Pengaruh Penambahan Katalis NiMo/ZSM-5 pada Pirolisis Cangkang Sawit Menjadi Bio Oil
Sunarno*, Desi Heltina, Syaiful Bahri
Jurusan Teknik Kimia, Universitas Riau, Kampus Binawidya Km 12,5 Panam Pekanbaru
E-mail: narnounri@yahoo.com
ABSTRAK
Krisis Bahan Bakar Minyak (BBM) yang melanda dunia akibat dari tingginya permintaan kebutuhan minyak dunia dan menipisnya cadangan minyak bumi. Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan sumber energi alternatif yang dapat diperbarui yaitu salah satunya bio-oil sebagai pengganti minyak bumi. Bio-oil diproduksi dengan proses pyrolysis menggunakan biomassa dengan pemanasan, tanpa adanya kandungan oksigen. Tujuan penelitian ini adalah menentukan pengaruh rasio katalis NiMo-ZSMI-5 dengan cangkang sawit (0,5%; 1,5%; 2,5%; 3,5%) terhadap yield bio-oil yang dihasilkan serta karakterisasi bio-oil pada proses yang optimal. Pirolisis menggunakan cangkang sawit 50 gram dengan ukuran -40+60 mesh, silinap 500 ml dan kecepatan pengadukan 300 rpm. Pada penelitian ini diperoleh yield terbesar yaitu 68,6% yang terjadi pada suhu 330°C dengan katalis NiMo/ZSM-5 2,5%. Karakteristik sifat fisika yang diperoleh: densitas (1,01 gr/ml), viskositas (13,27 cSt), angka keasaman (67,17 gr NaOH/gr sampel) dan titik nyala (64°C). Dari hasil analisa GC-MS, komponen kimia yang dominan pada bio-oil adalah acetic acid, phenol, furancarboxaldehide; methanol. Komposisi fenol dan senyawa lainnya yang mendukung bio-oil sebagai bahan bakar yaitu 50,29%.
Kata kunci: bio-oil, pirolisis, cangkang sawit, NiMo/ZSM-5
The need for energy is increasing and oil reserves as a primary energy sources is decreasing that is reason why seel<ing alternative is important. Biomasse specially oil palm shell which are abundant in Indonesia can be processed into bio-oil by pyrolysis process. The objective of this research is to study the effect of the catalyst ratio NiMo-ZSM-5 with oil palm shell (0,5%; 1,5%; 2,5%; 3,5%) about product yield and characterized bio-oil. Pyrolysis used 50 oil palm shell with -40+60 mesh size, 500 ml silinap and speed of mixing 300 rpm. The results of pyrolysis experiments showed that maximum yield was 68,6% on temperature330°C with ratio catalyst NiMo/ZSM-5 2,5%.The physical characterization of bio- oil were the density = 1,01 g/ml, viscosity = 13,27cp, acid value = 67,17 gr NaOH/gr sample and flash point = 64°C. The result of GC-MS analysis showed dominant compounds in bio-oil were acetic acid, phenol,furancarboxaldehide 50,29% and methanol. Phenol composition and another compounds carried as fuel were
1. Pendahuluan
Krisis Bahan Bakar Minyak (BBM) yang melanda dunia akibat dari tingginya permintaan kebutuhan minyak dunia dan menipisnya cadangan minyak bumi memaksa seluruh negara di dunia, termasuk Indonesia untuk mengambil langkah dalam mengatasi hal tersebut. Berdasarkan hasil proyeksi pasokan minyak bumi diperkiraan produksi minyak mentah di Indonesia pada tahun 2020 sebesar 190 juta barel, sedangkan konsumsi minyak bumi pada tahun 2020 diperkirakan sebesar 410 juta barel [Outlook Energi Indonesia, 2010]. Salah satu langkah mengatasi masalah krisis energi tersebut adalah dengan mengembangkan sumber energi alternatif yang dapat diperbahurui yaitu bio-oil sebagai pengganti bahan bakar minyak bumi.
