Regenerasi Katalis Ni-Zeolit Alam Aktif Untuk Hidrocracking
Minyak Jarak Pagar
Zainal Fanani*, Addy Rachmat*, Iwan Wahyudi
*Jurusan Kimia, FMIPA UNSRI email: zainalf313@yahoo.co.id
Abstrak. Telah dilakukan hidrocracking minyak jarak pagar dengan katalis Ni-zeolit alam aktif (Ni-ZAA) dan regenerasi katalis. Hidrocracking dilakukan dengan variasi temperatur 200, 350, 450 dan 550oC, laju gas hidrogen 4 ml/mnt, dan berat katalis Ni-ZAA adalah 5 g, serta volume minyak jarak pagar 40 ml. Produk hidrocracking minyak jarak pagar dianalisa meliputi viskositas dan densitas. Hasil penelitian menunjukkan nilai terbaik viskositas dan densitas pada temperatur hidrocracking 550oC dengan nilai viskositas 0,0293 poise dan densitas 0,8619 g/ml. Katalis yang telah dipakai hidrocracking, kemudian diregenerasi dengan dua metoda yaitu pemanasan dan pemanasan yang disertai dengan oksidasi-reduksi. Nilai keasaman katalis sebelum digunakan hidrocracking adalah 3,3674 mmol/g, setelah digunakan hidrocracking nilai keasaman pada temperatur hidrocracking 550oC sebesar 0,8567 mmol/g, setelah diregenerasi dengan pemanasan nilai keasamannya adalah 1,1204 mmol/g. Sedangkan regenerasi pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi nilai keasamannya yaitu 1,5973 mmol/g. Katalis Ni-ZAA setelah regenerasi pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi dipakai kembali pada proses hidrocracking pada temperatur 550oC menghasilkan produk dengan nilai viskositas dan densitas terbaik 0,0188 poise dan 0,8302 g/ml.
Kata kunci : hidrocracking, katalis, regenerasi, Zeolit, Jarak
PENDAHULUAN
Seiring dengan kemajuan teknologi dan bertambahnya jumlah penduduk, maka kebutuhan energi akan meningkat pula. Hal
ini menyadarkan kita bahwa
ketergantungan pada salah satu sumber energi primer dalam hal ini minyak, akan menyulitkan pemenuhan pasokan energi yang kontinyu. Salah satu solusi untuk mengatasi masalah ini adalah dengan mencari alternatif lain pengganti minyak bumi seperti minyak jarak pagar. Berbeda dengan minyak bumi, minyak jarak pagar perlu diolah lebih lanjut agar dapat
digunakan sebagai bahan bakar.
Pengolahan minyak jarak pagar menjadi bahan bakar minyak yang berkualitas dapat dilakukan melalui proses hidrocracking.
Hidrocracking merupakan proses yang menggabungkan antara proses perengkahan
dan hidrogenasi. Proses ini melibatkan tekanan dan temperatur yang tinggi, katalis, dan hidrogen. Proses hidrocracking memerlukan katalis yang mempunyai fungsi ganda, komponen logam sebagai katalis hidrogenasi dan komponen asam sebagai katalis perengkahan.
Salah satu pengemban yang banyak digunakan adalah zeolit. Zeolit mempunyai aktivitas dan stabilitas termal yang tinggi. Zeolit alam adalah salah satu bahan yang
sudah banyak digunakan sebagai
pengemban. Zeolit alam banyak ditemukan di alam dan bercampur dengan materi pengotor. Zeolit memiliki karakter-karakter yang perlu dimodifikasi dan salah satu dari karakter tersebut adalah keasaman dari zeolit. Keasaman zeolit dapat ditingkatkan
dengan cara dealuminasi maupun
menambahkan logam atau oksida logam tertentu.
