ABSTRAK
SINTESIS DAN KARAKTERISASI SURFAKTAN NATRIUM
LIGNOSULFONAT AMPAS TEBU: PENGARUH
KONSENTRASI DAN KEGARAMAN LARUTAN
TERHADAP KINERJA PENDESAKAN
MINYAK DALAM BATUAN INTI
OlehRini Setiati NIM: 32212006
(Program Studi Doktor Teknik Perminyakan)
Injeksi surfaktan merupakan salah satu jenis injeksi kimiawi yang digunakan dalam proses Enhanced Oil Recovery (EOR) untuk meningkatkan perolehan minyak bumi. Surfaktan mampu melakukan mekanisme penurunan tegangan antar muka fluida minyak dan air dalam matriks batuan sehingga butir-butir minyak dapat terlepas dan terproduksi.Efektivitas surfaktan dalam menurunkan tegangan antar muka minyak-air dipengaruhi oleh jenis surfaktan yang digunakan, konsentrasi surfaktan dan kadar garam larutan.
Surfaktan yang digunakan dalam penelitian ini adalah surfaktan anionik, dengan jenis lignosulfonat. Saat ini surfaktan yang umum digunakan berasal dari turunan minyak bumi (petroleum lignosulfonate), sehingga pada waktu harga minyak bumi tinggi, maka harga surfaktan juga tinggi. Jenis surfaktan lignosulfonat lainnya adalah surfaktan natrium lignosulfonat (surfaktan NaLS) berbahan baku lignin.Kandungan lignin yang cukup tinggi di antaranya ada pada ampas tebu, yaitu mencapai 24%-25%. Proses pengolahan ampas tebu menjadi lignosulfonat dimulai dari isolasi lignin dari ampas tebu yang kemudian direaksikan dengan natrium bisulfit (NaHSO3) menjadi natrium lignosulfonat. Dalam penelitian ini lignin telah berhasil diisolasi dari ampas tebu yang telah dikeringkan, yang dibuktikan dengan hasil analisis spektrum FTIR (Fourier Transform Infra Red) yang menunjukkan bahwa gugus-gugus fungsi penting dalam struktur lignin hasil isolasi telah bersesuaian dengan gugus-gugus fungsi dalam struktur lignin standar, yaitu adanya gugus fungsi aromatik fenolik tersubstitusi dan alkena alifatik. Struktur natrium lignosulfonat yang dihasilkan dari sintesis ampas tebu ini telah dengan natrium lignosulfonat standar, yaitu adanya puncak-puncak serapan untuk vibrasi ulur gugus fungsi alkena aromatik dan alifatik, vibrasi ulur gugus fungsi sulfonat dan vibrasi tekuk gugus fungsi karboksilat. Hasil analisis spektroskopi NMR (Nuclear Magnetic Resonance) terhadap sampel NaLS hasil sintesis menunjukkan bahwa dalam struktur surfaktan tersebut terdapat kerangka benzena yang tersubstitusi oleh gugus hidroksi dan metoksi, serta adanya gugus fungsi
dideduksi rumus empiris monomer lignosulfonat adalah (C11H16O8S)n, dengan massa molekul relatif 308,06. Massa molekul yang sesungguhnya dari surfaktan NaLS hasil sintesis harus ditentukan lebih lanjut menggunakan pengukuran spektrometri massa (mass spectrometry, MS). Monomer surfaktan NaLS ampas tebu tersebut mempunyai nilai HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) sebesar 11,6, sehingga termasuk kategori sebagai emulsi O/W (Oil in Water), yang menunjukkan bahwa surfaktan tersebut larut baik dalam air. Surfaktan NaLS ampas tebu juga menghasilkan emulsi fasa tengah yang diperlukan dalam kinerja injeksi surfaktan. Dengan demikian, surfaktan NaLS ampas tebu hasil sintesis ini dapat digunakan sebagai fluida injeksi.
