PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI KATALIS DARI
BENTONITE PACITAN UNTUK APLIKASI PEMBUATAN
BAHAN BAKAR SINTETIS DARI SAMPAH PLASTIK
Felycia Edi Soetaredjo, Herman Hindarso, Suryadi Ismadji
Jurusan Teknik Kimia Unika Widya Mandala Surabaya
,
Kalijudan 37, Surabaya 60114
Abstrak
Bentonite adalah suatu jenis tanah liat yang terbentuk dari debu vulkanis yang telah mengalami perubahan karena cuaca. Bentonite tersusun dari mineral-mineral smectite yang pada umumnya
adalah montmorillonite. Secara umum komposisi utama dari bentonit adalah SiO2 dan Al2O3,
sedangkan komposisi lainnya terdiri dari Fe2O3, MgO, CaO, K2O, Na2O dan LOI (Loss on Ignition).
Karena kandungan mineral yang beragam maka bentonite merupakan bahan baku yang sangat penting bagi berbagai macam aplikasi industri. Pada penelitian ini, bentonite kami manfaatkan sebagai bahan baku pembuatan katalis untuk aplikasi perengkahan plastik menjadi bahan bakar cair. Pembuatan katalis dari bentonite dilakukan dengan cara aktivasi asam. Karakterisasi bentonite dan bentonite termodifikasi (katalis) dilakukan dengan menggunakan XRD, nitrogen sorption, AAS, dan SEM. Kemudian katalis yang dihasilkan digunakan untuk proses perengkahan sampah plastik. Variabel-variabel proses yang dipelajari adalah: jenis katalis dan suhu perengkahan. Karakterisasi bahan bakar cair yang dihasilkan dilakukan dengan menggunakan gas kromatografi, kalorimeter bomb dan beberapa uji fisik lainnya. Dari hasil percobaan yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa katalis dari bentonite cukup potensial untuk aplikasi pembuatan bahan bakar sintetis dari sampah. Pada suhu di
bawah 475oC produk cair yang dihasilkan dapat mencapai 60% dengan distribusi produk terbesar
adalah fraksi bensin.
Kata Kunci : Bentonite, katalis, karakterisasi
Abstract
Bentonite is clay generated frequently from the alteration of volcanic ash. Bentonite is consisting predominantly of smectite minerals, usually montmorillonite.Generally the main composition in
bentonite is SiO2 and Al2O3, and also consits of other minerals such as Fe2O3, MgO, CaO, K2O,
Na2O and LOI (Loss on Ignition). Because of its composition make this clay a valuable material for
a wide range of uses and industrial application. In this study, we utilize the bentonite as the raw material for preparation of catalyst for application in catalytic cracking of waste plastic to produce liquid fuel. The preparation of catalyst from bentonite was conducted by modification of bentonite using acid activation method. The characterization of bentonite and its modified form was conducted using XRD, nitrogen sorption, AAS, and SEM methods. The catalyst produced was used for cracking of waste plastic. Process variables studied were: type of catalyst and cracking temperature. The characterization of the liquid fuel product was conducted using gas chromatography, bomb calorimeter and several other physical test. The experimental results indicated that bentonite is potentialas the raw material for catalyst for the production of synthetic liquid fuel from plastic
waste.At temperature below 475oC the liquid fuel produced was 60% with the highest product
distribution is gasoline fraction.
1. Pendahuluan
Dewasa ini, penggunaan plastik mengalami peningkatan yang sangat tinggi. Penggunaan plastik dapat ditemui pada kehidupan sehari-hari, contohnya pada kemasan untuk makanan dan minuman, alat-alat rumah tangga. Limbah plastik merupakan salah satu limbah yang sulit terdegradasi secara natural. Akibatnya jumlah sampah plastik semakin meningkat dan menimbulkan permasalahan bagi lingkungan yang cukup serius. Solusi untuk mengatasi permasalahan ini adalah melakukan daur ulang sampah plastik dengan berbagai macam cara. Salah satu cara pemanfaatan sampah plastik yang cukup potensial adalah merubah menjadi bahan bakar melalui dekomposisi
thermal (Ahmed dan Gupta, 2009; Siddiqui,
2009; Paradela dkk, 2009) maupun secara katalitis (Miskolczi dkk, 2009; de Marco dkk, 2009).
