KONVERSI METHANA MENJADI FORMALDEHID DENGAN KATALIS MoO /ZEOLIT

(1)

PROSIDING

SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : 1411 - 4216

KONVERSI METHANA MENJADI FORMALDEHID

DENGAN KATALIS MoO /ZEOLIT

3

Susilowati

Jurusan Teknik Kimia–FTI UPN”Veteran” Jawa Timur

Jl.Raya Rungkut Madya Gunung Anyar ,Surabaya 60294

Telp.031(8782179) E-mail:[email protected]

Abstrak

Methana sebagai hidrokarbon yang terkandung dalam gas alam, akhir-akhir ini banyak diupayakan untuk diubah menjadi produk-produk petrokimia yang memiliki nilai tambah, salah satunya adalah formaldehid. Pemanfaatan gas methan untuk diubah menjadi formaldehid

diharapkan mampu menambah nilai ekonomis dari gas alam, yang tersedia melimpah di bumi Indonesia. Perubahan gas methan menjadi formaldehid melalui proses reaksi oksidasi parsial

katalitik, yang umumnya menggunakan katalis molibdenum-silika atau katalis logam lainnya. Disisi lain kita mengenal zeolit sebagai material amorf yang cukup efektif menyediakan site cavities bagi reaksi-reaksi hidrokarbon pada umumnya. Penelitian ini bertujuan mempelajari kinetika reaksi oksidasi katalitik methana menjadi formaldehid. Aliran gas reaktan yang terdiri dari oksigen murni dan gas methane dimasukkan dalam reaktor fixed bed yang berisikan 30 gram katalis MoO /zeolit. Zeolit yang digunakan berasal dari lampung merupakan penyangga sebelumnya dilakukan preparasi lebih dahulu. Pendispersian oksida logam dilakukan dengan impregnasi. Reaktan gas dialirkan ke reaktor dengan perbandingan rate 20:1 serta memvariasikan temperatur operasi dan aliran gas reaktannya. Tekanan atmosferik. Produk utama yang dihasilkan yaitu formaldehid selain itu juga ada CH OH, CO, CO ,H O. Produk-produk tersebut dianalisa dengan menggunakan Gas Chromatography. Hasil penelitian menunjukkan konversi methana dicapai sekitar 5,18 %. Pada kondisi yang dicoba semakin kecil laju reaktan masuk ke reaktor maka konversi methana meningkat, demikian pula makin besar temperatur operasi maka konversi methana meningkat, tetapi selektivitas formaldehid menurun.

3

3 2 2

Kata kunci : gas alam, zeolit

Pendahuluan

Zeolit adalah katalis asam yang cukup menarik untuk terus diselidiki dan dikaji unjuk kerjanya dalam mengkatalisis reaksi-reaksi hidrokarbon. Hal ini dikarenakan sifat zeolit yang umumnya cocok sebagai katalis ataupun sebagai support katalis. Kecocokan ini disebabkan karena struktur dari zeolit yang umumnya menyediakan site cavities yang efektif bagi beberapa reaksi kimia, disamping ketahanan yang tinggi dari zeolit terhadap temperatur yang tinggi. Di Indonesia ketersediaan zeolit ada dalam jumlah deposit yang cukup besar. Akan tetapi pemanfaatanya masih belum begitu meluas. Methana adalah suatu senyawa hidrokarbon yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Pemanfaatan utama methana saat ini adalah sebagai bahan bakar, akhir-akhir ini terus dikembangkan sebagai bahan sintetik gas dan juga produk-produk petrokimia yang lainnya. Sehubungan dengan sangat berlebihan dan murahnya methana mendorong orang untuk mengubahnya menjadi produk lain yang memiliki nilai tambah. Yang sekarang ini telah dilakukan adalah mengubah kembali uap methana menjadi syngas, mengubah syngas menjadi methanol dan kemudian mengubah methanol menjadi bahan-bahan kimia yang lebih bermanfaat misalnya, methanol dapat dioksidasi menjadi formaldehide melalui proses katalitik yang komersial. Formaldehid dikenal sebagai bahan mentah bagi pabrik-pabrik bahan isolasi dan bahan perekat. Pada umumnya Industri formaldehid menggunakan katalis logam Fe dan Mo, karena katalis logam tersebut lebih toleran terhadap kontaminan-kontaminan sehingga banyak diaplikasikan dalam industri.

