ACTIVITY TEST OF NiPd/NATURAL ZEOLITE CATALYST FOR HYDROCRACKING OF POLYPROPYLENE TO GASOLINE FRACTION BY FLOW SYSTEM REACTOR
By
I.F. Nurcahyo1, Wega Trisunaryanti2, Triyono2, Endang Tri Wahyuni2
1Department of Chemistry, Faculty of Mathematic and Natural Science, Sebelas Maret University Surakarta
2Department of Chemistry, Faculty of Mathematic and Natural Science, Gadjah Mada University Yogyakarta
ABSTRACT
The hydrocracking of PP to become gasoline fraction had been carried out. The aims of research were to study the influence of temperature and weight ratio of catalyst:
feed toward catalyst activity. The hydrocracking was carried out at 300, 350, 400, 450 and 500oC. Weight ratio of catalyst: feed are 1/2, 1/4 and 1/6. The feed for hydrocracking was taken out from a 150-250oC fraction of pyrolyzed liquid product of polypropylene.
The product of hydrocracking was analyzed by GC and GC-MS. The result of research showed that the highest activity of catalyst was achieved at 500oC and the weighty ratio of catalyst: feed = 1/2. The Optimum of gasoline fraction was achieved at 450oC and the weighty ratio of catalyst: feed = 1/2.
Key word: catalyst, hydrocracking, polypropylene, NiPd/natural zeolite
PENDAHULUAN
Perengkahan berbagai jenis plastik telah banyak dilakukan orang, baik dengan perengkahan secara termal maupun perengkahan secara katalitik. Uemichi dalam sakata (1999) melaporkan bahwa perengkahan polipropilena pada temperatur 420-550oC dalam reaktor tipe alir menggunakan katalis asam dihasilkan produk utama yaitu senyawa hidrokarbon fasa cair. Saito dalam sakata (1999) telah melakukan penelitian tentang perengkahan dengan menggunakan dua tahap yaitu dengan katalis zeolit alam pada temperatur 450oC kemudian dilanjutkan dengan katalis zeolit sintetik pada temperatur 300oC.
Pada langkah yang pertama dihasilkan senyawa seperti lilin (C5-C43, 87 % b/b) sedangkan pada
langkah kedua dihasilkan hidrokarbon cair sebanyak 74 % b/b.
Perengkahan polipropilena secara termal maupun katalitik menghasilkan tiga jenis produk yaitu produk cair, gas dan padat. Secara termal diperoleh produk yang banyak menghasilkan senyawa-senyawa alkena karena setiap pemutusan rantai hidrokarbon akan berakibat kekurangan hidrogen, sehingga perlu dilakukan penelitian tentang reaksi hidrorengkah. Setiap reaksi hidrorengkah memerlukan katalis yang mampu merengkah serta dapat digunakan untuk reaksi hidrogenasi dan sering disebut katalis bifungsional. Ding (1997) telah melakukan reaksi hidrorengkah sampah plastik diperoleh produk utama n-parafin, sedikit aromatik dan olefin dengan katalis NiMo/SiAl. Salah satu faktor yang
menentukan tinggi rendahnya aktivitas dari katalis yaitu keasaman padatan katalis. Katalis yang mempunyai keasaman tinggi pada umumnya mempunyai aktivitas yang tinggi pula.
ZSM-5 mempunyai situs asam kuat maupun asam lemah sehingga pada hidrorengkah polipropilena menggunakan ZSM-5 diperoleh sedikit produk cair dan banyak produk gas.
Katalis silika-alumina asam hanya mempunyai situs asam lemah sehingga produk dari hidrorengkahnya banyak mengandung produk cair dan sedikit produk gas (Sakata, 1999).
Penelitian-penelitian selanjutnya mengarah pada penggunaan katalis bimetal, karena penggunaan bimetal pada katalis akan menambah situs asam yang mempunyai aktivitas tinggi. Pada penelitian ini akan digunakan logam Ni-Pd yang diembankan pada zeolit alam aktif. Logam-logam yang sering digunakan untuk reaksi hidrogenasi olefin yaitu Ni, Pd dan Pt. Wahyuni (2005) telah mempelajari keasaman katalis NiPd/Z dan PdNi/Z dengan memvariasi perbandingan logam Ni dan Pd yang diembankan serta menguji aktivitasnya untuk reaksi hidrorengkah sampah plastik dengan metode batch. Dari penelitian tersebut diperoleh hasil bahwa NiPd/Zmempunyai keasaman paling tinggi, sehingga NiPd/Zsangat cocok untuk reaksi hidrorengkah sampah plastik akan tetapi temperatur reaksi, perbandingan berat katalis dengan umpan yang tepat, reaksi dalam metode alir serta proses deaktivasi katalis NiPd/Zbelum dipelajari.
