BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Sintesa Katalis

Dalam penelitian ini, katalis disintesis menggunakan metode impregnasi kering.

Metode ini dipilih karena metode impregnasi merupakan metode sintesis yang dapat dilakukan dengan mudah dan membutuhkan waktu yang relatif singkat apabila dibandingkan dengan metode kopresipitasi. Dibandingkan dengan metode impregnasi basah, impregrasi kering dianggap sebagai metode yang tepat karena adanya kemudahan perhitungan volume pori penyangga (γ-alumina).

Bahan-bahan yang diperlukan dalam sintesis katalis yaitu Cu(NO 3 ) 2 .3H 2 O, Zn(NO 3 ) 2 .4H 2 O, dan γ-alumina. Senyawa Cu dan Zn dipilih dalam bentuk garam nitrat karena kelarutannya yang tinggi sehingga memudahkan proses impregnasi. Selain itu, ion nitrat yang terbentuk mudah dihilangkan melalui proses kalsinasi. Pemilihan γ- alumina sebagai penyangga didasari atas karakteristik γ-alumina yang memiliki luas permukaan yang besar, struktur yang stabil, dan harga yang relatif murah. Sebelum diimpregnasi, γ-alumina dikeringkan selama 2 jam pada suhu 120°C untuk menghilangkan molekul-molekul air yang terkandung sehingga larutan Cu(NO 3 ) 2 .3H 2 O dan Zn(NO 3 ) 2 .4H 2 O dapat terserap dengan baik tanpa terhalangi molekul-molekul air.

Senyawa Cu(NO 3 ) 2 .3H 2 O dan Zn(NO 3 ) 2 .4H 2 O dilarutkan dalam aqua dm hingga volume larutannya tertentu. Volume larutan ditentukan sedemikian hingga proses impregnasi tidak terlalu basah ataupun kering. Pada penelitian ini, volume larutan yang digunakan adalah 1,35 kali volume pori penyangga. Sebelumnya telah dicoba menggunakan volume larutan 1,3 dan 1,4 kali volume pori penyangga. Namun, hasil yang diperoleh kurang memuaskan karena proses impregnasi terlalu kering untuk volume larutan 1,3 kali dan terlalu basah untuk volume larutan 1,4 kali.

Setelah diimpregnasi, katalis dikeringkan pada temperatur 120°C selama 12 jam.

Hal ini dilakukan untuk menghilangkan air yang terkandung dalam katalis hasil

impregnasi. Setelah selesai dikeringkan, katalis kemudian dikalsinasi pada temperatur

360°C selama 2 jam. Proses kalsinasi dilakukan untuk menyingkirkan sisa-sisa ion nitrat dan mendapatkan senyawa oksida dari Cu dan Zn. Selama kalsinasi berlangsung, senyawa Cu(NO 3 ) 2 .3H 2 O dan Zn(NO 3 ) 2 .4H 2 O akan terdekomposisi menjadi CuO, ZnO, dan NO x . Setelah dikalsinasi, katalis direduksi di dalam reaktor selama 6 jam dengan rentang temperatur dari 166 ^o C – 300 ^o C.

Prosedur sintesis, uji aktivitas, dan uji stabilitas dilakukan sesuai prosedur Janitra dan Sianturi (2007). Spesifikasi katalis dan prosedur operasi dicantumkan pada tabel di bawah ini.

Tabel 4.1 Spesifikasi katalis dan prosedur operasi oleh Janitra dan Sianturi (2007) Spesifikasi Katalis