Tinjauan Pustaka

Reaksi oksidasi partial methana menjadi formaldehid pernah dilakukan oleh Spencer (1987). Melalui eksperimennya spencer mereaksikan gas methana dan oksigen dengan perbandingan molar 19:1 sampai 6:1 pada tekanan 1 atm. Gas dialirkan melewati katalis MoO3/siO2 pada varibel temperatur 848oK s/d 9239K dan

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK B-10-1

(2)

kecepatan gas (GHSV) 2500-10000 perjam. Hasil ekperimen Spencer menunjukkan bahwa methana yang terkonversi sekitar 0-5 %, sedangkan selektivitas formaldehid antara 30-89%. Serta diketahui juga mekanisme reaksi oksidasi methana menjadi formaldehid berorde 1 terhadap methana, dengan persamaan reaksi sebagai berikut : k1 CH4 + O2 HCHO + H2O k2 HCHO + 1/2 O 2 CO + H O 2 k 3 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian dilakukan dengan beberapa tahapan sebagai berikut : a.Preparasi katalis.

Penyangga yang digunakan adalah zeolit alam dari lampung dengan ukuran partikel lolos ayakkan 100 mesh. Untuk meningkatkan aktivitas dan luas permukaannya perlu dilakukan aktivasi yaitu pembuatan H-zeolit. Zeolit tersebut dicampur dengan larutan NH4NO3 lalu distirer. Kemudian disaring dan dicuci dengan aquadest, selanjutnya dikeringkan dalam oven dan kemudian dikalsinasi.

b.Impregnasi.

Membuat larutan dari garam Ammonium Heptamolibdat ditambahkan H-zeolit selanjutnya distirer. Lalu diuapkan dalam water bath sambil diaduk sampai berbentuk pasta, selanjutnya dikeringkan dalam furnace lalu dikalsinasi sambil dialiri gas N2 dengan aliran kecil.

c.Karakterisasi katalis.

Untuk mengetahui hasil preparasi katalis yang baik maka perlu dilakukan karakterisasi. Uji karakterisasi menggunakan sinar X dan AAS (Atomic Absorption Spectrophotometri)

d.Reaksi okasidasi methana. e.Analisa hasil

Produk yang dihasilkan kemudian dianalisa dengan menggunakan Gas Chromatography.(GC).

2 5 6 1 10 7 11 4 3 8 9 12

Gambar 1 Keterangan Gambar 1:

1. Tabung gas methana 7. Thermokopel 2. Flow meter aliran methana 8. Thermoset

3. Tabung Gas O2 9. Display temperatur 4. Flow meter aliran gas O 2 10. Pengambilan sampel gas 5. Reaktor furnace 11. Kondensor

6. Ruang katalis 12. Penampung sampel liquid.

(3)

Variabel Percobaan :

a. Temperatur operasi : 300oC ,400 oC,500 oC,600 oC,650 oC b. Rate aliran gas methan : 1 lt/mt ; 1,5 lt/mt ; 2 lt/mt; 2,5 lt/mt ; 3 lt/mt Hasil dan Diskusi.

Gambar 2 : Zeolit Impregnasi

Pada pola difraktogram hasil impregnasi tersebut diatas terlihat pada sudut 2 theta yaitu 23,4 ; 25,7 ; 26, 1 dan 27, 4 . Keempat sudut ini merupakan peak-peak yang tinggi dan menyatakan adanya logam Mo. Tetapi yang tertinggi pada sudut 27,4 . Setelah dilakukan uji AAS kandungan Mo diketahui sebesar 11,43 %.

o

o o o

o

Zeolit alam dari Lampung yang telah di BET kan diketahui luas permukaannya 44,21 m /g , sedangkan H-zeolit luas permukaannya 90,17 m /g.

2 2

(4)

Gambar 3. diatas, bahwa hasil Chromatogram pada T=400 C didapat methana keluar pada retensi waktu 3,86 , disusul formaldehid pada waktu 5,14 dan uap air pada waktu 8,21 menit.

o

dengan fraksi volume yang didapat berturut-turut : 97, 930 ; 0,901; 1,169%

T[Celcius] 0 1 2 3 4 5 6 0.0 1.0 2.0 3.0

τ

[10000.Jam] X-CH4[%]

300

400

500

600

Gambar 4. Hubungan antara Konversi CH4 (%) dengan τ (10000.Jam) pada berbagai Temperatur Reaktor.