METODE PENELITIAN Alat dan bahan.
Satu set reaktor pirolisis, Satu set reaktor hidrorengkah, GC Shimadzu 5890 series II, GC- MS Shimadzu QP-5000.
Pembuatan katalis
Ni(NO3)2.6H2O (pa), PdCl2 (pa), Zeolit alam aktif 80 mesh (PT Purosani Prima Zeolita), Polipropilena (gelas aqua), NH3 25 % (pa).
Cara Penelitian Preparasi umpan
Sampel sampah plastik yang digunakan yaitu plastik tempat minuman yang merupakan jenis polipropilena (Arman, 1997). Sampel tersebut dipotong kecil-kecil ± 1-2 cm2. Sebanyak 1 kg sampel tersebut dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis. Pirolisis dilakukan pada temperatur 475oC dengan dialiri gas nitrogen dengan laju alir 100 mL/menit. Hasil pirolisis kemudian didistilasi dengan penurunan tekanan pada tekanan 160 mmHg dengan tujuan untuk mengambil fraksi <15 oC, 150-250 oC dan >250
oC. Fraksi dengan titik didih <150 oC dianggap setara dengan bensin. Fraksi dengan titik didih 150-250oC digunakan sebagai umpan reaksi hidrorengkah.
Preparasi katalis
Paladium klorida anhidrous dengan kemurniaan > 99 % sebanyak 0,1684 g direaksikan dengan 5 mL NH3 25 % dan 5 mL aquades bebas ion kemudian diaduk dengan pengaduk magnet pada temperatur 40oC sampai warna coklat berubah menjadi bening yaitu terbentuknya senyawa komplek Pd[NH3]4Cl2. Senyawa komplek tersebut diimpregnasikan pada 50 g katalis Z di dalam labu 1000 mL dengan ditambah aquades bebas ion sebanyak 650 mL sambil diaduk dengan pengaduk magnet pada temperatur 40oC selama 24 jam. Kemudian
dikeringkan pada temperatur 110oC selama 8 jam sehingga terbentuk katalis Pd-NH3/Z.
Campuran antara Pd-NH3/Z yang terbentuk, 1,9941 g Ni(NO3)2.6H2O dengan kemurnian > 99 % dan air 800 mL dimasukkan dalam labu 1000 mL diaduk dengan pengaduk magnet pada temperatur 90oC selama 24 jam.
Kemudian dikeringkan pada temperatur 110oC selama 8 jam, selanjutnya dikalsinasi selama 4 jam, dioksidasi selama 2 jam dan reduksi selama 2 jam pada temperatur 450 oC hingga terbentuk katalis NiPd/Z dengan persen berat logam totalnya 1 %.
HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Aktivitas
Uji aktivitas katalis dilakukan pada reaksi hidrorengkah fraksi sampah plastik dengan menggunakan reaktor semi alir. Umpan dialirkan ke dalam reaktor dalam fasa uap bersama gas hidrogen dan bereaksi dengan katalis menghasilkan produk cair, gas dan kokas dengan waktu penguapan umpan ± 60 menit dan laju kenaikan temperatur 7oC/menit. Keberadaan produk gas ditunjukkan dengan meningkatnya laju gas buang pada saat reaksi hidrorengkah berlangsung, sedangkan keberadaan kokas ditunjukkan dengan warna hitam katalis setelah reaksi. Data hasil reaksi hidrorengkah fraksi sampah plastik dengan variasi katalis dan kondisi reaksi ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil reaksi hidrorengkah fraksi sampah plastik
Katalis T (°C) mk/mu a
(g/g)
Produk cair (% g/g)
Total hasil fraksi bensin (%
g/g)
C>12 (% b/b)
Konversi total C>12
(% g/g)
Ni4Pd1/Z 1/6 86,88 40,08 46,80 20,16
Ni4Pd1/Z 300 1/4 89,44 53,93 35,51 39,42
Ni4Pd1/Z 1/2 91,30 63,83 27,47 53,14
Ni4Pd1/Z 1/6 88,38 40,13 48,25 17,68
Ni4Pd1/Z 350 1/3 87,98 52,98 35,00 40,29
Ni4Pd1/Z 1/2 84,08 53,03 31,05 47,04
Ni4Pd1/Z 1/6 90,30 46,08 44,22 24,57
Ni4Pd1/Z 400 1/4 88,71 52,21 36,49 37,75
Ni4Pd1/Z 1/2 92,13 66,85 25,28 56,87
Ni4Pd1/Z 450 1/2 83,40 73,92 9,48 83,83
Ni4Pd1/Z 500 1/2 67,11 59,83 7,29 87,57
Z 450 1/2 90,31 67,09 23,22 60,39
Termal 450 1/2 90,86 48,42 42,44 27,60
Umpan 41,94 58,06
Kondisi temperatur reaksi divariasi dari 300-400oC dan perbandingan berat katalis dibanding umpan 1/6, 1/4 dan 1/2, dari variasi tersebut ternyata temperatur 300-400oC, fraksi bensin hasil perengkahan C5-C12 masih
cenderung meningkat sehingga perlu dilakukan penambahan variasi temperatur 450oC dan 500oC.
Ternyata temperatur 450oC memberikan hasil fraksi bensin paling tinggi, sehingga temperatur ini digunakan untuk kondisi reaksi dengan variasi
katalis dan uji deaktivasi katalis NiPd/Z. Reaksi hidrorengkah fraksi sampah plastik menghasilkan produk cair berkisar antara 67-93 %, produk gas berkisar antara 7-33 % sedangkan produk kokas beratnya diabaikan terhadap berat produk cair dan gas walaupun keberadaan kokas yang terdeposisi pada katalis sangat mempengaruhi aktivitas katalis. Total hasil fraksi bensin berkisar antara 40,08-73,92 % b/b dan peningkatan fraksi bensin tertinggi 31,98 % b/b untuk katalis NiPd/Zdengan perbandingan berat katalis : umpan = 1/2 pada temperatur reaksi 450oC, sedangkan katalis NiPd/Zdengan perbandingan
berat katalis : Umpan = 1/6 pada temperatur 300oC dan 350oC justru mengalami penurunan fraksi bensin. Konversi total C>12 berkisar antara 20,16-87,57 % b/b.
Pengaruh Rasio Berat Katalis dan Temperatur Terhadap Konversi C>12
Konversi menunjukkan aktivitas katalis hidrorengkah senyawa hidrokarbon fraksi berat, semakin tinggi konversi berarti katalisnya semakin aktif. Pengaruh rasio berat katalis : umpan ditunjukkan pada Gambar 1.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
1/6 1/4 1/2
Katalis/Umpan (b/b) Konversi total C>12 (% b/b)
300oC 350oC 400oC
Gambar 1. Pengaruh rasio berat katalis NiPd/Z: umpan terhadap konversi total senyawa hidrokarbon C>12
Berdasarkan Gambar 1 menunjukkan bahwa dengan variasi rasio berat katalis : umpan pada temperatur dan laju hidrogen konstan, semakin tinggi rasio berat katalis : umpan maka konversi total C>12 semakin naik. Hal ini terjadi karena semakin banyak katalis maka akan meningkatkan peluang kontak antara molekul- molekul reaktan dengan padatan katalis. Begitu pula sebaliknya apabila berat katalis semakin kecil maka konversi total C>12-nya semakin kecil pula.
