III. METODOLOGI PENELITIAN
3.4. Tahapan Penelitian
Tahapan penelitian dilakukan sebagai berikut : penyiapan bahan baku metil ester olein minyak sawit, penentuan lama proses sulfonasi metil ester olein
menggunakan reaktor STFR sistem kontinyu dan reaktan gas SO3 dengan
melakukan sampling setiap 60 menit, pengaruh penambahan metanol pada proses pemurnian surfaktan MES, perbaikan kondisi proses produksi surfaktan MES, formulasi surfaktan MES untuk aplikasi pada EOR, meliputi penentuan konsentrasi MES, penentuan salinitas optimal, pemilihan jenis dan konsentrasi aditif, pemilihan surfaktan komersial. Formula surfaktan berbasis MES yang dihasilkan selanjutnya diuji kinerjanya untuk aplikasi EOR meliputi compatibility test, kelakuan fasa, thermal stability, filtrasi, adsorpsi, uji core skala laboratorium. Tahapan pelaksanaan kegiatan penelitian ini disajikan pada Gambar 8.
1. Analisis Sifat Fisiko-Kimia Bahan Baku Olein
Pada tahapan ini dilakukan persiapan bahan baku olein minyak sawit. Olein dianalisis sifat fisiko kimianya, meliputi : bilangan iod, bilangan asam, bilangan penyabunan, kadar asam lemak bebas, kadar air, komposisi asam lemak, viskositas, densitas, fraksi tak tersabunkan. Prosedur analisis sifat fisiko-kimia olein sawit dapat dilihat pada Lampiran 1.
37
Gambar 8. Tahapan kegiatan penelitian yang dilaksanakan
2. Proses Transesterifikasi Olein Minyak Sawit
Pada proses transesterifikasi, metanol ditambahkan sebanyak 15% (v/v) dari total bahan baku olein sawit yang hendak diproses dan dicampurkan dengan KOH 1% hingga membentuk larutan metoksida. Kemudian minyak sawit dan larutan metoksida dicampurkan pada reaktor transesterifikasi. Proses transesterifikasi berlangsung selama 1 jam, pada suhu 60 oC dengan
pengadukan. Selanjutnya dilakukan proses settling untuk memisahkan antara crude metil ester dan gliserol yang dihasilkan dan kemudian dilakukan proses pencucian menggunakan air hangat 30% (v/v) dari total crude metil ester yang hendak dimurnikan, sebanyak tiga kali. Terakhir dilakukan pengeringan untuk mereduksi kandungan air dan metanol yang masih terkandung pada metil ester hasil pencucian sehingga dihasilkan metil ester murni. Diagram alir proses transesterifikasi minyak sawit menjadi metil ester disajikan pada Gambar 9. Metil ester yang dihasilkan selanjutnya dianalisis sifat fisiko kimianya, meliputi : bilangan asam, bilangan iod, bilangan penyabunan, densitas, kadar ester, fraksi tak tersabunkan, kadar gliserol total, kadar asam lemak bebas, dan kadar air. Prosedur analisis sifat fisiko-kimia biodiesel/metil ester dapat dilihat pada Lampiran 2.
Gambar 9. Diagram alir proses transesterifikasi olein sawit
3. Penentuan Lama Proses Sulfonasi Metil Ester Olein Menggunakan Reaktor STFR
Pada tahapan ini akan dikaji pengaruh lama sulfonasi menggunakan Singletube film sulfonation reactor (STFR) dengan sistem kontinyu, yang didisain berupa tube tunggal dengan tinggi 6 meter dan diameter 25 mm. Gas
39
SO3 yang digunakan merupakan produk antara yang dihasilkan pada tahapan proses produksi PT Mahkota Indonesia. Produk antara ini memiliki konsentrasi 26 %, sehingga dilakukan pencampuran gas SO3 dengan udara kering (dry air) untuk menghasilkan campuran gas SO3/ udara kering sekitar 5-7% (v/v). Laju gas SO3 dengan konsentrasi 5-7 % diinputkan ke dalam reaktor sebesar 7,22 kg/jam. Proses sulfonasi dilakukan dengan rasio mol metil ester dan gas SO3 yaitu 1:1,3 pada laju alir metil ester yang masuk ke dalam reaktor adalah 5,23 kg/jam, dan suhu sulfonasi 100oC (Hambali et al., 2009). Faktor yang diujikan yaitu waktu proses sulfonasi 1 - 6 jam dengan interval 1 jam. Dilanjutkan dengan proses aging pada suhu 90oC selama 60 menit dan pengadukan 150 rpm hingga diperoleh MESA. Perhitungan laju alir ME olein dan SO3 disajikan pada Lampiran 3.
