OPTIMASI DENGAN RESPONSE SURFACE METHODOLOGY
PADA KONDISI REAKSI PERENGKAHAN CRUDE PALM OIL (CPO)
MENGGUNAKAN KATALIS Cr- CARBON
Nazarudin
*‡, L.
Muis
*, Wega Trisunaryanti**, Triyono**
* Program Studi Pendidikan Kimia, Universitas Jambi **Jurusan Kimia, Universitas Gadjah Mada ‡ E-mail: nazar_u@yahoo.com / nazarudin@unja.ac.id
Received 27 August 2007, revised 10 December 2007, accepted 27 December 2007
ABSTRACT
The research has been done to optimize the catalytic cracking of Crude Palm Oil (CPO) using Cr-carbon catalysts. Carbon was made by activating charcoal from boiler waste Palm Processing Plant PTP VI Jambi. The research has covered: activation charcoal from boiler waste palm processing plant, Cr-carbon catalysts impregnation, and characterization of catalysts. Characterization were done using Gas Sorption Analyzer NOVA 100 (wide of surface, total pore volume, average of pore radius), determination of acidity using gravimetric methods, and determination of metal content using AAS and Flame Photometer. Liquid of cracking product (LCP) was analyzed using GC-MS. Optimization condition of cracking reaction consists of temperature, time, and catalyst/CPO ratio. Response which determined was percentage of LCP. Optimization condition of cracking reaction using response surface methodology (RSM). The result has showed us that: temperature, time and catalyst/CPO ratio affect total conversion and selectivity of catalytic cracking product. Sequence of variable Sensitivity: temperature<catalyst/CPOratio<time.Catalyst has ; wide of surface: 87.986 (m2/g) , average of pore radius: 10.601 (A), total of pore volume: 46.636.10-3 ( cc/gr ) , acidity: 0.822 (mmol/gr), Cr: 1.429
% , Na: 0.093 %, K : 0.593 %. Mathematic model for premium conversion of CPO cracking using Cr-carbon catalyst is 28.558-0.649X1-2.541X2+2.692X3+1.208X1X2+2.305X1X3-1.635X2X3-11.77X12-10.22X22-12.173X32.
Keywords: CPO, Cr-carbon catalyst, RSM
1. PENDAHULUAN
Dengan makin mahalnya harga minyak bumi mengakibatkan harga bahan bakar minyak (bbm) seperti bensin,solar makin mahal. Hal ini diperparah dengan semakin menipisnya cadangan kandungan minyak bumi. Keadaan ini memacu peneliti-peneliti di seluruh dunia untuk mencari sumber-sumber bbm dari berbagai macam sumber seperti; mengolah secara perengkahan katalitik limbah minyak bumi, limbah kayu, dan limbah plastik. Perengkahan minyak atau lemak dari tumbuhan menjadi bahan bakar (diesel dan gasoline) telah menjadi topik penelitian yang menarik dan diwacanakan sebagai sumber bahan bakar alternatif yang paling mungkin dikembangkan1) , dikarenakan merupakan sumber bahan
bakar yang dapat diperbaharui serta ramah lingkungan (bebas kandungan nitrogen dan sulfur2)
Penelitian ini bertujuan untuk mengolah Crude Palm Oil (CPO) menjadi bahan bakar dengan metode perengkahan katalitik menggunakan katalis Cr-Karbon. Sumber karbon untuk katalis diambil dari limbah Arang Dari Ketel Uap (adku) pabrik pengolahan kelapa sawit. Dipilihnya adku berdasarkan fakta bahwa adku terbukti efektif sebagai bahan penyerap, sehingga diharapkan dapat efektif juga bila digunakan sebagai bahan pengemban katalis (catalysts supported)3-4)
Penelitian ini meliputi aktivasi karbon dari limbah arang ketel uap pabrik pengolahan kelapa sawit, pembuatan katalis Cr-Karbon, karakterisasi katalis (volume pori, jari-jari pori, keasaman, kadar Cr, kadar K, Na. Karakterisasi menggunakan Gas Soprtion Anlyzer NOVA 100 (volume pori, jari-jari pori) penentuan keasamaan dengan metode gravimetric, penentuan kandungan logam dengan metode AAS, dan Flame Photometer. Cairan Hasil Perengkahan (CHP) dianalisis dengan menggunakan alat GC-MS. Optimasi kondisi reaksi perengkahan yang akan dilakukan meliputi temperatur (T), waktu (t), rasio katalis/CPO (k/s). Response (hasil) yang diukur adalah persen CHP. Optimasi kondisi reaksi menggunakan response surface methodology (RSM).
