1 1.1 Latar Belakang dan Permasalahan
Energi merupakan salah satu kebutuhan wajib bagi seluruh masyarakat dunia, khususnya masyarakat Indonesia. Bahan bakar minyak (BBM) menjadi salah satu sumber energi yang menjadi sorotan utama. Berdasarkan data dari BP Statistical Review of World Energy tahun 2014, konsumsi BBM dunia mencapai
91,33 juta barrel/hari pada tahun 2013 dan berdasarkan data tersebut, setiap tahun konsumsi BBM cenderung semakin meningkat. Hal ini mendorong pemikiran untuk mengembangkan sumber energi baru terutama yang bersifat ramah lingkungan dan dapat diperbaharui (renewable). Minyak bumi merupakan sumber energi yang tidak terbarukan yang membutuhkan waktu hingga jutaan tahun untuk memproduksinya. Salah satu alternatif yaitu minyak nabati sebagai solusi sumber minyak terbarukan dimana melalui proses perengkahan katalitik, trigliserida dalam minyak nabati dapat diubah menjadi hidrokarbon berupa fraksi gasoline dan diesel (Twaiq dkk., 2004). Komposisi minyak nabati yang tidak mengandung nitrogen, sulfur dan logam berat akan menghasilkan bahan bakar minyak yang lebih ramah lingkungan (Kloprogge dkk., 2005).
Minyak nabati biasanya dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan biodiesel yang disintesis melalui proses transesterifikasi, esterifikasi atau esterifikasi-transesterifikasi, namun kelemahan proses ini adalah pada pemisahan biodiesel dengan gliserol. Selain itu kadar Free Fatty Acid (FFA) yang akan digunakan harus rendah untuk menghindari reaksi penyabunan yang dapat menyebabkan konversi pembentukan biodiesel tidak maksimal. Melalui perengkahan termal maupun perengkahan katalitik menggunakan berbagai macam katalis, minyak nabati menjadi hal yang menarik untuk dikaji karena bahan bakar yang dihasilkan lebih banyak dengan adanya efisiensi atom yang lebih baik dan
proses ini akan mengubah semua senyawa organik menjadi produk target walaupun dengan kadar FFA yang tinggi.
Penelitian ini menggunakan minyak jarak (Ricinus communis) atau Castor oil yang berasal dari biji tanaman jarak. Selama ini turunan dari tanaman jarak
lebih banyak dimanfaatkan pada industri kimia seperti pabrik cat, vernis, pelumas, tinta cetak, pabrik kosmetik, farmasi, bubur kertas, serta sebagai bahan baku industri nilon dan plastik (Osava, 2001). Penggunaan minyak jarak sebagai sumber bahan bakar terbarukan lebih diunggulkan karena tidak mengganggu ketahanan pangan, berbeda dengan minyak kelapa dan minyak kelapa sawit yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan pangan manusia. Komponen utama minyak jarak adalah asam risinoleat (~90%) dengan sedikit asam oleat dan asam palmitat. Adanya gugus hidroksil pada asam risinoleat membuat minyak jarak mempunyai karakteristik yang berbeda dengan minyak nabati yang lainnya dan menarik untuk dikaji. Lappi dan Alen (2011), telah melakukan pirolisis minyak kelapa sawit, minyak zaitun, dan minyak jarak menghasilkan alkena rantai lurus, alkana, fraksi gasoline (C4-C10), fraksi diesel (C11-C22) dengan titik didih menyerupai petroleum dan sejumlah produk yang mengandung oksigen (seperti keton dan fenol) untuk minyak jarak.