MESA kemudian dire-esterifikasi menggunakan metanol 15% dan dinetralisasi dengan NaOH 50% hingga dihasilkan MES dengan pH netral. Diagram alir penentuan lama proses sulfonasi disajikan pada Gambar 10. Skema STFR yang digunakan disajikan pada Gambar 11. Pengujian dilakukan terhadap produk MESA dan MES. Parameter yang diuji meliputi warna 5% klett, densitas, pH, viskositas, bilangan iod, kestabilan emulsi, kandungan bahan aktif, bilangan asam, dan tegangan antarmuka. Prosedur analisis surfaktan MES dapat dilihat pada Lampiran 4. Rancangan percobaan faktor proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Rancangan Acak Lengkap faktor tunggal dengan dua kali pengulangan.
Model matematis rancangan percobaannya adalah sebagai berikut : Yij = µ + Ai + j(i)
Dimana :
Yij : hasil pengamatan pada ulangan ke-j karena faktor A (lama
sulfonasi) ke-i
µ : rata-rata yang sebenarnya
Ai : pengaruh A (lama sulfonasi) ke-i
j(i) : galat eksperimen pada ulangan ke-j karena faktor A (lama
Reakto r sulfo nasi STF R (1 - 6 jam )
Gambar 10. Diagram alir penentuan lama proses sulfonasi
41
4. Pengaruh Penambahan Metanol pada Proses Pemurnian Surfaktan MES
Tahapan ini dilakukan untuk menentukan kondisi proses pemurnian yang akan diterapkan pada tahap kajian selanjutnya, dengan menerapkan kondisi terbaik yang diperoleh pada tahapan sebelumnya. Proses pemurnian dimodifikasi dari Sherry et al. (1995), dengan faktor konsentrasi metanol 0 - 15%, interval 5% pada suhu sekitar 55oC, pengadukan selama 45 menit, dan dilanjutkan dengan netralisasi menggunakan NaOH 50% hingga dicapai pH netral (berkisar 7). Diagram alir kajian proses pemurnian MES disajikan pada Gambar 12. Parameter yang diuji adalah tegangan antarmuka. Prosedur analisis tegangan antarmuka disajikan pada Lampiran 4. Rancangan percobaan faktor proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Rancangan Acak Lengkap faktor tunggal dengan dua kali pengulangan.
Model matematis rancangan percobaannya adalah sebagai berikut : Yij = µ + Ai + j(i)
Dimana :
Yij : hasil pengamatan pada ulangan ke-j karena faktor A (konsentrasi
metanol) ke-i
µ : rata-rata yang sebenarnya
Ai : pengaruh A (konsentrasi metanol) ke-i
j(i) : galat eksperimen pada ulangan ke-j karena faktor A (konsentrasi
metanol) ke-1
Reak
tor sul
fonasi
STFR
Gambar 12. Diagram alir kajian penambahan metanol pada proses pemurnian MES
5. Perbaikan Kondisi Proses Produksi Surfaktan MES
Untuk mendapatkan sampel surfaktan MES yang lebih baik dilakukan perbaikan pada kondisi proses produksi surfaktan MES. Kondisi proses yang diterapkan meliputi gas SO3-udara keringdiinputkan ke dalam reaktor sebesar 7,22 kg/jam, rasio mol metil ester dan gas SO3 yaitu 1:1,3 pada kecepatan alir metil ester yang masuk ke dalam reaktor adalah 5,23 kg/jam, suhu sulfonasi 100oC (Hambali et al., 2009), lama sulfonasi 3-4 jam, suhu aging 90oC selama 60 menit dengan pengadukan 150 rpm, dan tanpa penambahan metanol sebagai hasil terbaik yang diperoleh pada tahapan sebelumnya. Perbaikan dilakukan dengan penambahan udara kering bersamaan dengan gas SO3 yang diinputkan ke dalam reaktor STFR (0; 1,8, 3,6 kg/jam) dikombinasikan dengan pH MES setelah netralisasi (6, 7, 8). Parameter yang diuji meliputi bilangan iod, kandungan bahan aktif, tegangan antarmuka, kestabilan emulsi, viskositas, dan warna 5% klett. Diagram alir perbaikan kondisi proses produksi MES disajikan pada Gambar 13. Prosedur analisis surfaktan MES dapat dilihat pada Lampiran 4. Rancangan percobaan faktor proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Rancangan Petak Terbagi, dengan dua kali pengulangan. Model matematis rancangan percobaannya adalah sebagai berikut :