Dekomposisi thermal sampah plastik menjadi bahan bakar cair membutuhkan energi yang relatif tinggi dan dibutuhkan upgrading pada produk yang dihasilkan. Dekomposisi secara katalitis memberikan beberapa keuntungan dibandingkan dengan dekomposisi secara
thermal yaitu dekomposisi berlangsung pada
suhu yang lebih rendah dan produk yang dihasilkan merupakan hidrokarbon dengan kandungan terbesar fraksi bahan bakar bensin dan tidak diperlukan upgrading untuk produk yang dihasilkan.
Sejauh ini katalis yang digunakan untuk proses dekomposisi katalitis sampah plastik menjadi bahan bakar cair adalah katalis berbasis zeolite (de la Puente dan Sedran, 1998; Serrano dkk, 2000; Manos dkk, 2001; Miskolczi dkk, 2009; de Marco dkk, 2009; Elordi dkk, 2009). Katalis berbahan dasar silika ini memiliki kelemahan yaitu struktur pori adalah mikropori dan distribusi ukuran porinya sempit disamping itu memiliki sifat asam yang kuat. Dengan dua sifat tersebut, produk terbesar yang dihasilkan pada degradasi katalitis sampah plastik adalah berupa produk gas. Produk bahan bakar berbentuk gas ini memiliki kelemahan dibanding bahan bakar cair yaitu dalam hal transportasi dan penyimpanan. Untuk itu perlu dilakukan suatu penelitian mengenai pembuatan katalis dari bahan baku yang memiliki tingkat keasaman sedang dan ukuran pori yang merupakan kombinasi mikropori dan makropori. Bentonite merupakan salah satu alternatif bahan yang dapat digunakan sebagai bahan dasar pembuatan katalis untuk proses dekomposisi katalitis sampah plastik menjadi bahan bakar cair.
Pada penelitian ini bentonite yang digunakan adalah bentonite yang berasal dari Pacitan jawa Timur. Bentonite tersedia melimpah
dengan harga yang sangat murah. Sehingga dengan digunakannya bentonite sebagai bahan baku pembuatan katalis maka bahan bakar cair yang dihasilkan dari proses dekomposisi atau perengkahan sampah plastik secara katalitis akan mampu bersaing dengan bahan bakar cair yang ada di pasaran seperti bensin, solar dan minyak tanah.
2. Teori Dasar
Proses pirolisis adalah proses dekomposisi termal material-material organik tanpa adanya udara dari luar. Pirolisis sering juga disebut dengan proses cracking, yaitu pemecahan molekul-molekul hidrokarbon di dalam fasa gas menjadi molekul-molekul yang lebih kecil. Hal ini bisa dilakukan dengan metode thermal atau
catalytic. Dalam pirolisis, material-material
plastik dipanaskan pada suhu tinggi, sehingga struktur-struktur molekulnya terpecah menjadi molekul-molekul yang lebih kecil dan akan terbentuk berbagai macam hidrokarbon.
Hasil dari proses pirolisis dapat dibedakan menjadi 3 yaitu fraksi gas, fraksi solid dan fraksi liquid. Fraksi liquid yang dihasilkan terdiri dari parafin, olefin, naphtanes, dan senyawa aromatik. Sedangkan fraksi gas yang dihasilkan terutama terdiri dari metana, etana, propana, dan hidrokarbon rantai C1-C4 dalam jumlah yang
cukup kecil.