Logam yang ditambahkan pada zeolit akan meningkatkan aktivitas katalis secara keseluruhan karena logam-zeolit akan memiliki fungsi ganda dan biasanya disebut sebagai katalis bifungsional. Logam-logam yang biasanya digunakan adalah logam-logam transisi yang mempunyai daya adsorpsi yang kuat. Salah satu logam transisi yang digunakan sebagai katalis
adalah logam Ni yang mempunyai
pasangan elektron menyendiri pada orbital. Penggunaan katalis pada suhu tinggi dan pada tekanan uap parsial yang tinggi akan menyebabkan terjadinya deaktivasi katalis akibat sintering pada situs aktif katalis. Hal ini dapat menurunkan aktifitas bahkan selektifitas katalis. Deaktivasi katalis selain akibat sintering logam, juga dapat terjadi karena peracunan katalis, proses termal, serta terbentuknya deposit kokas atau karbon.
Proses pemanasan dengan mengalirkan gas oksigen, zat-zat organik maupun anorganik yang terserap pada katalis mengalami reaksi oksidasi pada permukaan katalis, dimana menyebabkan zat-zat organik dan anorganik akan lepas. Selain itu proses oksidasi pada katalis zeolit akan menjadikan peranan katalis pasif. Keadaan pasif disebabkan saat pengaliran gas oksigen pada katalis, logam akan terikat dengan oksigen. Kemudian dapat diaktifkan kembali pada saat proses reduksi yaitu dengan pengaliran gas hidrogen.
Berdasarkan uraian tersebut, maka pada penelitian ini dipelajari hidrocracking minyak jarak pagar dengan katalis Ni-zeolit alam aktif (Ni-ZAA) dan regenerasi katalis Ni-ZAA.
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Menentukan keasaman katalis Ni-ZAA.
2. Menentukan pengaruh temperatur hidrocracking terhadap viskositas serta densitas produk hidrocracking minyak jarak pagar .
3. Meregenerasi katalis Ni-ZAA dengan
pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi.
4. Membandingkan efektifitas katalis Ni-ZAA sebelum dan sesudah regenerasi.
METODOLOGI PENELITIAN Impregnasi Katalis
H-zeolit sebanyak 32 g direndam dalam larutan Ni(NO3)2.6H2O (31,7013 g) selama
24 jam sambil distirer, 4 jam pertama ditetesi ammonia setetes demi setetes. Setelah itu dikeringkan pada temperatur 130oC selama 3 jam sampai menjadi pasta dan kemudian dikalsinasi pada 550oC selama 5 jam.
Oksidasi Katalis
Hasil impregnasi Ni zeolit dimasukkan ke dalam reaktor yang telah diberi glasswool di dasarnya. Gas O2 dialirkan (10
mL/mnt), reaktor dimasukkan ke dalam furnace, kemudian regulator yang dihubungkan dengan furnace dihidupkan pada 160 V. Setelah temperatur 350oC pada termokopel tercapai, mulai dihitung waktu
oksidasi dan temperatur furnace
dipertahankan antara 345oC-355oC selama 2 jam dengan mengatur regulator.
Reduksi Katalis
Ni zeolit hasil oksidasi kemudian dihidrogenasi dengan mengalirkan gas H2
-dengan laju alir 10 mL/mnt pada temperatur 350oC selama 2 jam. Hasil dari hidrogenasi ini kemudian disebut Ni-Zeolit Alam Aktif (Ni-ZAA).
Hidrocracking Minyak Minyak Jarak Pagar
Reaksi katalitik perengkahan/
hidrocracking pada fasa gas dilakukan dengan menimbang 5 g katalis yang telah diketahui keasamannya, lalu dimasukkan ke dalam reaktor yang telah diberi glasswool. Selanjutnya gas hidrogen di alirkan dengan laju 4 mL/mnt dan di hidrogenasi dengan
Setelah temperatur hidrogenasi tercapai, minyak jarak pagar dialirkan ke dalam reaktor yang telah diisi dengan katalis. Produk cair yang keluar dari rektor fuenace di tampung dalam botol vial. Hidrocracking dinyatakan selesai jika tidak ada produk cair yang keluar dari reaktor furnace. Selanjutnya produk di analisa meliputi densitas, viskositas, keasaman katalis. Hidrocracking selanjutnya dilakukan dengan variasi temperatur 200, 350, 450 dan 550oC.