2. METODE PENELITIAN
2.1. Aktivasi Arang
Arang yang telah bersih ditumbuk dengan mortar sehingga diperoleh butiran-butiran, kemudian dilanjutkan dengan penggrindingan sehingga didapatkan butiran-butiran halus dengan ukuran 100 mesh. Butiran arang ini direndam dalam larutan HF 1% selama 60 menit, kemudian disaring dan dicuci dengan aquades hingga pH netral, lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 130 oC selama 3 jam. Setelah kering arang kemudian direndam dengan HCL 1 M selama 24 jam.
Kemudian disaring dan dicuci dengan aquades hingga pH filtratnya netral. Selanjutnya dikeringkan pada suhu 130 oC
selama 3 jam. Arang ini disebut Karbon aktif.
2.2. Pembuatan Katalis Cr-Karbon
Karbon direndam dalam larutan Cr(NO3)3.H2O (0,1154 M) selama 24 jam, sambil diaduk menggunakan magnetic stirer.
Kemudian disaring dan selanjutnya dikeringkan dengan pemanasan pada suhu 130 oC selama 3 jam. Selanjutnya
dikalsinasi pada suhu 550 oC selama 5 jam sambil dialiri gas N2, lalu didiamkan sampai katalis dingin.. 2.3. Karakterisasi Katalis
Karakterisasi katalis Cr-Karbon adalah; menentukan kandungan Cr dalam katalis Cr-Karbon, kandungan logam pengotor K, Na, keasaman katalis, luas permukaan, volume total pori dan jejari rata-rata pori.
Penentuan kandungan logam ditentukan dengan menggunakan metode AAS di Laboratorium Kimia Analitik UGM, sedangkan untuk luas permukaan, jejari pori dilakukan dengan alat serapan gas NOVA-1000 BATAN Yogyakarta.
2.4. Proses perengkahan katalitik
Perengkahan dilakukan variasi kondisi reaksi menggunakan desain Box-Behnken (lihat Tabel 1.), kode -1 menunjukkan nilai bawah, kode 0 menunjukkan nilai tenggah, dan kode 1 menunjukkan nilai atas. Variasi kondisi reaksi dilakukan terhadap temperatur reaksi, waktu reaksi dan perbandingan katalis:sampel. Sampel CPO disuntikan ke pipa yang dipanaskan pada furnace horizontal pada suhu 450 oC. Furnace tempat reaktor dipanaskan pada suhu (T) -1 = 350 oC, 0
= 400 oC, 450 oC, variasi waktu (t), dan variasi perbandingan katalis dengan sampel (k/s), CHP yang dihasilkan
ditampung pada penampung CHP, kemudian ditimbang. CHP sisa (yang bercampur dengan katalis dan kokas yang terdapat di dalam reactor) dicuci dengan menggunakan THF. Penyaringan dilakukan untuk memisahkan antara katalis dan kokas yang berbentuk padat dengan CHP yang terlarut dengan THF. CHP kemudian dipisahkan dari THF dan sisa CPO dengan cara destilasi. Sisa CPO, dan CHP yang didapat serta padatan yang berupa campuran katalis dan kokas kemudian ditimbang. Selanjutnya CHP dipisahkan lebih lanjut dengan cara destilasi dengan kategori range titik didih bahan bakar.
Tabel 1. Desain Box-Behnken5)
No Konidisi
Reaksi Konversi Hasil Perengkahan (%)
T t k/s Y1 Y2 Y3 1 -1 -1 0 2 -1 1 0 3 1 -1 0 4 1 1 0 5 -1 0 -1 6 -1 0 1 7 1 0 -1 8 1 0 1 9 0 -1 -1 10 0 -1 1 11 0 1 -1 12 0 1 1 13 0 0 0 14 0 0 0 15 0 0 0
2.5. Analisis Gravimetri
Berat produk perengkahan yaitu gas, ciaran hasil perengkahan (CHP), kokas, serta berat sisa CPO yang didapat dari proses perengkahan dianalisis secara gravimetri. Analisis gravimetri dilakukan untuk menentukan persen konversi masing-masing produk perengkahan, konversi total, presentase sisa CPO.
