3 METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat 3.2 Bahan dan Alat 3.3 Metodologi

23 3.1 Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan mulai bulan November 2010 – April 2011 di Laboratorium SBRC-LPPM IPB Bogor, Laboratorium & Technical Service Pertamina, Puslabfor Mabes Polri, Laboratorium Teknik Kimia UI, Laboratorium Terpadu Pusat Penelitian dan Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan.

3.2 Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah NaOH, KOH, kaolin, tawas, HCl, Aluminium nitrat, Aluminium oksida, zeolit alam ukuran 3 mm dan bubuk ukuran 150 mesh (CV. Transindo Utama-Bandung), zeolit sintetis 3A, bioetanol, etanol absolut, aqua DM, dan bahan kimia lainnya.

Peralatan yang digunakan adalah satu set alat destilasi, kolom dehidrasi, timbangan, hot plate, oven, tanur, termometer, magnetic stirrer, batang pengaduk,

Stirrer-heater, pompa vakum, corong buchner, erlenmeyer, GC (Gas Chromatography) Agilen 6890N Detektor FID 250oC, Quantacrom Autosorb-6

Surface Area and Pore Size Analyzer, X-Ray Diffractometer (XRD-7000

MAXima.X Shimadzu), XRF PAN-analytical AXIOS, Density meter DMA 4500M Anton Paar, Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) tipe EVO 50 (Lampiran 1), peralatan gelas dan pendukung lainnya.

3.3 Metodologi

3.3.1 Modifikasi zeolit alam

Zeolit yang digunakan diperoleh dari daerah Bayah, Provinsi Banten. Bentuk dan ukuran zeolit yang digunakan adalah pasir (3 mm) dan bubuk (150 mesh). Proses modifikasi dilakukan melalui 2 cara. Cara pertama dilakukan dua tahap : (1) Asidifikasi, dan (2) Realuminasi, sedangkan cara kedua melalui aluminasi langsung.

3.3.1.1 Metode asidifikasi-realuminasi 3.3.1.1.1 Asidifikasi

Proses ini dilakukan dengan memanaskan zeolit alam ukuran 150 mesh pada suhu 50oC menggunakan larutan HCl 1,5 M dengan perbandingan 150 g zeolit/1500 mL HCl (1 : 10) selama 5 jam sambil diaduk. Hasil yang diperoleh kemudian disaring, dicuci dengan aqua DM, lalu dikeringkan semalam pada suhu 120oC (Narayana & Murray 1992).

3.3.1.1.2 Realuminasi

Zeolit yang diperoleh pada tahap I dikalsinasi pada 500oC selama 2 jam. Zeolit yang telah dikalsinasi tersebut ditimbang sebanyak 100 gram, di-slurry dalam 2L aqua DM. Kemudian ditambahkan 60 g NaOH (dalam 100 mL Aqua DM) dan dipanaskan pada suhu 50o_{C selama 40 menit (Kuznicki et al. 2002).} Selanjutnya ditambahkan Al2O3 34 g (dalam 50 mL Aqua DM) dan Al(NO3)3 250 g (dalam 100 mL Aqua DM). Lalu dipanaskan lagi pada suhu 95oC (± 4 jam). Hasil yang diperoleh disaring menggunakan penyaring vakum, dicuci dengan aqua DM (sebanyak 2000 mL), dikeringkan semalam pada suhu 110oC, dan terakhir dikalsinasi kembali selama 3 jam pada 500oC. Diagram alir proses sintesis ZAM1 dapat dilihat pada Gambar 6.

3.3.1.2 Metode aluminasi langsung

Metode aluminasi langsung dilakukan tanpa proses asidifikasi terlebih dahulu. Disini sumber alumina yang digunakan langsung ditambahkan ke dalam campuran reaksi. Sumber alumina yang digunakan adalah aluminium oksida, aluminium nitrat, tawas, dan kaolin. Perbandingan komposisi kimia dari bahan-bahan yang digunakan disesuaikan dengan perbandingan dari komposisi kimia yang ada dalam zeolit sintetis 3A dan modifikasi dari metode Vaughan (1985) dan Kuznicki et al. (2002). Diagram alir proses sintesis ZAM2 sampai ZAM6 dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 7 Diagram alir proses sintesis ZAM2 sampai ZAM6.

Proses sintesis ZAM2 merupakan perpaduan metode dari Plee (1992) dengan metode yang dikembangkan oleh Kuznicki et al. (2002), Tissler et al. (1992), Vaughan (1985), dan Leonard (1981). Sementara itu, ZAM2 – ZAM5 menggunakan metode yang dilakukan Vaughan (1985) yang dipadukan dengan metode yang dikembangkan Kuznicki et al. (2002), sedangkan ZAM6 terdapat penambahan tahapan proses yang tidak terdapat dalam metode Kuznicki et al. (2002), Pfeninger (1999), Tissler (1992), Vaughan (1985), maupun Leonard (1981).