Metode thermal cracking limbah plastik adalah proses pirolisis yang hanya menggunakan panas. Metode ini beroperasi pada tekanan atmosphere dan pada suhu antara 500-850oC. Beberapa kelebihan dari thermal cracking adalah produk gas yang dihasilkan hanya sedikit, yaitu sekitar 5 sampai 20 kali lebih sedikit jika dibandingkan dengan incineration, menghasilkan emisi yang lebih sedikit karena produk logam beracun terkonsentrasi di dalam abu, dan tidak dibutuhkan biaya untuk pembelian dan proses regenerasi katalis. Selain memiliki kelebihan, metode ini juga memiliki kekurangan yaitu energi yang digunakan selama proses berjalan cukup besar dan produk yang dihasilkan memiliki berat molekul dengan range yang sangat luas tergantung dengan kondisi yang digunakan. Dalam skala industri, proses thermal cracking tidak menguntungkan karena untuk mendapatkan kualitas gasoline yang baik masih dibutuhkan biaya untuk melakukan proses pemisahan sehingga biaya keseluruhan menjadi sangat mahal.
temperatur pirolisis yang lebih rendah. Penggunaan katalis menjadikan pirolisis limbah plastik tidak hanya ramah bagi lingkungan karena tidak menghasilkan emisis yang berbahaya tetapi juga dapat memberikan keuntungan bila diusahakan untuk menghasilkan bahan bakar alternatif.
Dalam menggunakan katalis, diperlukan adanya kontak antara plastik dengan katalis. Ukuran plastik dan katalis harus cukup kecil supaya keduanya dapat berkontak sesempurna mungkin. Kontak ini dapat meningkatkan jumlah produk liquid hasil pirolisis dan menyebabkannya cenderung memiliki berat molekul yang rendah. Kontak yang baik antara plastik dan polimer juga memberikan laju reaksi yang tinggi.
3. Metodologi
Pada penelitian ini percobaan dilakukan dalam 2 tahap, yaitu pembuatan katalis dan karakterisasinya kemudian dilanjutkan dengan tahap pembuatan bahan bakar cair dari sampah plastik dengan menggunakan metode dekomposisi secara katalitis. Katalis K10 montmorillonite yang diperoleh dari Sigma-Aldrich dan bentonite yang belum diaktivasi digunakan sebagai pembanding keefektifan katalis dari bentonite pacitan.
Pembuatan katalis dan uji karakterisasinya
Bentonite yang digunakan sebagai bahan baku pada penelitian ini diperoleh dari Pacitan. Sebelum digunakan sebagai bahan baku katalis terlebih dahulu bongkahan bentonite dikecilkan ukran partikel nya hingga ukuran tertentu dengan
menggunakan hammer mill JUNKE and
KUNKEL. Kemudian untuk menghilangkan kandungan senyawa organik yang terdapat dalam bentonite dilakukan perendaman dalam larutan H2O2 selama 24 jam. Setelah itu dilakukan
pencucian dan bentonite dikeringkan hingga kadar air nya mencapai 12%. Setelah itu dilakukan pengecilan ukuran hingga ukuran partikel dari bentonite mencapai 60/80 mesh dan selanjutnya serbuk bentonite tersebut disimpan dalam desikator untuk penggunaan selanjutnya.
Pembuatan katalis dilakukan dengan cara aktivasi asam dengan prosedur kerja sebagai berikut: mula-mula 100 gram bentonite ditambah dengan aquadest sehingga terbentuk slurry. Kemudian ke dalam slurry ditambahkan asam sulfat pekat (98%) dengan perbandingan asam/bentonite sebesar 0,35. Kemudian campuran dimasukkan ke dalam water bath bersuhu 90oC sambil diaduk dan dipanaskan selama 24 jam. Pada akhir waktu aktivasi ditambahkan air dalam jumlah berlebih ke dalam campuran untuk menghentikan reaksi aktivasi, kemudian dipisahkan antara padatan dengan
cairan dengan cara centrifugasi. Padatan kemudian dicuci berulang-ulang untuk menghilangkan sisa asam. Padatan kemudian dikeringkan pada suhu 100oC selama 24 jam dan selanjutnya dilakukan pengecilan ukuran partikel hingga diperoleh partikel berukuran 60/80 mesh.