Penentuan Densitas dan viskositas Produk Hidrocracking Minyak Jarak Pagar
Penentuan densitas dilakukan
menggunakan piknometer 10 mL pada temperatur kamar (25oC), sementara
pengukuran viskositas dilakukan
menggunakan viskometer Ostwald. Penentuan Keasamam Katalis
Dalam menentukan keasaman katalis ini dilakukan dengan cara adsorpsi gas NH3.
Katalis dioven selama 24 jam dengan suhu 110oC, kemudian didinginkan dalam desikator. Setelah dingin, katalis ditimbang sebanyak 0,5 g dan diletakkan di dalam cawan krus. Cawan krus yang berisi katalis diletakkan dalam desikator bersama NH3
yang diletakkan di dalam cawan porselin sebanyak 5 mL, desikator di vakumkan dan didiamkan selama 24 jam. Kemudian cawan krus yang berisi katalis di timbang kembali. Keasaman katalis dapat dihitung
dengan menggunakan rumus sebagai
berikut : Keasaman = katalis m x NH BM x NH m 3 3 1000 Regenerasi Katalis
Regenerasi katalis dilakukan dengan pemanasan dan pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi. Regenerasi katalis dengan pemanasan pada temperatur 130oC selama
2 jam dan pada temperatur 550oC selama 5 jam.
Regenerasi katalis dengan proses pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi dilakukan pada temperatur 350oC dengan mengalirkan O2 dengan laju 4 mL/mnt
selama 2 jam, dilanjutkan dengan mengalirkan H2 dengan laju 4 mL/mnt
pada temperatur 400oC selama 2 jam. Setelah katalis diregenerasi dilakukan uji keasaman.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Variasi Temperatur
Hidrocracking Terhadap Keasaman Katalis Ni-ZAA
Proses hidrocracking dilakukan dengan variasi temperatur dimulai dari 200, 350, 450 dan 550oC, dengan laju gas hidrogen 4 mL/mnt dan berat katalis Ni-ZAA adalah 5 g, serta banyaknya minyak jarak yang dialirkan adalah 40 mL.
Kekuatan asam suatu padatan ditentukan pada kemampuannya merubah basa organik netral yang diserap oleh padatan membentuk asam konjugatnya. Ini terjadi melalui transfer proton dari situs asam Bronsted ke basa adsorpsinya atau melalui transfer pasangan elektron dari molekul teradsorpsi ke situs asam Lewis membentuk produk tambahan yang bersifat asam. Peningkatan asam Bronsted dan Lewis mengakibatkan konstanta laju adsorpsi meningkat [6]. Uji keasaman katalis Ni-ZAA dilakukan dengan penyerapan gas amonia sebagai basa adsorbatnya dengan asumsi bahwa ukuran NH3 memungkinkan
masuk sampai ke pori-pori katalis. Keasaman ini adalah keasaman total, diperoleh melalui pengukuran jumlah mmol basa amoniak yang teradsorpsi pada permukaan katalis, dimana jumlah basa amoniak dari fasa gas yang diadsorpsi oleh katalis ekivalen dengan jumlah asam pada permukaan katalis yang menyerap basa
Gambar 2. Pengaruh temperatur hidrocracking terhadap keasaman katalis pada laju alir gas hidrogen 4 ml/mnt dan berat katalis 5 g.
tersebut. Data yang di peroleh dari
hubungan temperatur hidrocracking
terhadap keasaman katalis Ni-ZAA dapat di perlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2 menunjukkan bahwa
keasaman katalis menurun setelah dipakai untuk hidrocrackinng. Hal ini dikarenakan proses hidrocracking minyak jarak pagar memungkinkan pori-pori pada katalis Ni-Zeolit Alam Aktif dengan naiknya
temperatur akan runtuh sehingga
permukaan katalis Ni-Zeolit Alam Aktif pada proses adsorpsi basa amonia menjadi tidak efektif.