Pengaruh temperatur terhadap konversi total C>12 ditunjukkan pada Gambar 2.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00
300 350 400 450 500
Temperatur (oC)
Konversi total C>12 (% b/b)
Katalis/ump an = 1/2 Katalis/ump an = 1/4 Katalis/ump an = 1/6
300oC 350oC 400oC
Gambar 2. Pengaruh temperatur terhadap konversi total C>12
Berdasarkan Gambar 2 bahwa variasi temperatur dari 300oC-400oC konversi total hanya mengalami sedikit kenaikan bahkan pada rasio katalis NiPd/Z: umpan = 1/4, konversi totalnya sedikit turun, sedangkan pada temperatur yang relatif tinggi 450-500oC konversi totalnya naik dengan drastis. Kemungkinan reaksi hidrorengkah pada temperatur 300-400oC selektif pada senyawa hidrokarbon ringan sedangkan senyawa hidrokarbon berat belum mampu terengkah oleh katalis. Aktivitas katalis paling baik adalah pada perbandingan berat 1/2 dan
temperatur 500oC. Namun fraksi bensinnya rendah karena banyak terbentuk produk gas.
Kondisi optimum terbentuknya fraksi bensin yaitu pada perbandingan berat katalis: umpan sama dengan 1/2 dan suhunya 450oC.
Pengaruh Temperatur Terhadap Komposisi Senyawa Hidrokarbon Pada Perbandingan Berat:Umpan 1/2
Komposisi senyawa hidrokarbon pada fraksi bensin pada perbandingan berat katalis : umpan sama dengan 1/2 dengan variasi temperatur ditunjukkan pada Gambar 3.
-5,00 5,00 15,00 25,00 35,00 45,00 55,00
C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12
Jumlah at om C hidrokarbon Komposisi Cn dalam fraksi bensin (%)
Umpan 300oC 350oC 400oC 450oC 500oC
Gambar 3. Komposisi senyawa hidrokarbon C5-C12 dalam fraksi bensin pada rasio katalis : umpan = 1/2 Pada rasio katalis NiPd/Z: umpan = 1/2 ,
dengan perubahan temperatur selektivitas individu senyawa hidrokarbon C5-C12 mengalami perubahan yang sangat signifikan, yaitu semakin tinggi temperatur maka akan meningkatkan selektivitas individu senyawa hidrokarbon C5-C8 dan C10. Meningkatnya selektivitas individu senyawa hidrokarbon C5-C8 dan C10 tersebut diimbangi penurunan selektivitas individu C9 dan C12, sedangkan
komponen senyawa hidrokarbon C11 komposisi relatif tidak berubah dengan peningkatan temperatur. Pada temperatur 450oC dan 500oC selektivitas individunya didominasi senyawa hidrokarbon C7-C10. Hal ini terjadi karena semakin tinggi temperatur akan meningkatkan laju perengkahan, sehingga banyak senyawa hidrokarbon ringan.
KESIMPULAN 300oC
350oC 400oC 450oC 500oC
Semakin tinggi temperatur, aktivitas katalis semakin tinggi dan maksimum pada 500oC dengan perbandingan berat katalis dan umpan sama dengan 1:2. Bensin yang optimum dihasilkan pada 450oC dengan perbandingan berat katalis dan umpan sama dengan 1:2.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kami ucapkan kepada DP2M DITJEN DIKTI melalui program penelitian Hibah bersaing tahun 2005.
DAFTAR PUSTAKA
Arman, 1997, “Analisis Berbagai Jenis Polimer dalam Plastik dengan Teknik Spektroskopi Infra Merah Tranformasi Fouier (FTIR)”, Skripsi, Jurusan Kimia FMIPA UGM
Ding, Weibing, Liang, J., Anderson, A., and Larry, 1997, “Hydrocracking And Hydroisomerization Of High-Density Polyethylene And Waste Plastic Over Zeolite And Silica-Alumina-Supported Ni And Ni-Mo Sulfides”, Energy &
Fuels, 17, 75-80.
Sakata, Y., Uddin, Md. A., and Muto, A.,1999,
“Degradation Of Polyethylene And Polypropylene Into Fuel Oil By Using Solid Acid And Non-Acid Catalyst”, J.
Anal. App. Pyrol., 51. 135-155.
Wahyuni, E.T., Trisunaryanti, W., Sudiono, Sri., 2004, “Konversi Fraksi Sampah Plastik Menjadi Fraksi Bensin Menggunakan Katalis Ni-Mo/Zeolit Alam dan Ni- Pd/Zeolit Alam”, Laporan Hasil Penelitian Hibah Bersaing XII tahun Anggaran 2004, November 2004, Lembaga Penelitian Universitas Gadjah Mada