Perhitungan untuk mencari presentase-presentase tersebut seperti pada Persamaan (1):
% 100 mula -mula CPO berat bensin produk berat n perengkaha poduk % (1) 2.6. Analisis GC-MS
Analisis GC-MS (GC-MS merek Hitachi 263-50) dilakukan pada sampel CPO dan CHP yang dihasilkan oleh kondisi reaksi yang memberikan konversi bensin yang paling besar.
Gambar 1. Rangkaian alat yang digunakan
(a) Furnace horizontal, (b) Reaktor horizontal, (c) Reaktor vertical, (d) Furnace vertical
(e) Kontrol Temperatur, (f) Pendingin spiral, (g) Penampung dan sirkulasi air pendingin, (h) Penampung cairan hasil perengkahan
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Kandungan Asam Lemak Sampel CPO
Untuk mengetahui kandungan asam lemak sampel CPO dilakukan analisis menggunakan instrumentasi GC-MS. Dengan memperhatikan kromatogram GC (lihat Gambar 2.) dan spektra MS dapat diketahui bahwa sampel CPO mempunyai mengandung 5 (lima) senyawa asam lemak. Kelima asam lemak yang terkandung dalam CPO dapat dilihat pada Tabel 2.
a
b
c
d
e
f
h
g
Data yang terlihat pada Tabel 2. menunjukkan bahwa presentase asam lemak yang terbesar yang terkandung dalam CPO adalah asam oleat,sedangkan presentase asam lemak terkecil adalah asam meristat.
Tabel 2. Kandungan Asam Lemak Sampel CPO
No Asam Lemak Presentase (%) 1 Asam laurat ( C12 ) 1,65
2 Asam meristat ( C14 ) 1,9
3 Asam palmitat ( C16 ) 39,45
4 Asam oleat ( C18:1 ) 52,83
5 Asam stereat ( C18 ) 4,17
Gambar 2. Kromatogram GC CPO 3.2. Karakterisasi Katalis
Dari Tabel 3 terlihat bahwa luas permukaan katalis karbon aktiv lebih besar daripada luas permukaan katalis Cr-karbon. Adanya perbedaan ini dimungkinkan disebabkan logam Cr yang terembankan ke karbon menutupi pori-pori karbon pada katalis Cr-karbon. Pengaruh logam Cr yang teremban ke karbon terhadap luas permukaan hanya menghasilkan perbedaan luas permukaan sekitar 6,57%.
Tabel 3. Karakterisasi arang aktiv dan katalis
Namun pengaruh lebih banyaknya kandungan logam katalis yang teremban pada katalis Cr-karbon tidak mengakibatkan jejari pori menjadi lebih pendek daripada jejari katalis karbon. Dari Tabel 3. pat diketahui bahwa jejari pori untuk katalis Cr-karbon lebih panjang daripada jejari pori untuk katalis karbon. Perbedaan panjang jejari pori yang terjadi adalah 4,83%. Fakta ini dapat terjadi diprediksi disebabkan oleh logam katalis Cr yang berjejal di pori karbon hanya sebagaian dari keseluruhan pori yang ada pada Karbon. Dengan kata lain masih cukup banyak pori karbon pada katalis Cr-karbon yang tidak terjejal oleh logam Cr.
Dengan mengamati Tabel 3. dapat juga diketahui bahwa keasaman katalis karbon lebih tinggi daripada sampel arang, perbedaan keasaman antara sampel arang dengan karbon aktiv adalah 78,87%. Perbedaan keasaman ini cukup signifikan, ini menunjukkan bahwa proses aktivasi arang menjadi karbon aktiv dapat meningkatkan keasaman karbon aktiv. Keasaman katalis Cr-karbon lebih besar daripada keasaman katalis karbon, perbedaan keasaman yang terjadi adalah 28,58%. Meningkatnya keasaman katalis Cr-karbon ini disebabkan logam Cr merupakan logam yang bersifat
Sampel permukaan Luas (m2/g)
Jejari
rata-rata (A) Total ( cc/gr ) Volume Pori Keasaman (mmol/gr)
Kandungan logam (%)
Cr Na K
Karbon Aktiv 94,183 9,425 44,382.10-3 0,587 0,01 < 1,396 1,209
asam lewis sehingga dengan terembankannya logam Cr pada karbon dengan sendirinya meningkatkan keasaman Cr-karbon.