Pada suhu 200, 350, 450 dan 550oC, keasaman katalis Ni-ZAA berturut-turut turun menjadi 2,0065, 0.9743, 2,2038 dan 0,8567 mmol/g. Karena semakin tinggi temperatur keasaman akan semakin kecil akibat runtuhnya pori-pori katalis atau efek sintering dibandingkan katalis yang belum dipakai untuk hidrocracking minyak jarak pagar.
Regenerasi Katalis Ni-ZAA setelah pemakaian pada Suhu Hidrocracking 550oC
Regenerasi dengan pemanasan dilakukan pada suhu 130oC selama 2 jam dilanjutkan dengan menaikkan suhu 550oC selama 5
Gambar 3. Diagram perbandingan keasaman katalis Ni-ZAA
disertai oksidasi-reduksi dilakukan dengan mengalirkan gas O2 pada proses oksidasi
dengan laju alir 4 mL/mnt dan 350oC dan dilanjutkan dengan proses reduksi dengan mengalirkan gas H2. Katalis yang
diregenerasi berasal dari pemakaian hidrocracking suhu 550oC. Hasil proses regenerasi ini dapat dilihat pada Gambar 3.
Diagram pada Gambar 3 memperlihakan proses regenerasi katalis Ni-ZAA berjalan dengan baik karena nilai keasaman katalis
meningkat setelah dipakai untuk
hidrocracking. Disini terlihat pada nilai keasaman sebelum dipakai hidrocracking sebesar 3,3674 mmol/g turun menjadi 0,8567 mmol/g setelah dipakai untuk hidrocracking. Setelah katalis Ni-ZAA di regenerasi dengan pemanasan meningkat dari 0,8567 mmol/g menjadi 1,1204
mmol/g. Pada regenerasi dengan
pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi katalis juga mengalami peningkatan keasaman dari 0,8567 mmol/g menjadi 1,5973 mmol/g.
Penurunan Keasaman Katalis Ni-ZAA Pada Suhu Hidrocracking 550oC Setelah Diregenerasi
Persentasi penurunan keasaman katalis Ni-ZAA pada suhu hidrocracking 550oC
Gambar 4. Penurunan Keasaman Katalis Ni-ZAA Pada Hidrocracking 550oC
Gambar 4 menunjukkan penurunan
keasaman katalis setelah dipakai
hidrocracking. Katalis awal Ni-ZAA sebelum dilakukan regenerasi penurunan
keasaman yaitu 74,56%, setelah
diregenerasi dengan pemanasan dan dipakai untuk hidrocracking minyak jarak pagar penurunan keasaman sebesar 40,34%, dan persentasi penurunan keasaman katalis setelah regenerasi pemanasan yang disertai oksidasi reduksi yaitu 17,55%. Hal ini disebabkan karena berkurangnya situs aktif asam pada katalis.
Berkurangnya situs aktif asam bronsted dan asam lewis ini dikarenakan masih adanya kation-kation pada struktur non kerangka zeolit terutama kation-kation monovalen yang menyebabkan deaktivasi situs-situs asam aktif pada kerangka zeolit.
Pengaruh Variasi Temperatur
Hidrocracking Terhadap Viskositas Produk Hidrocracking Minyak Jarak Pagar
Minyak jarak pagar di hidrocracking pada variasi temperatur 200, 350, 450 dan 550oC, laju alir gas hidrogen 4 mL/mnt dan berat katalis 5 g. Data yang diperoleh dari hubungan temperatur terhadap viskositas produk minyak jarak pagar dapat dilihat pada Gambar 5.
Pada Gambar 5 menunjukkan bahwa viskositas produk hidrocracking menurun tajam yang disertai dengan semakin tinggi temperatur hidrocracking.
Gambar 5. Pengaruh temperatur hidrocracking terhadap viskositas produk.
Viskisitas terbaik produk hidrocracking tercapai pada temperatur 550oC yaitu
sebesar 0,0293 poise. Hal ini
menggambarkan bahwa pada temperatur 550oC terjadi pemutusan rantai hidrokarbon yang panjang menjadi rantai hidrokarbon yang lebih pendek. Rantai hidrokarbon
yang lebih pendek menyebabkan
pergeseran antar lapisan molekul menjadi lebih sedikit dan viskositas menjadi lebih rendah.
