Catalytic Cracking Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) Dengan Katalis Zeolit (ZSM-5) Menjadi Biofuel

6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 TEKNOLOGI CATALYTIC CRACKING

Cracking merupakan suatu proses pemutusan ikatan suatu unsur menjadi senyawa linier, siklik parafin, olefin, aldehid, keton dan asam karboksilat. Proses

cracking termasuk proses pirolisis non-hidrogenasi yaitu proses memecah rantai polimer menjadi senyawa dengan berat molekul yang lebih rendah dengan menggunakan katalis dehidrasi dan minyak biomassa mengalami dekarboksilasi menjadi gas, cairan hidrokarbon, padatan dan air [12,15]. Salah satu contoh proses non-hidrogenasi yaitu proses catalytic cracking.

Catalytic cracking yaitu cracking yang menggunakan katalis. Proses

cracking membutuhkan suhu, waktu dan katalis. Dengan menggunakan katalis temperatur menjadi relatif rendah dari 450-550 oC dan mengurangi waktu reaksi

Gambar 2.1 Mekanisme Catalytic Cracking [43]

Pada gambar 2.1 menjelaskan bahwa langkah awal dalam catalytic cracking

7

menghasilkan olefin rantai pendek dan panjang serta parafin. Kemudian reaksi oligomerisasi, siklisasi dan aromatisasi akan menghasilkan olefin rantai pendek, alifatik dan hidrokarbon aromatik. Kokas dapat terbentuk karena reaksi polikondensasi trigliserida dan polimerisasi hidrokarbon aromatik [43]. Selain faktor katalis, suhu dan waktu dalam catalytic cracking, faktor lain yaitu bahan yang digunakan berasal dari biomassa yang berasal dari minyak nabati dan terdiri dari trigliserida dan asam lemak.

2.2 BIOMASSA

Biomassa ialah sesuatu yang berasal dari makhluk hidup baik tumbuhan maupun hewan. Biomassa yang berasal dari tumbuhan salah satunya yaitu minyak nabati seperti kelapa sawit, minyak kedelai, minyak bunga matahari, minyak jarak dan minyak biji kapas [24]. Pada tahun-tahun terakhir, minyak nabati bahan telah dipelajari secara intensif dapat dijadikan sebagai bahan bakar yang terbarukan.

2.2.1 Minyak Nabati

8

Gambar 2.2 Proses Konversi Biomassa [14]

Gambar 2.2 menjelaskan beberapa cara mengubah biomassa menjadi bio oil dan catalytic cracking merupakan bagian dari fast pirolisis. Biomassa dapat dipirolisis menghasilkan bio-oil yang dapat dijadikan bahan bakar transportasi, namun aplikasi bio-oil terbatas karena minyak mentah bio-oil memiliki kekurangan, seperti kadar air yang tinggi dan mempunyai kandungan oksigen, viskositas tinggi, korosif dan nilai kalor rendah. Untuk mengatasi kekurangan tersebut, proses catalytic cracking dapat meng-upgrade bio-oil mentah dan mengubahnya menjadi bahan bakar hidrokarbon bermutu tinggi [13,24]. Salah satu minyak nabati yang dapat diubah menjadi bahan bakar yaitu palm fatty acid distillate.

2.2.2 Palm F atty Acid Distillate (PFAD)

PFAD ialah produk yang dihasilkan selama tahap deodorisasi dalam pemurnian fisik minyak sawit. Secara umum, PFAD mengandung asam lemak bebas antara 80% sampai lebih 90% [25]. PFAD berasal dari produk samping industri kilang minyak sawit mentah yang disebut sebagai limbah pengilangan

Crude Palm Oil (CPO).

9

asam lemak bebas (FFA) dan juga terdiri dari gliserida, squalene, sterol, vitamin E dan substansi lainnya. Pada suhu kamar, PFAD sangat ringan berwarna coklat padat dan mencair menjadi cairan coklat pada pemanasan [26]. Kandungan senyawa minor PFAD yaitu eicosanoic 0,1%, palmitoleic 0,2%, trigleserida

4,5%, digliserida 3,7%, monogliserida 2,6% dan air 1% [11].

Adapun komposisi dari Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) dapat dilihat pada tabel 2.1.