Rasio berat Cu(NO 3 ) 2 :Zn(NO 3 ) 2 :Al(NO 3 ) 3 1,34:1,73:1

Volume larutan 1,35 x volum pori

Preparasi Katalis

Massa katalis 10 gram

Lama pengeringan gamma-alumina 12 jam

Temperatur pengeringan 120 ^o C

Lama kalsinasi katalis 1 atau 2 jam

Temperatur kalsinasi 120 - 360 ^o C

Laju kenaikan temperatur kalsinasi 4 ^o C/menit atau 2 ^o C/menit

Reduksi Katalis

Massa katalis 1 gram

Lama reduksi katalis 6 jam

Temperatur reduksi 166 - 360 ^o C

Laju hidrogen 30 mL/min

Laju nitrogen 30 mL/min

Uji Aktivitas Katalis

Massa katalis 1 gram

Laju umpan methanol 0.3 mL/menit

Rasio volum methanol/air 1:1,2

Temperatur operasi 200 - 300 ^o C

Laju nitrogen 15-88 mL/min

Waktu sampling 1 sample/jam

Uji Stabilitas Katalis

Laju nitrogen 30 dan 77 mL/min

Waktu sampling 1 sample/2 jam

4.2 Uji Aktivitas Katalis

Hasil uji aktivitas katalis JW-2 dan JW-3 pada berbagai temperatur dan laju alir inert ditampilkan pada gambar 4.1 dan 4.2 di bawah ini.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

K o n ve rs i me ta n o l ( % )

Laju alir nitrogen (mL/ min) 300 °C

275 °C 250 °C 225 °C 200 °C

Uji Aktivitas Katalis JW-2 Lama kalsinasi katalis = 2 jam

Gambar 4.1 Uji aktivitas katalis JW-2 pada berbagai laju alir dan temperatur

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

10 20 30

Ko n ve rs i m e ta n o l ( % )

300 °C

275 °C

250 °C

225 °C

200 °C

Uji Aktivitas Katalis JW-3

Lama kalsinasi katalis = 1 jam

Kedua gambar tersebut menunjukkan adanya kecenderungan bahwa nilai konversi semakin menurun jika laju alir inert yang digunakan semakin besar. Hal itu disebabkan semakin besar laju alir inert, tekanan parsial metanol pada umpan akan semakin berkurang pula. Tekanan parsial metanol berbanding lurus dengan laju reaksi. Jadi, jika laju inert yang digunakan semakin besar, laju reaksi akan semakin berkurang.

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110%

200 225 250 275 300

Konversi metanol (%) Te m p e ra tu r O p e ra si (

o

C)

200 225 250 275 300

A 68,614% 75,182% 84,482% 91,869% 98,392%

B 65,318% 69,976% 86,948% 94,684% 101,613%

C 59,159% 62,639% 89,112% 100,552% 107,077%

D 11,309% 18,318% 27,880% 56,973% 71,839%

E 7,114% 21,388% 40,279% 50,526% 67,013%

30 mL/min (Kalsinasi 2 jam) 77 mL/min → 30 mL/min (Kalsinasi 2 jam) 88 mL/min → 30 mL/min (Kalsinasi 2 jam) 30 mL/min (Kalsinasi 1 jam) 15 mL/min → 30 mL/min (Kalsinasi 1 jam)

Gambar 4.3 Hasil uji aktivitas katalis JW-2 dan JW-3 pada berbagai temperatur

Gambar 4.3 menunjukkan hasil uji aktivitas katalis JW-2 dan JW-3 pada berbagai

temperatur. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa katalis JW-2 memiliki konversi

yang lebih tinggi dibandingkan katalis JW-3. Hal yang membedakan katalis JW-2 dan

JW-3 ialah lama waktu kalsinasi katalis. Katalis JW-2 dikalsinasi selama 2 jam

sedangkan katalis JW-3 dikalsinasi selama 1 jam. Beberapa pasang data ditambahkan

dalam analisis untuk mengurangi kemungkinan gangguan yang terjadi pada saat proses

reduksi. Data didapat melalui ekstrapolasi.