Provinsi Riau menghasilkan limbah padat sawit terbesar di Indonesia dengan luas perkebunan sawit di Riau pada tahun 2010 mencapai 1.911.110 ha, dengan produksi sawit sebesar 5.937.539 ton [BPS Riau, 2011]. Salah satu limbah padat sawit yang dihasilkan adalah cangkang sawit. Cangkang sawit yang dihasilkan sebanyak 7% per ton tandan buah segar (TBS) [DEPTAN, 2006] atau diperkirakan sekitar 1167,5 ton/hari. Menurut penelitian Febijanto [2011], bahwa penggunaan cangkang sawit sebagai bahan bakar boiler hanya mampu mengurangi 40% dari keseluruhan jumlah limbah cangkang sawit yang ada di pabrik sawit. Jadi, masih terdapat 700,5 ton/hari limbah cangkang sawit yang belum dimanfaatkan di Provinsi Riau. Limbah cangkang sawit jika tidak diolah dapat mencemari lingkungan. Namun jika dikelola dengan baik, maka cangkang sawit tersebut dapat digunakan menjadi sumber penghasilan baru sebagai sumber energi. Cangkang sawit akan bernilai ekonomis tinggi jika diolah lebih lanjut menjadi bio-oil. Upaya untuk menghasilkan bahan bakar dari biomassa yaitu melalui proses pyrolysis (Gayubo, dkk., 2005). Oleh karena itu pada penelitian ini akan digunakan limbah cangkang sawit sebagai biomassa untuk memproduksi bio-oil dengan proses pyrolysis.
2. Tinjauan Pustaka
Pyrolysis adalah proses konversi dari suatu bahan organik pada suhu tinggi dan terurai menjadi molekul yang lebih kecil atau pendegradasian panas pada biomassa tanpa oksigen, untuk menghilangkan komponen volatile pada karbon. Proses ini menghasilkan uap organik, gas pyrolysis dan arang. Uap organik yang dihasilkan mengandung karbon monoksida, metana, karbon dioksida, tar yang mudah menguap dan air. Uap organik kemudian dikondensasikan menjadi cairan. Cairan hasil pyrolysis dikenal sebagai bio-oil. Salah satu biomassa yang digunakan untuk pyrolysis adalah cangkang sawit. Kandungan utama cangkang sawit adalah selulosa, hemiselulosa dan lignin. Kandungan lignin dalam cangkang sawit mencapai 50,70%, selulosa mencapai 20,80% dan hemiselulosa mencapai 22,70% [Abdullah, dkk., 2010]. Proses pyrolysis biomassa berlangsung beberapa tahap yaitu pemanasan sampai dengan suhu 17050C terjadi kehilangan air dan pengeringan, dekomposisi hemiselulosa pada suhu 200-26050C, dilanjutkan dengan dekomposisi selulosa pada suhu 260-30050C. Dekomposisi lignin terjadi pada suhu di atas 30050C [Maga, 1987].
3. Metodologi
Penelitian ini melalui beberapa tahapan.
a. Persiapan bahan baku
Persiapan bahan baku meliputi produksi silica terpresitasi, ZSM-5 dan NiMo/ZSM-5. Produksi silica terpresipitasi dibuat dengan mencampur abu sawit dengan larutan NaOH dan dipanaskan pada suhu 105°C, diaduk dengan kecepatan 500rpm selama 4jam. Kemudian setelah kondisi dingin dilakukan penyaringan untuk memisahkan filtrat dan cake. Filtrat ditambahkan HCl pekat dengan cara dititrasi sampai larutan membentuk gel semua. Gel yang terbentuk dipisahkan dan dikeringkan dalam oven. Silika terpresipitasi ini dianalisa kadar silikanya yaitu 84,7%.
Produksi ZSM-5 dilakukan dengan melarutkan natrium aluminat dengan aquadest (suspense 1). Silika terpresipitasi dicampur dengan aquadest (suspensi 2). Suspensi 1
dicampur dengan suspensi 2 (suspensi 3) dengan nisbah Si/AI 30. Suspensi 3 ditambahkan NaOH sehingga diperoleh nisbah Na2O/Al2O3 7,4, diaduk selama 30 menit dan dimasukkan dalam autoclaf pada suhu 175°C dan waktu 18 jam. Padatan yang terbentuk dicuci dengan aquadest dan dioven pada 110°C selama 6 jam.
