Kimia VIII. Yogyakarta
Khopkar, S. M. 1984. Konsep Dasar Kimia Analitik (Terjemahan). Bombay : Analytical Laboratory Departement of Chemistry Indian Institute of Technology Bombay
Kosmulski, M. 2001. Chemical properties of material surfaces, Surfactant Science Series, 102. Marcel Dekker New York
Miyatani, Y. Yasuda, S. Su, Y. Kaneda, K. Murata, S. dan Nomura, M. (1999). Hydrocracking of Heavy Petroleum Oils over Transition Metal-Ioaded Y-Type Zeolites, Journal of The Japan Petroleum Institute, Vo. 42, No.4, 246-251.
Poerwadi, Bambang dkk. 1998. Pemanfaatan Zeolit Alam Indonesia Sebagai Adsorben Limbah Cair dan Media Fluiditas dalam Kolom Fluidisasi. Jurnal MIPA. Malang; Universitas Brawijaya
Trisunaryanti, W. Bambang, S dan Nazarudin (2000) Determintion of an Indonesian natural Zeolite by Acids and Hydrothermal, Prosiding Seminar National FMIPA-UGM, Yogyakarta.
Trisunaryanti, W. Shiba, R, Miura, M. Nomura, M. Nishiyama, N. dan Matsukata, M. (1996). Characteriation and Modificaion of Indonesian Natural Zeolite and Their properties of Indonesian of The Japan Petroleum Institute.Vol. 39, No.1, 20-25
Triwahyuni, Endang. 2003. Hand Out Metode Difraksi Sinar–X. Yogyakarta: Laboratorium Kimia Analitik. FMIPA; Universitas Gajah Mada.
Triwahyuni, E. (2000) Synthetesis of Iron Oxide Nanopaticles in Zeolite Structure, 2nd Pasific Basin Conference on Adsorption Scien and Technology Brisbane Australia.
Triwahyuni, E. (2003). Types and Distriution of The Iron Species Formed in The Zeolite Structure, 7th . Eurasia Chemical Conference, Karachi, Pakistan.
Sawa, M. Niwa, M dan Murakami, W. (1990). Relationship Between Acid Amount and Framwork Aluminium Content in Mordenite, ZEOLITES, Vol. 10, 532-538.
Smart, Lesley and Moore, Elaine. 2001. Solid State Chemistry. Cheltenham; Nelson Thornes Ltd
Sutarti, Mursi . 1994. Zeolit : Tinjauan Literatur. Jakarta
Weitkamp, L. and Puppe, L. 1999. Catalysis and Zeolite. Springer, New York
Weller, M.T. 1994. Inorganic Materials Chemistry. Oxford University Press
Subscribe to:
Posts (Atom)