Gambar 4, terjadi kenaikkan konversi methana dengan adanya penambahan waktu tinggal didalam reaktor. Hal ini disebabkan terjadi reaksi oksidasi yang sempurna didalam reaktor. Selanjutnya pada gambar diatas juga menunjukkan meningkatnya konversi methana dengan adanya kenaikkan temperatur,. Hal ini kemungkinan disebabkan pada temperatur yang tinggi aktifitas katalis lebih efektif .

(5)

T[Celcius] 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 1 2

τ

[10000.Jam] CHOH[%}

300

400

500

600

3

Gambar 5. Hubungan antara CHOH (%) yang terbentuk dengan τ (10000.jam) pada berbagai Temperatur Reaktor.

Pada Gambar 5, terjadi kenaikkan formaldehid seiring dengan bertambahnya τ, kemudian cenderung stabil. Kestabilan ini disebabkan karena keterbatasan volume katalis sehingga katalis tidak mampu lagi melaksanakan proses oksidasi. Gambar diatas juga menunjukkan bahwa pada temperatur yang rendah katalis lebih aktif dalam pembentukan formaldehid. Namun ketika temperatur dinaikkan akan terjadi penurunan aktifitas katalis dalam memproduksi formaldehid. Hal ini disebabkan kemungkinan juga adanya reaksi oksidasi berkelanjutan dengan membentuk senyawa-senyawa lain seperti CO, CO2 dan CH3OH.

T [ C e l c i u s ] 0. 0 0 0. 0 2 0. 0 4 0. 0 6 0. 0 8 0. 1 0 - 1 2 τ[1 0 00 0 .J a m] -Ln(CH4/CH4o) 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 3

Gambar 6. Hubungan antara ln (CH4/CH4o) versus τ

Dari Gambar 6., tampak untuk semua run percobaan didapat garis lurus dengan kesalahan rata < 9%. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa reaksi oksidasi katalik yang dipelajari adalah reaksi orde 1 terhadap methana.

Kesimpulan

1. Dari hasil reaksi oksidasi methana menjadi formaldehid didapat konversi tertinggi CH4 sebesar 5,18% 2. Reaksi oksidasi katalik yang dipelajari adalah reaksi orde 1 terhadap methana.

(6)

DAFTAR NOTASI

GHSV = Laju reaktan masuk per jam per volume katalis ,

katalis 3 M jam / gas 3 M = (1/ jam ). τ = waktu tinggal (1/GHSV) D = Diameter Reaktor (cm) L = Panjang Reaktor (cm) X = Konversi (%) DAFTAR PUSTAKA

1. Bruce C Gate., "Catalytic Chemistry"., John Wiley & Sons Inc, New York , 1991.

2. Chun, Jin Woo and Anthony Rayford G., "Catalytic Oxidation of Methane toMethanol" , Ind. Chemical Engineering Journal , Vol. 32, 1993.

3. H. Husni., "Kajian Awal Regenerasi Katalis Besi Molibdenum Oksida", Prosiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia, 2000.

4. H.S Fogler., "Element of Chemical Reaction Engineering" , 2 , 1994. ed

5. Nasikin Mohammad., " Aktivasi dan Stabilitas H-zeolit alam Lampung padasynthesis etilen dari etanol",

Proseding Seminar Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia FTI ITS, Nopember 1998.

6. Othmer Kirk., "Chemical Engineering Enciclopedia", Volume 11 dan 12, Mc Graw Hill Book Company, Singapore 1978.

7. Octave levenspiel., "Chemical Reaction Engineering",2th ed, John Wiley, New York 1992.

8. Spencer N.D., Pereira C.J. , " Partial Oxidation of Methane to Formaldehide overMoO -SiO Catalyst : A Kinetik Study", AICHE Journal, Vol. 33, No.11, November 1987.

3 2

9. Smith J.M. and Van Ness H.C., " Introduction to Chemical EngineeringThermodinamic"., 5th ed., Mc Graw Hill Companie, Inc.

10. Sutarti Mursi, Rachmawati Minta, "Zeolit, Tinjauan Literatur", Pusat Dokumentasi dan Informasi Ilmiah LIPI , 1994.

11. Wu Hsun Cheng, "Metanol and Formaldehyde Oxidation Study over MolybdenumOxide", Journal of Catalyst 158, 1996.