Hasil penelitian uji karakteristik surfaktan NaLS ampas tebu telah menunjukkan beberapa karakter surfaktan NaLS ampas tebu yaitu mempunyai sifat stabil dalam air, tetap jernih dan tidak menimbulkan kekeruhan, dapat membentuk emulsi fasa tengah (mikroemulsi) dengan minyak ringan,sedangkan dengan minyak menengah dan minyak berat tidak membentuk emulsi fasa tengah.Selanjutnya dalam uji IFT, kadar garam dan konsentrasi surfaktan mempengaruhi nilai IFT. Semakin besar konsentrasi surfaktan, nilai IFTsemakin kecil hingga pada batas tertentu tercapai, yaitu pada critical micelle concentration (CMC). Demikian juga untuk kadar garam, semakin tinggi kadar garam pada komposisi surfaktan tersebut, nilai IFT semakin kecil hingga mencapai nilai CMC-nya. Pada kondisi kadar garam yang lebih tinggi, nilai IFT menjadi lebih besar. Kondisi ini terjadi karena untuk konsentrasi garam tertentu, yang menunjukkan bahwa NaCl akan menyebabkan penurunan tegangan antar muka minyak–air, sehingga proses pembentukan emulsi O/W menjadi tidak efektif lagi. Konsekuensinya bila pada operasi injeksi surfaktan terdapat garam NaCl, maka akan terbentuk HCl dan RSO3Na yang kurang dapat menurunkan tegangan antar muka minyak-air. Dalam penelitian ini ternyata komposisi surfaktan 4,5% dan 80.000 ppm NaCl adalah komposisi surfaktan dan garam yang memberikan nilai IFT terendah, yaitu 1.091 mN/m. Selanjutnya, surfaktan dengan komposisi tersebut diuji sifat adsorpsi statis dan adsorpsi dinamisnya. Pada konsentrasi surfaktan yang sama tetapi berbeda kadar garamnya, ternyata makin tinggi kadar garam, nilai adsorpsinya semakin rendah, yang menunjukkan bahwa surfaktan tersebut lebih sedikit terserap ke dalam batuan pada saat injeksi surfaktan terhadap batuan inti. Karena surfaktan yang terserap ke dalam batuan lebih sedikit, berarti masih lebih banyak surfaktan yang dapat berkerja menurunkan tegangan antar muka minyak –air, sehingga minyak dapat terproduksi lagi akibat desakan fluida surfaktan tersebut. Hasil uji
wettability juga menunjukkan bahwa kadar garam lebih tinggi menghasilkan sudut kontak yang lebih besar. Kondisi ini lebih memudahkan surfaktan NaLS ampas tebu yang terlarut dalam air formasi untuk melepaskan butir-butir minyak yang menempel pada batuan tersebut. Pada proses injeksi, komposisi surfaktan – garam =1,5% - 80.000 ppm memberikan hasil perolehan minyak yang tertinggi dibandingkan dengan komposisi yang lainnya, yaitu sebesar 10,71%. Dengan demikian, faktor konsentrasi surfaktan dan kadar garam (salinity) memang mempengaruhi banyak faktor yang berkaitan dengan kinerja pendesakan surfaktan NaLS ampas tebu terhadap minyak bumi jenis minyak ringan.
Hasil penelitian ini ternyata telah dapat membuktikan hipotesis bahwa ampas tebu dapat diolah menjadi surfaktan natrium lignosulfonat (NaLS) yang mempunyai karakteristik tertentu yang bersesuaian dengan karakteristik surfaktan yang kompatibel dengan minyak ringan pada kondisi salinitas relatif tinggi.Surfaktan NaLS ampas tebu hasil sintesis dengan karakteristiknya tersebut ternyata dapat digunakan sebagai fluida injeksi dalam injeksi surfaktan untuk meningkatkan perolehan minyak, khususnya minyak ringan.
Katakunci: ampas tebu, kegaraman, konsentrasi surfaktan, lignin, minyak ringan, peningkatan perolehan minyak, surfaktan natrium lignosulfonat
ABSTRACT
SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF SODIUM
LIGNOSULFONATE FROM BAGASSE: THE EFFECTS OF
CONCENTRATION AND SALINITY TOWARD THE
PERFORMANCE OF OIL INJECTION IN CORE
By
Rini Setiati
NIM:32212006
(Doctoral Program in Petroleum Engineering)
Surfactant injection is one of the types of chemical injections used in Enhanced Oil Recovery (EOR) process. Surfactant has the capability to increase the interfacial tension between oil and water in the rock matrix, therefore the oil granules can be released and produced. The effectiveness of the surfactant in reducing the oil-water interfacial tension is affected by the type of surfactant used, the concentration of the surfactant and the salinity of the solution.