Yjkm = µ + Ri + Aj + ij + Bk + ABjk + m(ijk) Dimana :
Yjkm : Nilai pengamatan pada ulangan ke-m karena faktor udara kering (A) taraf ke-j dan faktor pH (B) taraf ke-k
µ : Rata-rata yang sebenarnya Ri : Pengaruh ulangan/blok ke-i
Aj : Pengaruh udara kering (A) ke-j (petak utama)
ij : Galat untuk petak utama pada blok ke-i karena faktor A ke-j Bk : Pengaruh pH ke-k (anak petak)
ABjk : Pengaruh interaksi faktor udara kering (A) ke-j dan pH (B) ke-k m(ijk) : Galat sisa pada ulangan ke-m akibat pengaruh blok ke-i, A ke-j
43 Reakt o r sul fo n asi STFR (3 - 4 ja m)
Gambar 13. Diagram alir perbaikan kondisi proses produksi MES
6. Formulasi Surfaktan MES untuk Aplikasi pada EOR
Formulasi surfaktan dilakukan dengan mengkombinasikan surfaktan MES dengan salinitas optimal, surfaktan komersial, dan aditif terbaik yang diperoleh. Untuk itu dilakukan penentuan konsentrasi surfaktan MES, salinitas optimal, aditif dan surfaktan komersial terbaik untuk formulasi.
a. Penentuan konsentrasi surfaktan MES
Sampel surfaktan MES terbaik yang telah diperoleh ditentukan konsentrasi yang dapat memberikan nilai tegangan antarmuka terendah. Konsentrasi surfaktan yang diujikan berkisar 0-0,4%, dengan interval 0,1%. Pengujian dilakukan dua kali.
b. Penentuan salinitas optimal
Sampel surfaktan MES terbaik yang diperoleh pada tahapan sebelumnya selanjutnya digunakan untuk mencari salinitas optimal antara surfaktan MES dan air injeksi. Penentuan salinitas optimal dilakukan pada konsentrasi surfaktan MES 0,3% dengan variasi salinitas air injeksi 0 hingga 60.000 ppm dengan interval 5000 ppm. Parameter yang diuji meliputi tegangan antarmuka, densitas, pH, dan viskositas pada suhu 30
dan 70 oC. Data tegangan antarmuka kemudian diplotkan terhadap salinitas untuk mendapatkan salinitas optimalnya. Rancangan percobaan faktor proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Rancangan Acak Lengkap faktor tunggal dengan dua kali pengulangan. Model matematis rancangan percobaannya adalah sebagai berikut :
Yij = µ + Ai + k(ij) Dimana :
Yij : hasil pengamatan pada ulangan ke-j karena faktor A (salinitas) ke-i µ : rata-rata yang sebenarnya
Ai : pengaruh salinitas (A) ke-i
j(i) : galat eksperimen pada ulangan ke-j karena faktor A ke-i
c. Pemilihan Aditif
Pemilihan aditif dilakukan untuk menentukan jenis dan konsentrasi aditif terbaik yang mampu menghasilkan penurunan nilai tegangan antarmuka. Pada tahapan ini digunakan dua jenis aditif yaitu NaOH dan Na2CO3, dengan variasi konsentrasi 0,1 – 0,6 persen dengan interval 0,1%. Parameter yang diuji meliputi tegangan antarmuka, pH dan densitas (Lampiran 4). Rancangan percobaan faktor proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Rancangan Acak Lengkap Faktorial dengan dua kali pengulangan. Model matematis rancangan percobaannya adalah sebagai berikut :