Karakterisasi dari bentonite, katalis dengan aktivasi asam dan K10 montmorrilonite dilakukan dengan menggunakan metode AAS, XRD, dan adsorpsi nitrogen pada suhu -196OC. Analisa komposis logam dilakukan dengan menggunakan Atomic Absorption Spectrophotometer, AA6200 SHIMADZU. Untuk analisa nitrogen adsorption digunakan Quadrasorb SI, dan analisa XRD dilakukan dengan menggunakan alat Rigaku Miniflex Goniometer pada 30 kV dan 15 mA, menggunakan radiasi Cu Kα pada rentang pengukuran setiap 0.01o. Sedangkan karakterisasi permukaan bentonite dan katalis bentonite dilakukan dengan menggunakan JEOL JSM-6300F field emission SEM.
Pembuatan bahan bakar cair dan uji karakteristiknya
Secara garis besar langkah pembuatan bahan bakar cair dari pirolisis limbah plastik adalah sebagai berikut : mula-mula plastik dan katalis dengan perbandingan berat tertentu dimasukkan pada reaktor pirolisis yang dilengkapi dengan alat pemanas, kontrol suhu, kondensor, penampung tar dan gas, kemudian dipanaskan dengan laju pemanasan yang tertentu hingga tercapai suhu yang diinginkan. Selanjutnya proses dijaga pada suhu konstan tersebut selama waktu 30 menit atau hingga tidak lagi terbentuk uap/gas. Selama proses pirolisis akan terjadi peruraian plastik menjadi senyawa-senyawa yang lebih sederhana. Produk yang dihasilkan meliputi char (sisa padatan karbon yang tidak terurai), uap yang dapat terkondensasi disebut sebagai tar dan uap yang tidak dapat terkondensasi disebut sebagai gas. Setelah proses pirolisis berakhir, reaktor didinginkan sampai suhu kamar dan produk char dan tar yang dihasilkan ditimbang untuk mencari yieldnya. Yield produk gas massanya didapatkan dari neraca massa plastik awal dengan massa char dan tar.
pengaliran gas nitrogen pada laju 20 mL/menit, laju gas nitrogen dikontrol dengan menggunakan
gas comtroller GC200.
4.Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi katalis
Gambar 1 menunjukkan hubungan antara pengaruh suhu terhadap dekomposisi plastik yang diperoleh dari hasil percobaan yang menggunakan TGA/DSC 1 STAR system (Mettler toledo).
Gambar 1. Kurva TGA untuk dekomposisi sampah plastik + katalis
Dari gambar 1 terlihat bahwa bentonite mempunyai kemampuan sebagai katalis yaitu menurunkan suhu aktivasi proses perengkahan atau dekomposisi sampah plastik sehingga proses perengkahan sampah plastik dapat berlangsung pada suhu yang lebih rendah. Aktivasi asam bentonite pacitan mempunyai kemampuan untuk menurunkan energi aktivasi yang lebih baik dari komersial katalis K10 montmorillonite ditandai dengan lebih rendahnya suhu perengkahan seperti terlihat pada gambar 1.
Karateristik bentonite dan katalis
Gambar 2 memperlihatkan karakteristik permukaan bentonite
Gambar 2. SEM dari bentonite
Sedangkan gambar 3 menunjukkan SEM katalis yang terbuat dari bentonite yang telah mengalami modifikasi dengan asam
Gambar 3. SEM dari katalis bentonite
Dari gambar 2 dan 3 menunjukkan bahwa struktur permukaan dari bentonite yang telah mengalami aktivasi asam secara garis besar tidak mengalami perubahan yang berarti jika dibandingkan dengan bentonite awal.
Kurva adsorpsi nitrogen untuk bentonite awal dan katalis yang terbuat dari bentonite dapat dilihat pada gambar 4 berikut ini
Gambar 4. Isotherm adsorpsi gas nitrogen pada bentonite dan katalis dari bentonite
Dari hasil karakterisasi dengan menggunakan adsorpsi gas nitrogen pada suhu -196oC diperoleh
luas permukaan BET untuk bentonite awal adalah sebesar 91,627 m2/g dan volume total pori sebesar 0.705 cm3/g. Aktivasi bentonite dengan asam merubah luas permukaan BET menjadi 281 m2/g dan volume total pori berubah menjadi 0.916 cm3/g.