The surfactant used in this study for the EOR is an anionic surfactant, which is one of the lignosulfonate surfactant derivatives. Currently, the commonly used surfactant is derived from petroleum lignosulfonate, however whenever the price of petroleum is high, then the price of surfactant would eventually rise.One of the lignosulfonate surfactants is sodium lignosulfonate surfactant (SLS surfactant) derived from lignin containing materials. One of raw materials having high content of lignin is bagasse, which contains lignin up to 24-25%. The processing of bagasse to produce lignosulfonate was initially performed by isolation of lignin from bagasse and the isolated lignin was subsequently transformed into sodium lignosulfonate by reaction between lignin and sodium bisulfite (NaHSO3). In this
study, lignin has been successfully isolated from dried bagasse, which was confirmed through the analysis results of FTIR (Fourier Transform Infra Red) spectrum of isolated lignin that showed the same characteristic functional groups of lignin structure as the functional groups within lignin standard, which contains substituted phenolic aromatic groups and aliphatic alkene groups.
Sodium lignosulfonate (SLS) surfactant having the same characteristics functional groups as the functional groups within the sodium lignosulfonate standard, which comprises the absorption peaks corresponing with the stretching vibration of aromatic and aliphatic alkene functional groups, the stretching vibration of sulfonate groups, and the bending vibration of carboxylic groups. The analysis of NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectroscopy of SLS surfactant showed that the surfactant consisted of monomer structure having methoxyl and hydroxyl substituted benzene,as well as the presence of sulfonate and aliphatic hydroxyl
the monomer of synthesized surfactant has empirical formula of (C11H16O8S)n with
relative molecular weight of 308.06. The exact molecular weight of the synthesized surfactant should be further determined using mass spectrometry measurement. The monomer of the synthesized SLS has a HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) value of 11.6 which can be classified as O/W (Oil in Water) emulsion, which means that the SLS surfactant is water soluble. Thus, the SLS surfactant derived from bagasse can be used as an injection fluid and formed middle-phase emulsion that required in surfactant injection performance.
According to the characteristic tests, the bagasse's SLS surfactant has some qualified characteristics which has a good aquoeus stability, clear solution and does not cause turbidity, capable to form middle phase microemulsion with light oil, while incapable to form middle phase emulsion with medium and heavy oil. Furthermore, based on the IFT tests, it showed that the salinity and surfactant concentrations influence the IFT values. The greater the surfactant concentration, the smaller the IFT value until a certain minimal value of IFT achieved, namely the critical micelle concentration (CMC). Similarly, the higher the salt content of the surfactant solution, the smaller the IFT value until reaching the CMC value. At higher salinity conditions, the IFT values become larger. This condition occurs due to the concentration of a particular salt, which showed that the presence of NaCl will cause a decrease in interfacial tension between oil – water, therefore the O/W emulsion formation would be ineffective. Consequently, when a surfactant injection operation contains a salt of NaCl, HCl and RSO3Na were
formed, which would decrease the oil-water interface tension. In this research, the surfactant composition of 4.5% of SLS surfactant in- 80,000 ppm NaCl gave the lowest IFT value of 1.091 mN/m.
Furthermore, the surfactant with the optimum composition has been tested toward its static and dynamic adsorptions. At the same surfactant concentration in different salt content, it showed that the higher the salt content, the lower the adsorption value, which means that the surfactant is less absorbed into the rock when the surfactant was injected to the core. Since the less surfactant was absorbed into the core, it means that more surfactants were available and capable to decrease the interfacial tension between oil – water,therefore the more oil can be produced by the surfactant injection. Wettability test results also showed that the higher salt content produces a larger contact angle which means the system becomes more water wet. These conditions has made the synthesized SLS surfactant derived from bagasse more dissolved in formationwater to release oil beads attached to the core.In the injection process, the composition of surfactant – salinity = 1.5% - 80,000 ppm showed the highest oil recovery valueup to 10.71%, compared to the other composition. Therefore,the surfactant concentration and salinity affected many factors related to the performance of SLS surfactant of bagasse displacement on light oil/petroleum.
The results of this study has confirmed the hypothesis that bagasse can be processed into sodium lignosulfonate (SLS) surfactant having certain characteristics corresponded to the required characterisctics having good compatibility with light oil in relatively high salinity. The results of this study
showed that the synthesized SLS surfactant of bagasse with its natural characteristics can be used as injection fluid in surfactant injection to increase oil recovery, especially for the light oil recovery.
Keywords: bagasse, enhanced oil recovery,light oil, lignin, salinity, sodium lignosulfonate surfactant, surfactant concentration