3.3. Analisis Gravimetri
Hasil analisis gravimetri pada makalah ini hanya ditampilkan hasil analisis gravimetri untuk produk bensin (td 60oC –
120oC)6) . Presentase bensin untuk setiap kondisi reaksi perengkahan sesuai desain Box-Behnken dapat dilihat pada Tabel
4.
Dengan mengamati Tabel 4, diketahui bahwa pada kondisi reaksi titik tengah dengan kode ( 0 ,0, 0) didapat presentase bensin yang paling besar.
Tabel 4. Konversi produk dan prosentase sisa dan kandungan yang belum dditentukan pada setiap kondisi reaksi
perengkahan CPO dengan katalis Cr-karbon
3.4. Analisis GC-MS
Analisis GC-MS dilakukan pada bensin pada kondisi reaksi titik tengah, didapat kromatogram pada Gambar 3. Analisis spektrum MS puncak-puncak yang ditampilkan dalam kromatogram pada Gambar 3. menunjukkan bahwa komponen bensin yang dominan adalah mengandung senyawa hidrokarbon dari C6 sampai C11
Gambar 3. Kromatogram CHP pada kondisi reaksi titik tengah
No Kode Kondisi Konversi (%) Reaksi T t k/s 1 -1 -1 0 4.59 2 -1 1 0 9.14 3 1 -1 0 1.58 4 1 1 0 10.96 5 -1 0 -1 1.57 6 -1 0 1 4.47 7 1 0 -1 0.69 8 1 0 1 11.73 9 0 -1 -1 1.03 10 0 -1 1 8.1 11 0 1 -1 7.5 12 0 1 1 8.03 13 0 0 0 30.94 14 0 0 0 30.625 15 0 0 0 24.11
3.5. Analisis RSM
Nilai konversi Bensin dijadikan variabel dependent (tak bebas) sedangkan kondisi reaksi dijadikan nilai independent (bebas). Analisis respon permukaan menghasilkan suatu model matematika seperti pada Persamaan (2):
Y=28,558-0,649X1-2,541X2+2,692X3+1,208X1X2+2,305X1X3-1,635X2X3-11,77X12-10,22X22-12,173X32 (2)
Analisis varian terhadap koefesien persamaan (i) menunjukan bahwa nilai koefesien determinasi (R2) adalah 0,966, nilai
R2 ini menunjukan bahwa secara umum persamaan (i) dapat diterima sebagai persamaan regresi (linear dan kuadratik).
Dari analisis varian juga dapat diketahui bahwa F hitung untuk simpangan dari model (0,432) ternyata lebih kecil daripada nilai F9,2 tabel baik untuk selang kepercayaan 5% (19,16) maupun untuk selang kepercayaan 1% (99,17).