3.3.2 Karakterisasi zeolit termodifikasi 3.3.2.1 Zeolit alam modifikasi 1 (ZAM1)

Analisis komposisi kimia terhadap ZAM1 dilakukan menggunakan metode XRF (X-Ray Fluorescence) menggunakan peralatan XRF PAN-analytical AXIOS. Analisis distribusi pori yang meliputi luas permukaan, volume pori, dan diameter pori dilakukan menggunakan alat Autosorb-6 Surface Area and Pore Size

Analyzer Quantacrom. Prinsip pengukuran distribusi pori berdasarkan adsorpsi

gas pada sampel zat padat (misal : zeolit). Metode pengukuran dilakukan melalui proses penghilangan gas-gas yang terserap (degassing) pada suhu 200-300oC. Pendinginan pada suhu 77,4 K menggunakan nitrogen cair dalam jumlah yang telah diketahui, sedangkan tekanan diukur pada keadaan setimbang.

3.3.2.2 Zeolit alam modifikasi 2 sampai 6 (ZAM2 – ZAM6)

Analisis komposisi kimia terhadap ZAM2 sampai ZAM6 dilakukan menggunakan metode EDX (Energy Dispersive X-Ray) menggunakan peralatan EDX Bruker 133 eV Quantax 200, sedangkan bentuk permukaan dan ukuran unit partikel sampel zeolit difoto menggunakan SEM EVO 50 ZEISS. Identifikasi unsur-unsur dalam sampel didasarkan pada energi elektron yang dihasilkan sampel setelah ditembakkan dengan sinar-X. Image data yang diperoleh dengan SEM digunakan sebagai data dasar untuk pengukuran komposisi kimia sampel menggunakan metode EDX.

Sementara itu, struktur dan kemurnian kristal sampel zeolit ditentukan menggunakan XRD (X-Ray Diffraction). Metode yang dilakukan dengan mengukur intensitas difraksi sinar-X yang dipantulkan setelah bertumbukan dengan sampel zeolit pada sudut 2θ dengan range 3 – 65 derajat menggunakan panjang gelombang Cu. Pola difraksi sinar-X sampel, diperoleh dengan memplotkan sudut 2θo _{terhadap intensitas relatif sampel zeolit yang diperoleh.}

Analisis distribusi pori yang meliputi luas permukaan, volume pori, dan diameter pori dilakukan menggunakan alat Autosorb-6 Surface Area and Pore

Size Analyzer Quantacrom (lihat metode ZAM1).

3.3.3 Aplikasi zeolit termodifikasi dalam dehidrasi bioetanol

Bioetanol yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari PT. NNE, dari daerah Subang, Jawa Barat yang memiliki kisaran konsentrasi 90 - 95%.

Dehidrasi dilakukan menggunakan metode destilasi dan metode perendaman (batch adsorption).

3.3.3.1 Metode Destilasi

Percobaan dilakukan menggunakan zeolit alam modifikasi 1 (ZAM1), zeolit alam (ZA), dan zeolit komersil 3A (Z3A). Dehidrasi menggunakan metode destilasi dilakukan dengan memanaskan etanol sampai membentuk fase uap. Selanjutnya dilewatkan melalui kolom yang berisi ZAM1, ZA, dan Z3A. Pada percobaan ini diharapkan molekul-molekul air yang berukuran lebih kecil akan masuk ke dalam pori-pori zeolit tersebut, sedangkan molekul etanol yang lebih besar akan ditolak oleh molekul zeolit. Molekul etanol yang ditolak oleh zeolit dialirkan ke dalam kondensor untuk dikondensasi menjadi etanol dalam bentuk cair dengan bantuan pompa vakum. Suhu dan tekanan yang digunakan berturut-turut adalah 65oC dan 254 mmHg. Rancangan peralatan dehidrasi dengan cara destilasi yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut :

Keterangan : 1 = pemanas listrik, 2 = labu leher tiga, 3 = termometer, 4 = kolom, 5 = sampel zeolit, 6 = adapter, 7 = kondensor, 8 = sambungan ke pompa vakum, 9 = adapter vakum, 10 = botol penampung, 11 = penyangga hidrolik.

Gambar 8 Rangkaian peralatan proses dehidrasi bioetanol sederhana. Diagram alir proses dehidrasi menggunakan metode destilasi dapat dilihat pada Gambar 9. Analisis terhadap kadar bioetanol hasil proses dehidrasi dilakukan menggunakan alat GC (Gas Chromatography) Agilen 6890N Detektor FID 250oC.