Kalsinasi bertujuan untuk menghilangkan air dan sisa-sisa ion nitrat. Pada saat kalsinasi, Cu(NO 3 ) 2 .3H 2 O dan Zn(NO 3 ) 2 .4H 2 O akan berubah menjadi CuO dan ZnO. Pada waktu kalsinasi 1 jam, belum semua Cu(NO 3 ) 2 .3H 2 O dan Zn(NO 3 ) 2 .4H 2 O berubah menjadi CuO dan ZnO sehingga jumlah fasa aktif yang terbentuk setelah reduksi semakin sedikit.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

175 200 225 250 275 300 325

K onv e rs i m e ta nol ( % )

Temperatur operasi (

^o

C)

30 mL/menit 77 mL/menit 88 mL/menit Janitra (2007) Uji Aktivitas

Katalis JW-2 Lama kalsinasi katalis = 2 jam

Gambar 4.4 Hasil uji aktivitas katalis JW-2 pada berbagai temperatur

Gambar 4.4 menunjukkan efek variasi temperatur operasi pada konversi metanol.

Reaksi reformasi metanol merupakan reaksi endoterm sehingga peningkatan temperatur akan meningkatkan konversi reaktan menjadi produk. Pada Gambar 4.4 terdapat beberapa titik yang menunjukkan posisi performa katalis Janitra dan Sianturi (2007).

Ilustrasi di atas menunjukkan bahwa katalis Janitra dan Sianturi merupakan katalis yang

terbukti reprodusibel dan memiliki aktivitas yang tinggi. Pada temperatur 250oC dan

275oC, aktivitas katalis JW-2 dapat dikatakan sama dengan katalis Janitra dan Sianturi

(2007).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

175 200 225 250 275 300 325

K on ve rs i m e ta nol ( % )

Temperatur operasi (

^o

C)

15 mL/menit 30 mL/menit Uji Aktivitas Katalis JW-3

Lama kalsinasi katalis = 1 jam

Gambar 4.5 Hasil uji aktivitas katalis JW-3 pada berbagai temperatur

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

K onv e rs i m e ta nol ( % )

Waktu (jam)

Uji Stabilitas Katalis JW-2 Lama pengujian = 36 jam

T = 250

^o

C Laju nitrogen = 30 mL/ menit

Laju nitrogen = 77 mL/ menit

Gambar 4.4 Uji stabilitas katalis JW-2

Untuk mengetahui seberapa stabil kinerja katalis selama selang waktu tertentu, dilakukan uji stabilitas. Hasil uji stabilitas katalis JW-2 dicantumkan pada gambar 4.4.

Uji stabilitas dilakukan pada temperatur 250 ^o C dengan 2 laju alir inert yang berbeda

yaitu 30 ml/menit dan 77 ml/menit. Gambar 4.4 menunjukkan bahwa aktivitas katalis

JW-2 pada laju alir inert 30 ml/menit stabil pada konversi sebesar 83 % sedangkan pada

laju alir inert 77 ml/menit stabil pada konversi 60%.

4.3. Karakterisasi Katalis

4.3.1. Metode Difraksi Sinar X (XRD)

Karakteristik katalis Cu/ZnO/Al 2 O 3 hasil karakterisasi dengan teknik difraksi sinar X (XRD) ditampilkan pada gambar 4.3. Analisis XRD ini dilakukan dengan membandingkan difraktogram sampel katalis dengan difraktogram standar dalam database PCPDFWin. Difraktogram merupakan pengaluran intensitas terhadap sudut 2θ. Berdasarkan pengamatan puncak difraktogram dapat ditentukan derajat kristalinitas padatan katalis. Puncak-puncak tajam dan berintensitas tinggi mengindikasikan sifat padatan berfasa kristalin sedangkan puncak-puncak tumpul berintensitas lebih rendah mengindikasikan sifat padatan berfasa amorf.

4.3.2. Luas Permukaan Katalis berdasarkan Metode BET

Luas permukaan katalis Cu/ZnO/Al 2 O 3 dievaluasi dengan metode BET (Brunauer-

Emmet-Teller) menggunakan instrumen Gas Sorption Analyzer NOVA 1000. Pada

instrumen ini, luas permukaan dievaluasi dari volume gas nitrogen yang teradsorpsi

pada permukaan untuk membentuk lapisan tunggal pada berbagai kondisi tekanan

rendah. Luas permukaan spesifik dihitung dengan membagi luas permukaan sampel

katalis dengan berat sampel katalis.