Nilai viskositas minyak jarak pagar sebelum hidrocracking lebih besar dibandingkan sesudah hidrocracking. Hal ini disebabkan karena rantai hidrokarbon yang panjang pada minyak jarak pagar sebelum hidrocracking memiliki gaya gesek yang lebih besar dibandingkan dengan rantai hidrokarbon yang lebih pendek pada minyak jarak pagar sesudah hidrocracking.
Regenerasi Katalis Ni-ZAA Yang Digunakan Hidrocracking Pada Suhu 550oC
Katalis dalam proses hidrocracking
sangat berpengaruh pada produk
hidrocracking minyak jarak pagar. Agar katalis dapat di pakai secara berulang maka dilakukan regenerasi, dari hasil regenerasi dapat dilihat hasilnya pada viskositas produk hidrocracking minyak jarak yaitu pada Gambar 6.
Gambar 6. Perbandingan viskositas produk
hidrocracking minyak jarak pagar Produk 1 menggunakan Katalis Ni-ZAA, Produk 2 menggunakan Katalis Ni-ZAA
setelah proses Regenerasi dengan
pemanasan, produk 3 menggunakan Katalis Ni-ZAA setelah proses regenerasi dengan pemanasan yang disertai oksidasi reduksi.
Gambar 6 memperlihatkan bahwa proses hidrocracking pada temperatur 550oC berjalan dengan baik karena produk hidrocracking lebih rendah dari nilai viskositas minyak jarak pagar.
Pada kondisi temperatur hidrocracking 550oC produk 1, 2 dan 3 mempunyai nilai viskositas masing-masing sebesar 0,0293 ; 0,0214 dan 0,0188 poise. Nilai viskositas terbaik didapat oleh produk 3.
Produk 2 dan 3 yang menggunakan katalis hasil regenerasi mempunyai viskositas yang lebih baik dibandingkan dengan produk 1, hal ini dikarenakan karena katalis yang dipakai pada produk 1 menggumpal sehingga luas permukaan
katalis menjadi lebih kecil dan
menyebabkan kerja katalis menjadi tidak efisien.
Pengaruh Suhu Hidrocracking Terhadap Densitas Produk Hidrocracking Minyak Jarak Pagar
Temperatur merupakan variabel penting dalam proses hidrocracking. Proses hidrocracking hanya dapat berlangsung pada suhu tinggi. Data yang diperoleh dari hubungan temperatur terhadap densitas
Gambar 7. Pengaruh temperatur hidrocracking terhadap densitas produk
produk minyak jarak pagar diperlihatkan pada Gambar 7.
Gambar 7 memperlihatkan bahwa nilai densitas produk hidrocracking menurun yang disertai dengan semakin tinggi temperatur hidrocracking. Densitas paling rendah dicapai pada temperatur 550oC dengan nilai 0,8619 g/mL. Ini menunjukkan bahwa kondisi hidrocracking terbaik dicapai pada temperatur 550oC.
Proses hidrocracking merupakan proses pemutusan hidrokarbon rantai panjang menjadi hidrokarbon rantai yang lebih pendek sehingga produk yang dihasilkan memiliki berat molekul yang lebih kecil dari bahan awalnya. Oleh karena itu berat molekul sebanding dengan densitas, maka
yang diinginkan adalah produk
hidrocracking yang mempunyai nilai lebih rendah. Temperatur yanng sangat tinggi mengakibatkan energi kinetik reaktan semakin besar sehingga menyebabkan tumbukan-tumbukan dengan permukaan katalis juga semakin besar.
Pengaruh Regenerasi Katalis Ni-ZAA Hidrocracking Suhu 550oC Terhadap Densitas Produk Hidrocracking Minyak Jarak Pagar
Gambar 8. Perbandingan Densitas produk
hidrocracking minyak jarak pagar.
setelah proses Regenerasi dengan
pemanasan, produk 3 menggunakan Katalis Ni-ZAA setelah proses regenerasi dengan pemanasan yang disertai oksidasi reduksi.