Produksi NiMo/ZSM-5 dilakukan dengan mengimpregnasikan logam Nikel dan Molebdenum pada ZSM-5 pada suhu 90°C selama 12jam. Kemudian padatan tersebut dikalsinasi pada suhu 500°C selama 4jam, oksidasi pada suhu 400°C selama 2jam dan direduksi pada suhu 400°C selama 2jam. NiMo/ZSM-5 yang terbentuk digunakan sebagai katalis untuk proses pyrolysis cangkang sawit menjadi bio-oil.
b. Pembuatan bio-oil
Pembuatan bio-oil dilakukan dengan cara memasukan cangkang sawit sebanyak 50gram, silinap 50ml dan katalis NiMo/ZSM-5 dengan persentasi tertentu dalam reaktor catalytic slurry cracking. Selanjutnya di dalam reactor dialiri gas nitrogen dan diaduk serta dipanaskan pada suhu proses pirolysis. Produk gas yang terkondensasi (bio-oil) ditampung sampai produk tidak menetes lagi.
c. Analisa Bio-oil
Produk bio-oil yang terbentuk pada kondisi proses optimum dilakukan karakterisasi berdasarkan sifat fisika (densitas, viskositas, angka keasaman dan titik nyala) dan kimia menggunakan gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS).
4. Hasil dan Pembahasan
Pengaruh rasio katalis NiMo/ZSM-5 dari biomassa cangkang sawit terhadap yield bio-oil dilakukan pada variasi rasio katalis 0,5; 1,5; 2,5 dan 3,5 % b/b dari biomassa, dengan temperatur optimum 330°C.
Tabel 1 Data pengaruh rasio katalis NiMo/ZSM-5 dari biomassa terhadap yield bio-oil pada suhu 330°C
Gambar 1. Pengaruh rasio katalis/biomassa terhadap yield bio-oil
Dari Gambar 1 dan Tabel 1 dapat dilihat bahwa semakin besar rasio katalis/cangkang sawit dapat meningkatkan perolehan yield bio-oil. Penambahan katalis NiMo/ZSM-5 pada proses pyrolisis berfungsi meningkatkan pembentukan produk oil dan kualitas bio-oil yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena aktivitas katalis serta kandungan logam Ni dan Mo yang diembankan mempunyai peranan dalam meningkatkan selektivitas katalis, Semakin banyak katalis yang digunakan proses cracking yang terjadi semakin baik. Namun pada rasio katalis/cangkang sawit 3,5%wt terjadi penurunan yield bio-oil yang dihasilkan yaitu 55,6%. Rasio katalis/cangkang 2,5% memberikan hasil yield lebih tinggi dari rasio katalis/cangkang lainnya yaitu 68,6%. Hal ini terjadi karena pada pengamatan yang dilakukan pada penelitian ini kemungkinan pada saat proses pyrolysis catalytic cracking lebih banyak terbentuk uap yang terbuang dari pada yang dapat terkondensasi membentuk bio-oil, ini disebabkan karena terjadi kenaikan produk gas non condensable, sehingga bio-oil yang dihasilkan sedikit. Hal ini juga sama terjadi pada penelitian [Purwanto, dkk., 2011]. Sehingga pada
penelitian ini rasio katalis/biomassa yang optimum terjadi pada rasio katalis NiMo/ZSM-5 2,5% dari biomassa.
Bio-oil yang diperoleh kemudian dikarakterisasi sifat fisikanya. Karakterisasi yang dilakukan meliputi penentuan massa jenis, viskositas, angka keasaman dan titik nyala.
Tabel 2 Hasil Perbandingan karakteristik sifat fisika bio-oil
Dari tabel 2 terlihat bio-oil yang dihasilkan pyrolisis cangkang sawit menggunakan katalis NiMo/ZSM-5 berada di dalam range standar bio-oil yang ditampilkan.
Analisa komponen kimia bio-oil dilakukan dengan metoda GC-MS. Sampel bio-oil yang diuji yaitu bio-oil dengan rasio katalis NiMo/ZSM-5 2,5% dari biomassa.
Gambar 2 Hasil kromotogram bio-oil cangkang sawit menggunakan rasio katalis NiMo/ZSM-5 dari biomassa.