Tabel 2.1 Komposisi Asam Lemak dari Palm Fatty Acid Distillate (PFAD) [26]

Fatty Acid Rumus Molekul Struktur Wt%

Lauric Acid C12H22O2 12:0 0,25

Myristic Acid C14H28O2 14:0 0,86

Palmitic Acid C16H32O2 16:0 42,49

Stearic Acid C18H36O2 18:0 3,35

Oleic Acid C18H34O2 18:1 34.77

Linoleic Acid C18H32O2 18:2 8,25

Lain-lain - - 10,03

10

Adapun sifat fisika dan kimia yang dimiliki PFAD adalah seperti yang terdapat dalam tabel 2.2.

Tabel 2.2 Sifat Fisika dan Kimia dari PFAD [25,26]

Sifat Fisika dan Kimia Nilai Satuan

Densitas @ 40 °C 0.87 g/cm3

Kinematic viscosity @ 40 °C 10.75 CSt

Angka asam 170 mg KOH/g

Kandungan air 0.05-0,65 %wt

Angka saponifikasi 200.57 mg KOH/g

Angka Iodin 57.57 g I2/100g

Free fatty acid 85 %

Copper 1,0-2,0 Ppb

Iron 6,0 Ppm

2.3 KATALIS ZEOLITE

Katalis adalah suatu bahan yang dapat mempercepat reaksi dan mengurangi energi aktivasi. Salah satu katalis yang banyak diteliti yaitu katalis zeolite yang disintesis menjadi katalis heterogen. Katalis sintesis dibuat menggunakan tambahan logam aktif. Tambahan logam aktif pada zeolite dapat memperbesar luas permukaan dan meningkatkan keasaman katalis [15]. Katalis ini telah digunakan sebagai agen penyerap sebagai katalis dalam petrokimia, maupun produksi kimia, reaksi organik seperti cracking, oksidasi, hidroksilasi, dehidrogenasi dan lain-lain [4,5,16].

11

pada proses catalytic cracking [14,16]. Salah satu zeolite sintesis yaitu zeolite socony mobil-5 (ZSM-5).

2.3.1 Struktur Katalis Zeolite

Zeolit terdiri dari suatu mineral dengan struktur kristal aluminosilikat SiO4 dan [AlO4]- tetrahedral berbentuk tiga dimensi. Silika tetrahedral bersifat netral dengan muatan +4 yang seimbang dengan empat anion tetrahedral, sedangkan muatan negatif dari [AlO4]- tetrahedra membutuhkan +1 muatan dari kation (misalnya natrium), untuk menjaga electro neutrality keseluruhan zeolit. Zeolit memiliki saluran pori-pori dan mengandung ion-ion logam seperti Na+, K+, Mg2+ dan Ca2+ serta molekul air [15,19,20].

Rumus kimia zeolit sebagai berikut: M

c/n [ (AlO2)C (SiO2)d ] . bH2O [22] Adapun struktur moderit dari katalis zeolite digambarkan pada gambar 2.3 berikut :

Gambar 2.3 Struktur mordenit [15]

12

dan asam Lewis. Semakin tinggi keasaman katalis maka pembentukan hasil semakin cepat. Pembentukan asam Bronsted dan asam Lewis dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah ini :

Gambar 2.4 Situs asam Bronsted dan Asam Lewis pada Zeolite [15]

Salah satu katalis sintesis zeolite yaitu ZSM-5. ZSM-5 adalah rasio alkali SiO2/Al2O3 yang diperlakukan berbeda dengan zeolite alami. Struktur kristal dari jenis zeolit disusun dengan Si, Al, atau P serta logam transisi dan memiliki ukuran pori sebesar 10nm [23]. Dengan menggunakan Alkali sintesis ZSM-5 menghasilkan hasil yang lebih tinggi pada konversi minyak. Menyebabkan produk campuran memiliki minimal lebih dari tujuh puluh komponen yang terdiri dari hidrokarbon berat dan oksigenat dan studi GCMS telah mengidentifikasi bahwa terdapat senyawa alkana ringan, alkena, air, karbon dioksida, dan karbon monoksida pada cracking menggunakan katalis ZSM-5 [2,14,23].

2.4 BIOF UEL

Biofuel yaitu salah satu hasil cracking yang didefinisikan sebagai bahan bakar padat, cair, gas, hasil konversi dari material-material biologis. Ketersedia biofuel melimpah, sangat murah sehingga dapat diperbaharui dan ramah terhadap lingkungan. Biofuel ini bersifat biodegradable, tidak beracun dan biasanya menghasilkan sekitar 60% lebih sedikit karbon dioksida bersih (CO2) dan juga bebas dari sulfur dan nitrogen [14,28].