Katalis yang digunakan pada temperatur hidrocracking 550oC diregenerasi dan dipakai untuk hidrocracking pada kondisi yang sama. Dalam penelitian ini ditentukan nilai densitas dari minyak pagar sebelum hidrocracking untuk di bandingkan dengan densitas produk hidrocracking pada temperatur 550oC. Data yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8 memperlihatkan bahwa
penggunaan katalis Ni-ZAA dan hasil regenerasi setelah dipakai hidrocracking
menghasilkan produk hidrocracking
dengan densitas yang lebih rendah dibandingkan minyak jarak pagar sebelum hidrocracking. Densitas terbaik yaitu dengan menggunakan katalis Ni-ZAA setelah proses regenerasi dengan cara pemanasan yang disertai oksidasi reduksi dengan nilai 0,8302 g/mL.
Sisi aktif katalis heterogen hanya terdapat pada permukaan, hal ini yang memungkinkan efisiensi katalis yang dipakai untuk menghasilkan produk 1 kurang baik dibandingkan dengan katalis yang dipakai untuk menghasilkan produk 2 dan 3. Karena katalis yang pertama menggumpal sehingga luas permukaan katalis semakin kecil sehingga kinerja katalis kurang efisien. Katalis hasil regenerasi tidak menggumpal, semakin kecil partikel semakin besar permukaannya.
UCAPAN TERIMAKASIH
Ucapan terimakasih ditujukan kepada DIKTI yang telah mendanai penelitian ini melalui skema Hibah Unggulan PT tahun 2011.
KESIMPULAN
Hasil penelitian menunjukkan nilai terbaik viskositas dan densitas pada temperatur hidrocracking 550oC dengan nilai viskositas 0,0293 poise dan densitas 0,8619 g/ml. Nilai keasaman katalis sebelum digunakan hidrocracking adalah
3,3674 mmol/g, setelah digunakan
hidrocracking nilai keasaman pada temperatur hidrocracking 550oC sebesar 0,8567 mmol/g, setelah diregenerasi dengan pemanasan nilai keasamannya adalah 1,1204 mmol/g. Sedangkan regenerasi pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi nilai keasamannya yaitu 1,5973 mmol/g. Katalis Ni-ZAA setelah regenerasi pemanasan yang disertai oksidasi-reduksi dipakai kembali pada proses hidrocracking
menghasilkan produk dengan nilai
viskositas dan densitas 0,0188 poise dan 0,8302 g/ml. Katalis hasil regenerasi ternyata masih mampu bekerja secara efektif dilihat dari kemampuannya untuk reaksi hidrocracking.
SARAN
Perlu dilakukan analisa lebih lanjut mengenai porositas katalis Ni-zeolit alam aktif, kalor pembakaran, indeks bias dan dan analisa dengan kromatografi
gas-spektroskopi massa (GC-MS) guna
melengkapi spesifikasi katalis Ni-ZAA dan produk hidrocracking yang dihasilkan
DAFTAR PUSTAKA
Hambali, E., dkk., 2006, Jarak Pagar Tanaman Penghasil Biodisel, Penebar Swadaya, Jakarta.
Benito. A. M., & Martinez. M. T., 1996.,
Catalytic Hidrocracking of an
Asphaltenic Coal Residue, Energy and Fuel, 10, 1235-1240.
Li. D., Xu. H., and Guthrie. G.D., 2000, Zeolite Supported Ni and Mo Catalyst for Hidrotreatments; II. HRTEM Observations, J. Catal, 189,281-269. Hegedus. L. L., 1999, catalyst design
Progress and Persfective, John Willey &
Sons Inc. New York
Rakhmat, A. Fanani,Z. , dan Hasanudin, 2006, Hidrocracking Tir Batu Bara dengan Katalis Cr/Mo-ZAA, Laporan Penelitian, Lembaga Penelitian UNSRI Oudejans, JC, 1984, zeolite Catalyst in
Some Organic Reaction, supported by Netherlands Foundation For Chemical Research (SON), Holland.