Yijk = µ + Ai + Bj + ABij + k(ijk) Dimana :
Yijk : hasil pengamatan pada ulangan ke-k karena faktor A ke-i dan B
ke-j
µ : rata-rata yang sebenarnya Ai : pengaruh jenis aditif (A) ke-i Bj : pengaruh konsentrasi aditif (B) ke-j
ABij : pengaruh interaksi jenis aditif (A) ke-i dan konsentrasi aditif (B)
ke-j
k(ij) : galat eksperimen pada ulangan ke-k karena faktor A ke-i dan B
45
d. Pemilihan Co-Surfaktan
Pemilihan co-surfaktan dilakukan terhadap 14 jenis surfaktan komersial yang tersedia di pasaran, yaitu alkyl polyglicoside C12, alkyl
polyglicoside C8, C10 alkoxylated 7, dietanolamida, alcohol ethoxylate 7 EO, sodium dodecyl benzene sulfonate (25%), sodium dodecyl benzene sulfonate (65%), dodecyl benzene sulfonic acid, nonyl phenol ethoxylate 9 EO, nonyl phenol ethoxylate 10 EO, alkyl benzyl dimethyl ammonium chloride, secondary C12-14, 7 ethoxylated, secondary C12-14, 7 ethoxylated, dan alkyl polyglicoside C12-16. Surfaktan komersial yang dipilih adalah yang menghasilkan nilai tegangan antarmuka terendah pada pengukuran menggunakan air formasi dari lapangan minyak. Pengujian nilai tegangan antarmuka larutan surfaktan komersial 0,3% pada air formasi dilakukan dua kali.
7. Uji kinerja surfaktan MES untuk Aplikasi pada EOR
Pengujian dilakukan meliputi kompatibilitas, kelakuan fasa, thermal stability, filtrasi, adsorpsi dan uji core. Prosedur analisis kinerja formula surfaktan berbasis MES disajikan pada Lampiran 5.
• Uji kompatibilitas dilakukan untuk melihat kesesuaian surfaktan dengan air formasi dan air injeksi. Pengujian dilakukan dengan membuat larutan surfaktan dengan air formasi dan air injeksi. Kesesuaian diindikasikan dengan tidak terbentuknya endapan dalam larutan surfaktan.
• Uji kelakuan fasa dilakukan pada suhu reservoir tempat dimana air formasi yang digunakan berasal yaitu 112 oC. Pengamatan dilakukan secara periodik selama waktu tertentu.
• Uji thermal stability dilakukan selama waktu tertentu pada suhu reservoir tempat dimana air formasi yang digunakan berasal yaitu 112 oC, dan suhu 70 oC sebagai pembanding. Pengamatan nilai tegangan antarmuka dilakukan secara periodik untuk melihat kecenderungan perubahan nilai tegangan antarmuka yang terjadi selama pemanasan pada suhu reservoir berlangsung.
• Uji filtrasi dilakukan menggunakan beberapa ukuran media pori (500 mesh, 20-25 µm, 0,45 µm dan 0,22 µm) dengan volume larutan surfaktan dan air formasi masing-masing 300 ml, dan dilakukan plot volume vs waktu.
• Uji adsorpsi dilakukan dengan melarutkan 15 g batuan core yang sudah dihancurkan dalam 8 ml larutan surfaktan, atau hingga seluruh batuan core terbenam dalam larutan surfaktan, lalu diukur nilai absorbansi sebelum dan sesudahnya.
• Uji core dilakukan dengan melewatkan 250 ml larutan surfaktan melewati core yang sudah dijenuhkan air dan minyak bumi pada suhu reservoir (112 o
C), dan dihitung volume minyak yang berhasil didesak dari core oleh larutan surfaktan. Core yang digunakan berupa core sintetik dan native core. Pengujian juga dilakukan dengan menginjeksikan larutan surfaktan pada aliran berbeda.
Beberapa peralatan dan intrumen analisis yang digunakan pada penelitian ini disajikan pada Lampiran 6.