Dari gambar 2, kromotogram mempunyai 4 puncak yang paling tertinggi. Puncak B (Acetid Acid) memiliki luas areal yang besar yaitu 33,94%, dibandingkan dengan puncak A
(Methanol), C (Furancarboxaldehide), dan D (phenol) dengan luas arealnya masing-masing adalah 4,93%, 7,78%, dan 31,71%. Di puncak-puncak lainnya pada kromatogram juga terdapat komponen-komponen organik yang mendukung bio-oil dapat digunakan sebagai energi alternatif pengganti bahan bakar dari minyak bumi yaitu antara lainnya :
Methanol,1-Propanol, Ethyl
N-methylcarbamate, 1-Penten-3-diol, 1,2-Ethanediol, Benzene, 2-Methoxy-4-methylphenol, 2,5 Dimehoxytoluene, Phenol 4. Kesimpulan
1. Kondisi optimum diperoleh pada temperatur 330°C dan rasio katalis NiMo/ZSM-5 2,5% dari berat biomassa menghasilkan yield 68,6%.
2. Karakteristik sifat fisika bio-oil menggunakan katalis NiMo/ZSM-5 2,5% antara lain: densitas 1,01gr/ml, viskositas 13,27cSt, angka keasaman 76,11grNaOH/gr sampel, dan titik nyala 64°C.
3. Komponen kimia bio-oil yang dominan dari kondisi optimum antara lain acetic acid 33,94%; phenol 1,71%; furancarboxaldehide 7,78%; methanol 4,93%.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih ditujukan kepada DP2M Dikti yang telah membiayai penelitian ini melalui dana hibah bersaing dan terima kasih juga kepada Lasma Rito yang telah membantu pelaksanaan penelitian ini.
Daftar Pustaka
[1] Abdullah, S.S., Yusup, S., Ahmad, M.M., Ramli, A., dan Ismail, L, 2010, Thermogravimetry Study on Pyrolysis of Various Lignocellulosic Biomass for Potential Hydrogen Production. International Journal of Chemical and
[2] BPS Provinsi Riau, 2011, Riau dalam Angka 2010, http://riau.bps.go.id/publikasi-online.html, 19 Mei 2011
[3] Biomass Technology Group, 2003, Bio-oil Applications,
http://www.btgworld.com/technologies/ bio-oil application.hmtl.16 Mei 2011.
[4] Febijanto, I., 2011, Kajian Teknis dan Keekonomian Pembangkit Listrik Tenaga Biomassa Sawit, Pusat Teknologi Pengembangan Sumber Daya Energi,Jakarta [5] Gayubo, A.G., Aguayo, A.T., Atutxa, Alaitz., Valle, Beatriz., dan Bilbao, Javier., 2005, Undesired Components in the Transformation of Biomass pyrolysis Oil into Hydrocarbons on an HZSM-5 Zeolite Catalyst, Ind Eng Chem, Vol 80, 1244-1251. [6] Khor, K.H., K.H. Lim dan Z.A. Zainal, 2009, Characteristic of Bio-Oil : A By-Product from Slow Pyrolysis of Oil Palm Emphty Fruit Bunches, University Sains Malaysia. American Journal of Applied Sciences 6 (9): 1647-1652
[7] Maga,J.A.,1987, Smoke Infood Processing, Florida CRC Press Inc., Boca Raton
[8] Outlook Energi Indonesia, 2010. Minyak Bumi dan BBM.
http://repositori.bppt.go.id/ubuntu/index.php, 11 April 2010
[9] Purwanto, Widodo., Ningrum, A.O., Muthia, R., 2011, Pengembangan Produksi Bio-oil dari Limbah Kelapa Sawit dengan Metode Fast Pyrolysis, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Teknologi Oleo dan Petro Kimia, Riau
[10] Smallwod, 2008, Hydroprocessing of Pyrolisis Bio-oil to Fuel and Chemical, Pacific Northwest National Laboratory, US Departemant of Energy
[11] Sukiran, MAB, 2008, Pyrolysis Of Empty Oil Palm Fruit Bunches Using them Quartz Fluidised- Fixed Bed Reactor, Dissertation, University Of Malaya,