Kloprogge dkk. (2005) mengungkapkan bahwa pada proses perengkahan katalitik membutuhkan katalis dengan karakter yang sesuai dengan minyak nabati yang digunakan karena masing-masing minyak nabati mempunyai komposisi yang berbeda-beda. Salah satu proses perengkahan katalitik yang efektif adalah hidrorengkah, yaitu proses perengkahan katalitik dengan adanya gas hidrogen selama reaksi berlangsung (Miertus dkk., 2009). Penambahan hidrogen sebagai reaktan dalam reaksi perengkahan ini diharapkan dapat mengurangi pembentukan kokas yang dapat menghambat aktivitas katalitik dari katalisnya. Perengkahan biasanya membutuhkan temperatur tinggi selama reaksi berlangsung, untuk meminimalkan energi yang dibutuhkan selama proses perengkahan, dibutuhkan katalis dengan karakter terbaiknya seperti luas permukaan, ukuran pori dan stabilitas termal yang tinggi serta besarnya konversi dan selektivitas terhadap fraksi gasoline. Berbagai macam jenis katalis yang dapat digunakan dalam reaksi
hidrorengkah, seperti katalis homogen dan katalis heterogen, akan tetapi katalis heterogen lebih banyak dikembangkan karena memiliki beberapa kelebihan di antaranya stabilitas termal yang tinggi, selektivitas terhadap produk, dapat digunakan kembali, proses penanganan dan pemurnian lebih sederhana, aman digunakan serta lebih ramah lingkungan.
Menurut Bartholomew dan Farrauto (2006), reaksi hidrorengkah membutuhkan katalis bifungsional untuk perengkahan dan aktivasi hidrogen yang tinggi, sehingga untuk mendapatkan sifat bifungsional tersebut katalis yang digunakan dalam bentuk logam-pengemban pada proses hidrorengkah. Hasanudin (2008) menyatakan bahwa pada katalis dengan logam teremban (katalis bifungsional), fungsi asam berasal dari material pengembannya (alumina, silika, zeolit) sedangkan fungsi hidrogenasi berasal dari logamnya. Logam yang diembankan dapat berupa logam tunggal seperti Cr atau Ni, ataupun bimetal seperti Ni-Mo atau Ni-Pd. Logam ini secara langsung dapat berfungsi sebagai katalis tanpa diembankan terlebih dahulu pada pengemban, tetapi memiliki kelemahan, di antaranya luas permukaan yang relatif kecil, dan selama proses katalitik dapat terjadi penggumpalan. Dalam penelitian ini digunakan logam Cr, logam ini akan memiliki kinerja lebih efektif bila diembankan pada suatu padatan.
Pengemban atau sering disebut pendukung katalis yang akan digunakan harus memiliki sifat-sifat yang sesuai untuk reaksi yang digunakan. Untuk itu pendukung katalis harus mempunyai luas permukaan dan porositas yang besar, tahan terhadap temperatur yang relatif tinggi dan jika memungkinkan padatan tersebut dapat juga bersifat katalis untuk proses yang diinginkan (Augustine, 1996).
Material pengemban katalis dapat berupa zeolit, alumina, silika dan lempung, akan tetapi material lempung menarik untuk dikaji lebih lanjut dalam penelitian ini karena sifat kimia dan fisikanya yang dapat diubah atau dimodifikasi melalui berbagai cara, selain itu katalis dalam proses perengkahan minyak yang sekarang dikembangkan adalah katalis dengan ukuran pori yang besar seperti zeolit (~8 Å) agar mampu merengkah fraksi minyak berat.
Penggunaan lempung sebagai katalis dikarenakan kemampuannya untuk
dimodifikasi membentuk ukuran pori yang besar sehingga dapat merengkah hidrokarbon rantai panjang yang tidak dapat masuk ke dalam pori zeolit, akan tetapi beberapa faktor seperti kestabilan termal dan keasaman yang lemah pada jarak interlayernya masih perlu diatasi, sehingga modifikasi seperti pilarisasi menggunakan logam oksida dan pengembanan menggunakan logam aktif dapat digunakan sebagai alternatif pencegahan masalah tersebut (Kooli dan Jones, 1997). Lempung dengan pilar yang terdistribusi membentuk sistem dua dimensi dapat menghasilkan material mesopori. Hal lainnya yang menarik dari lempung terpilar adalah adanya ikatan kimia yang terbentuk antara pilar dengan oksigen pada permukaan layer, yang disebut dengan cross-linked clay (Kloprogge, 1998).