Besarnya nilai R2, serta lebih kecilnya nilai F hitung daripada nilai F9,2 tabel pada simpangan model menunjukkan bahwa
persamaan (i) tepat sebagai persamaan matematika model orde dua -2.615 -0.231 2.154 4.538 6.923 9.307 11.692 14.076 16.461 18.846 above
Gambar 4. Grafik permukaan untuk produk Bensin hasil perengkahan CPO dengan katalis Cr-Karbon (Y = konversi
Bensin, X1 = T, X2 = t, pada X3 = k/s tetap)
-2.615 -0.231 2.154 4.538 6.923 9.307 11.692 14.076 16.461 18.846 X1 X2 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2
Gambar 5 .Grafik Contour permukaan untuk produk Bensin hasil perengkahan CPO dengan katalis Cr-Karbon (Y =
konversi Bensin, X1 = T, X2 = t, pada X3 = k/s tetap)
Dengan menurunkan persamaan (i) dapat diperoleh prediksi variabel X yang optimum serta nilai Y yang optimum. Nilai variabel X optimum yang diperoleh adalah 402,141 oC untuk temperatur, 2,059 jam untuk waktu, dan 20,531 untuk
Analisis kanonik menunujukan bahwa nilai optimum yang diperoleh berbentuk respon maksimum seperti yang terlihat pada Gambar 4 dan Gambar 5 yang menunjukkan grafik yang terjadi berbentuk respon maksimum. Persamaan kanonik yang terbentuk tampak pada Persamaan (3):
Y=28,866-9,888w1-10,937w2-13,339w3 (3)
Hubungan antara variabel w dengan variabel X dapat dituliskan dengan Persamaan (4) berikut:
= _ W1 W2 W3 0.159 0.785 0.598 0.95 0.043 0.31 0.269 0.618 0.739 X1 X2 X3 0.043 0.118 0.106
Dari persamaan (4) terlihat bahwa nilai absolut koefesien w () untuk w1 lebih kecil daripada koefesien w3 dan koefesien
w3 lebih kecil daripada koefesien w2. Fakta ini dapat ditulis sebagai berikut: [λ1]< [λ3] <[λ2]
Hal ini mengindikasikan bahwa permukaan respon kurang sensitif dalam arah w1 daripada w3 , dan arah w3 kurang
sensitif dibandingkan arah w2. Apabila fakta ini dihubungkan dengan variabel X, maka dapat diketahui bahwa variabel
X1(temperatur) kurang sensitif bila dibandingkan dengan X3(perbandingan katalis dengan sampel),dan X3 (perbandingan
katalis dengan sampel) kurang sensitif bila dibandingkan variabel X2 (waktu) Sensitifitas variabel X bila diurutkan dapat
ditulis sebagai berikut: temperatur < perbandingan katalis dengan sampel < waktu
4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
Temperatur, waktu dan rasio katalis/umpan berpengaruh terhadap konversi total dan selektivitas hasil reaksi perengkahan katalitik. Persamaan model matematika untuk konversi Bensin pada perengkahan dengan katalis Cr-Karbon adalah 28,558-0,649X1-2,541X2+2,692X3+1,208X1X2+2,305X1X3-1,635X2X3-11,77X12-10,22X22-12,173X32
Urutan sensitifitas variable reaksi adalah: temperatur < perbandingan katalis dengan sampel < waktu
UCAPAN TERIMAKASIH
Pada kesempatan ini mengucapkan terimakasih kepada : DP2M Dirjen Dikti yang telah membantu mebiayai penelitian ini
lewat Hibah Pekerti IV tahun 2006, Rektor Univeristas Jambi yang telah meminjamkan Laboratorium eks. Laboratoruim Fak.Peternakan Kampus Unja Telanaipura untuk digunakan dalam penelitian ini, Ketua Jurusan Kimia dan Ketua Laboratorium di lingkungan Jurusan Kimia FMIPA UGM yang telah ikut terlibat memfasilitasi penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
1. Nazarudin, 2006, Konversi Crude Palm Oil Menjadi Biofuel Dengan Perengkahan Katalitik Menggunakan Katalis Cr-Zeolit Alam, Makalah Seminar Nasional Forum Heds Bidang MIPA,Universitas Negeri Jakarta
2. Bhatia, S, Twaiq, Farouq A.A., Mohamad A.R, 2004. Liquid Over Aluminosilicate Mesoporous Catalysts With Various Si/Al Ratios, Microporous and Mesoporous Materials 64: 95-107
3. Nazarudin, Lestari,I , Rohaniah,S, 2006, Optimasi Penurunan Bilangan Asam Pada Proses Penjernihan Minyak Sawit Curah, Seminar Nasional BKS PTN Ke19,Universitas Negeri Padang
4. Nazarudin, Muis,L, Abu Bakar, Muhaimin, 2006. Pengaruh penggunaan HClO4 dan HClO4 + Arang Terhadap
Cemaran Besi (Fe) Pada Tepung Serat Sawit, Makalah Seminar Nasional Pangan Indonesia, Universitas Jambi 5. Box, George E.P and Draper, Norman,R, 1987. Emperical Model-Building and Response Surface, John Wiley &
Sons, New York
6. Bhatia S., Ooi , YS., Zakaria, R., Mohamed AR, 2006. Hydrotermal Stability and Catalytic Activity of Mesoporous Aluminum-Cantaining SBA-15, Catalysis Communications 5: 441-445