Aktivasi dengan menggunakan asam sulfat pada suhu yang cukup tinggi (mild condition) akan merusak strukture dari bentonite karena unsur-unsur besi, aluminium, magnesium dan lain-lain yang terdapat dalam struktur lapisan oktahedral bentonite akan terlarut sehingga akan terbentuk rongga-rongga baru pada struktur
p/po
100 200 300 400 500
bentonite sehingga meningkatkan luas permukaan dan volume pori total bentonite teraktivasi. Proses aktivasi ini juga meningkatkan surface
acidity dari bentonite dari 0,23 mmol/g menjadi
0,71 mmol/g.
Analisa elemental dan cation exchange
capacity (CEC) dari bentonite dan katalis yang
digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini
Tabel 1. Komposisi dan CEC dari bentonite dan katalis
Dari Tabel 1 terlihat bahwa aktivasi dengan menggunakan asam menurunkan harga cation
exchange capacity (CEC) dari katalis bentonite.
Penurunan harga CEC ini disebabkan karena kation-kation yang dapat saling bertukar
(exchangeable cations) pada bentonite telah
digantikan oleh kation H+ dari asam.
Basal spacing bentonite dan katalis yang
diukur dengan menggunakan metode XRD disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Basal spacing bentonite dan katalis
Bahan d001(A)
Bentonite 13.21
Katalis bentonite 16.42
K10 -
Bergesernya nilai basal spacing dari bentonite setelah mendapat perlakuan asam disebabkan karena dekomposisi partial dari lapisan bentonite karena pengaruh asam.
Dekomposisi katalitis sampah plastik
Komposisi elemental dari sampah plastik (dinyatakan dalam % berat) yang akan didekomposisi adalah sebagai berikut
Tabel 3. Komposisi elemental sampah plastik dan nilai kalor total (MJ/kg)
C H N S inorganic other GCV
81,4 13,5 1,6 0,2 2,4 0,8 42,1
Dari tabel 3 terlihat bahwa sampah plastik yang digunakan mengandung sejumlah kecil bahan an-organik dan komponen lain yang tidak diketahui (kemungkinan adalah senyawa Cl).
Pada percobaan ini konversi sampah plastik yang terdekomposisi menjadi produk gas dan cair dinyatakan dalam persen berat
sedangkan produk padatan merupakan sisa dekomposisi dari sampah plastik terdiri dari senyawa-senyawa inorganik dan sisa karbon (coke). Sampah plastik yang terkonversi menjadi produk cair dan gas pada berbagai macam suhu dapat dilihat pada gambar 5 dan 6
Gambar 5. Produk liquid yang dihasilkan pada dekomposisi sampah plastik pada
berbagai macam suhu
Gambar 6. Produk gas yang dihasilkan pada dekomposisi sampah plastik pada berbagai
macam suhu
Dari gambar 5 dan 6 terlihat bahwa pada perengkahan sampah plastik secara termal produk yang dihasilkan sebagian besar adalah produk gas. Tanpa adanya katalis energy aktivasi untuk proses dekomposisi polimer menjadi senyawa-senyawa yang lebih sederhana cukup tinggi sehingga suhu dekomposisinya juga cukup tinggi. Pada dekomposisi secara thermal ini juga terjadi
secondary reaction dimana produk liquid yang
terbentuk akan terdekomposisi kembali menjadi produk yang lebih sederhana yaitu produk gas.