Polioksokation anorganik terhidrat sebagai agen pemilar dalam clay dipilih karena sifat stabilitas termal yang dihasilkan dan luas permukaan spesifiknya yang cukup besar. Melalui proses kalsinasi, polioksokation terhidrat akan berekasi membentuk pilar oksida logam yang kokoh. Oksida logam digunakan sebagai agen pemilar karena oksida logam mempunyai stabilitas termal yang tinggi sehingga bentonit yang telah dipilar dengan oksida logam tersebut stabilitas termalnya juga meningkat. Oksida logam sendiri merupakan katalis, sehingga penggunaan oksida logam mempunyai fungsi ganda yaitu berperan sebagai agen pemilar dan sekaligus sebagai katalis. Beberapa oksida logam yang digunakan sebagai agen pemilar seperti, Al2O3oleh Fatimah dkk. (2011), Gracia dkk. (2006), Gil dkk. (2000); ZrO2 oleh Torres dkk. (1992), Gil dkk. (2000), Fetter dkk.
(2003), Awate dkk. (2004), Mishra dan Rao (2004), Olszewska (2011), Hasanudin dkk. (2012); TiO2 oleh Fatimah dkk. (2010); Fe2O3 oleh Virkutye dan Varma (2014) dan Cr2O3oleh Mata dkk. (2007). Di antara oksida logam tersebut, peneliti memilih zirkonia sebagai agen pemilar karena merupakan spesies pemilar yang memiliki stabilitas termal yang baik (700-800 °C), selain itu pilarisasi menggunakan ZrO2 dapat meningkatkan basal spacing hingga 19-24 Å (Kloprogge, 1998).
Pada reaksi hidrorengkah katalitik minyak jarak, jenis katalis yang digunakan akan mempengaruhi jumlah produk yang dihasilhan karena karakteristik dari masing-masing katalis yang berbeda pula. Persen berat Cr yang
diembankan pada bentonit terpilarisasi juga akan mempengaruhi persentase produk yang dihasilkan karena pengaruh banyaknya situs aktif yang tersedia untuk reaksi hidrorengkah tersebut. Penelitian mengenai sintesis pengembanan logam Cr pada bentonit terpilar ZrO2 untuk aplikasi hidrorengkah minyak jarak belum pernah dilakukan, sehingga penelitian ini akan mengkaji pengaruh persen berat Cr terhadap sifat dari bentonit terpilar ZrO2dan aplikasinya terhadap reaksi hidrorengkah minyak jarak. Kombinasi antara Cr sebagai katalis dengan ZrO2
sebagai pemilar sekaligus katalis pada bentonit sebagai pengemban, diharapkan akan menghasilkan katalis dengan sifat terbaiknya yang mampu mengkonversi minyak jarak menjadi fraksi gasoline secara maksimal.
1.2 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan:
1. Pilarisasi ZrO2 pada bentonit dan karakterisasi sampel bentonit dan ZrO2- bentonit meliputi basal spacing, keasaman, luas permukaan, rerata diameter pori dan volume pori.
2. Sintesis katalis Cr/ZrO2-bentonit dengan variasi kandungan Cr dan karakterisasinya meliputi keasaman, kuantitas logam teremban, luas permukaan, rerata jejari pori dan volume pori.
3. Mempelajari aktivitas katalis ZrO2-bentonit dan Cr/ZrO2-bentonit variasi berat Cr yang teremban terhadap produk cair dalam reaksi hidrorengkah minyak jarak.
4. Mempelajari selektivitas katalis ZrO2-bentonit dan Cr/ZrO2-bentonit variasi berat Cr yang teremban terhadap fraksi gasoline dalam reaksi hidrorengkah minyak jarak.
1.3 Manfaat Penelitian
Pada penelitian ini telah dilakukan preparasi bentonit dengan modifikasi pilarisasi menggunakan oksida logam ZrO2 dan impregnasi menggunakan logam Cr, sehingga diharapkan dapat meningkatkan basal spacing dan sifat keasaman dari bentonit serta menghasilkan katalis asam heterogen yang memiliki keasaman,
luas permukaan, porositas yang tepat sehingga dapat meningkatkan aktivitas dan selektivitas terhadap reaksi hidrorengkah minyak jarak. Minyak jarak diharapkan dapat menjadi sumber bahan bakar alternatif yang dimanfaatkan secara kontinyu untuk substitusi petroleum gasoline sehingga menjadi solusi dalam mengurangi penggunaan minyak bumi.