13

bakar minyak bumi, bio-fuel cair biasanya menunjukkan nilai pH rendah, oksigen dan kadar air yang lebih tinggi, viskositas yang lebih tinggi dan kepadatan lebih tinggi. Oleh.karena itu, beberapa masalah dapat terjadi ketika digunakan dalam mesin, seperti korosi dan efisiensi pembakaran yang buruk. Pirolisis dengan

catalytic cracking telah menjadi solusi, karena dua proses termokimia yang mengkonversi biomassa langsung ke biofuel cair, menggambarkan efisiensi energi lebih tinggi dari gabungan gasifikasi/Fischer Tropsch [9].

Biofuel memilki campuran oksigen dengan jumlah besar makromolekul, yang hampir melibatkan semua species, seperti ester, eter, Alde-Hydes, keton, fenol, asam organik, dan lain-lain. Untuk minyak pirolisis mentah, rata-rata komposisi yang terlibat 50% - 65% dari komponen organik, 15% - 30% air dan

desired product = produk yang diinginkan (kg)

massa umpan = massa umpam yang direaksikan (kg)

Hasil dari catalytic cracking berupa Organic Liquid Product (OLP) yaitu campuran dari Biofuel (fraksi gasoline, kerosene dan diesel) yang dapat dilihat padatabel 2.3.

Tabel 2.3 Komponen Biofuel, Suhu dan Ikatan Karbon Hasil Destilasi [9,29] No. Fraksi Suhu destilasi (oC) Ikatan karbon

14

dan isomerisasi olefin berat dan parafin. Padatan juga diproduksi dalam jumlah yang cukup pada kondensasi langsung minyak sawit dan polimerisasi aromatik [2,18].

2.5 ORGANIC LIQUID PRODUCT

Organic Liquid Product (OLP) adalah produk cair dari proses catalytic cracking yang mengandung komponen organik yang berbeda yang dapat diklasifikasikan dalam beberapa kelompok yaitu asam organik, aldehid, parafin, olefin rantai pendek, hidrokarbon aromatik dan aromatik siklik. Dalam mengidentifikasi OLP, maka diperlukan analisa komponen menggunakan gas kromatografi (GC).

Cracking biomassa menghasilkan produk sludge, padat dan cair, yang kualitatif dan kuantitatif dianalisis menggunakan GC-MS untuk mengetahui senyawa dengan molekul rendah [30]. Kromatografi gas (GC) adalah metode yang umum digunakan untuk menganalisis gas yang dihasilkan dari berbagai proses kimia. Misalnya, Torrefaction adalah metode untuk perlakuan awal biomassa agar membuatnya lebih cocok dalam aplikasi bioenergi yang menggunakan GC untuk mengkarakterisasi produk terbentuk selama proses tersebut [31].

GC dengan spektroskopi massa digunakan untuk hasil yang terkondensasi dan gas tidak terkondensasi. Konfigurasi GC memiliki peran penting dalam mengidentifikasi senyawa yang akurat dalam gas. Kombinasi yang berbeda detektor seperti termal, api dan foto ionisasi detektor dikombinasikan dengan spektrometer massa [31].

2.6 ANALISIS EKONOMI

15

disamping harga yang murah serta penggunaanya yang tidak bersaing dengan bahan untuk pangan seperti minyak sawit.

Kajian potensi ekonomi biofuel dari palm fatty acid distillate (PFAD) dalam tulisan ini hanya akan dikaji potensi ekonomi secara sederhana. Harga jual bahan baku pembuatan biofuel dari limbah PFAD berada di bawah harga jual bahan baku dari CPO yaitu sekitar Rp 7.500/liter, canola oil yaitu sekitar Rp. 90.000/liter, dan minyak jarak yaitu sekitar Rp. 180.000/liter [38]. Tentu hal ini membawa nilai ekonomis dalam pembuatan biofuel dari PFAD.

Harga bahan bakar gasoline, kerosene dan diesel nonsubsidi sebanyak 1 liter berturut-turut sebesar Rp 12.400,-; Rp 15.000,- dan Rp 8150,-. Dalam penelitian ini, bahan baku 1 L PFAD menghasilkan 3 produk sebagai berikut :

1. Gasoline (C7-C11) = 0,247 L = Rp 3705,- 2. Kerosene (C12-C16) = 0,361 L = Rp 4476,- 3. Diesel (C17-C22) = 0,132 L = Rp 1075,-