Gambar 9 Diagram alir proses dehidrasi menggunakan metode destilasi. 3.3.3.2 Metode Perendaman (Batch Adsorption)

Dehidrasi menggunakan metode adsorpsi dilakukan menggunakan ZAM2, ZAM3, ZAM4, ZAM5, ZAM6, dan ZA serta Z3A sebagai pembanding. Perbandingan massa zeolit terhadap bioetanol yang digunakan pada proses dehidrasi adalah ± (1 : 2) (satuan g).

Percobaan pertama (A) menggunakan bioetanol berkadar 90%. Proses adsorpsi dilakukan melalui perendaman zeolit dalam bioetanol selama 24 jam. Percobaan kedua (B) menggunakan bioetanol berkadar 95%. Proses adsorpsi dilakukan dengan pengadukan selama 1 jam pada suhu 55oC, selanjutnya didestilasi pada 75oC selama ± 30 menit. Zeolit bekas pada proses pertama dan kedua diregenerasi (diaktivasi kembali) untuk digunakan pada proses dehidrasi selanjutnya. Diagram alir proses dehidrasi melalui metode perendaman dapat dilihat pada Gambar 10.

Pengamatan dilakukan terhadap persentase kenaikan kadar bioetanol (PKB) dan kapasitas adsorpsi zeolit terhadap air dalam bioetanol (KAZ). Persentase kenaikan kadar bioetanol (PKB) dapat dihitung menggunakan persamaan 1, sedangkan perhitungan persentase kapasitas adsorpsi zeolit terhadap air dalam bioetanol (KAZ) dilakukan menurut prinsip kesetimbangan massa (persamaan 2).

Persentase Kenaikan Kadar Bioetanol (PKB) (%)

PKB = (% akhir - % awal)_{% awal} x 100% ………... (1)

Kapasitas Adsorpsi Air dari Zeolit (KAZ) (%)

KAZ = Ka awal −Ka akhir_{m Zeolit} x 100% ... (2) Kadar air awal dan akhir dalam sampel bioetanol dapat dihitung menggunakan persamaan 3 dan 4.

Ka awal = 100−%B awal₁₀₀ x mB awal ... (3) Ka akhir = 100−%B akhir₁₀₀ x mB akhir ... (4) dimana :

Ka = kadar air (g)

%B = persentase bioetanol (%) mB = massa bioetanol (g)

Kadar bioetanol setelah proses adsorpsi diukur menggunakan density meter DMA 4500M Anton Paar dengan metode % v/v 01ML-ITS-90 dan suhu 20oC. Prinsip pengukuran berdasarkan perbandingan densitas terhadap sampel standar yang telah tersimpan pada alat setelah dikalibrasi. Pengukuran densitas didasarkan pada pengukuran elektronik frekuensi osilasi dari densitas yang dihitung. Sampel dimasukkan ke dalam tabung osilator berbentuk U. Volume sampel yang telah diukur dengan tepat mempunyai peran dalam osilasi, sehingga nilai pengukuran massa sampel dapat digunakan untuk menghitung densitas.

3.3.3.3 Analisis statistik data proses dehidrasi

Analisis statistik dilakukan terhadap proses dehidrasi pada metode perendaman, menggunakan rancangan acak lengkap (RAL) faktorial, sedangkan percobaan dehidrasi menggunakan metode destilasi menggunakan ZAM1 tidak diuji secara statistik. Percobaan terdiri dari dua faktor yaitu jenis zeolit (Z), dan

pemakaian zeolit (P) dengan dua taraf (baru/awal dan reuse/regenerasi) dengan 3 kali ulangan. Uji lanjut Duncan dilakukan untuk melihat pengaruh perlakuan parameter terhadap peningkatan kadar bioetanol dan kapasitas adsorpsi zeolit terhadap air dalam sampel bioetanol.

Data proses dehidrasi menggunakan ZAM2 sampai ZAM6 dianalisis menggunakan bantuan software SAS versi 9.2. Model untuk RAL yang digunakan adalah sebagai berikut (Sastrosupadi 1995) :

Yijk = µ + Ai + Bj + (AB)ij + εijk

i = (zeolit alam, zeolit alam modifikasi : ZAM2, ZAM3, ZAM4, ZAM5, ZAM6, zeolit 3A sintetis)

j = pemakaian zeolit (baru/awal dan reuse/regenerasi) dimana :

Yijk = nilai pengamatan akibat faktor A (jenis zeolit) taraf ke i, faktor B (pemakaian zeolit) taraf ke j, dan ulangan ke k.

µ = rata-rata nilai pengamatan yang sesungguhnya Ai = pengaruh aditif jenis zeolit ke-i

Bj = pengaruh aditif pemakaian zeolit ke-j

(AB)ij = pengaruh interaksi antara jenis zeolit ke-i dan pemakaian zeolit ke-j

εijk = pengaruh acak dari jenis zeolit ke-i, pemakaian zeolit ke-j, dan ulangan ke-k yang menyebar normal