Dengan penambahan bentonite sebagai terlihat produk zat cair mengalami peningkatan yang cukup berarti sedangkan produk gas mengalami penurunan, fenomena ini menunjukan bahwa bentonite dari Pacitan memiliki suatu
Suhu dekomposisi, oC
100 200 300 400 500 600
Li Sampah plastik + bentonite Sampah plastik + K10 Montmorillonite Sampah plastik + bentonite aktivasi asam
Suhu dekomposisi, o
C
100 200 300 400 500 600
potensi untuk digunakan sebagai katalis pada pembuatan bahan bakar cair sintetis dari sampah plastik. Proses aktivasi bentonite dengan menggunakan asam kuat pekat (H2SO4) pada
suhu yang cukup tinggi meningkatkan kemampuan bentonite sebagai katalis yang efektif untuk pembuatan bahan bakar cair sintetis dari sampah plastik seperti terlihat pada gambar 5 dan 6. Di sini terlihat bahwa katalis bentonite dengan aktivasi asam memiliki selektivitas yang tinggi untuk pembentukan produk cair. Kefektifan katalis dari aktivasi bentonite pacitan ini lebih tinggi bila dibandingkan katalis komersial K10 montmorillonite.
Untuk mempelajari pengaruh katalis terhadap karakteristik produk cair yang dihasilkan dari dekomposisi sampah plastik, seluruh komponen yang terdapat dalam produk cair termasuk komponen-komponen yang luas area nya < 0,1 % diidentifikasi dengan menggunakan GCMS-QP2010P SHIMADZU. Komponen-komponen yang teridentifikasi dikelompokan berdasarkan jumlah atom karbon yaitu C5-C9, C10-C13, dan fraksi yang lebih besar
dari C13. Hasil identifikasi produk cair
dekomposisi sampah plastik dapat dilihat pada tabel 4 berikut ini
Tabel 4. Indentifikasi senyawa-senyawa dalam produk cair dekomposisi sampah plastik
C5-C9
*keterangan SP adalah sampah plastik
Dari tabel 4 dapat dilihat bahwa bahwa dekomposisi sampah plastik dengan menggunakan katalis akan menghasilkan produk dengan fraksi terbesar adalah fraksi bahan bakar bensin (C5-C9) dan minyak berat (>C13) fraksinya
cukup rendah.
5. Kesimpulan
Dari hasil percobaan yang dilakukan beberapa kesimpulan yang dapat diperoleh adalah:
Bentonite pacitan mempunyai nilai potensial untuk digunakan sebagai bahan baku pembuatan katalis untuk proses dekomposisi sampah plastik menjadi bahan bakar cair
Aktivasi dengan menggunakan asam pada bentonite pacitan dapat meningkatkan
selektifitas bentonite untuk menghasilkan produk cair.
Fraksi terbesar dari produk cair yang dihasilkan dari dekomposisi sampah plastik adalah fraksi bensin.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dirjen DIKTI atas pembiayaan penelitian ini melalui proyek Hibah Bersaing DIKTI dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian Nomor: 111/SP2H/PP/DP2M/IV/2009, tanggal 6 April 2009.
Daftar Pustaka
[1] Ahmed, I.I., dan Gupta, A.K., (2009), “Hydrogen production from polystyrene pyrolysis and gasification: characteristics and kinetics”, International Journal of
Hydrogen Energy, 34, hal. 6253-6264
[2] de Marco, I., Caballero, B.M., Lopez, A., Laresgoiti, M.F., Torres, A., Chomon, M.J., (2009),”Pyrolysis of the rejects of a waste packaging separation and classification plant”, Journal of Analytical
and Applied Pyrolisis, 85, 384-391
[3] de la Puente, G., dan Sedran, U., (1998), “Recycling polystyrene into fuels by means of FCC: performance of various acidic catalyst”, Applied Catalysis B:
Environmental, 19, hal. 305-311
[4] Elordi, G., Olazar, M., Lopez, G., Amutio, M., Artetxe, M., Aguado, R., dan Bilbao, J., (2009), “Catalytic pyrolysis of HDPE in continuous mode over zeolite catalyst in a conical spouted bed reactor”, Journal
of Analytical and Applied Pyrolisis, 85,
hal. 345-351
[5] Manos, G., Yusof, I.Y., Papayannakos, N., dan Gangas, N.H., (2001), “Catalytic cracking of ploethyelene over clay catalyst. Comparison with ultrastable Y zeolite”, Industrial and Engineering
Chemistry Research, 40, hal. 2220-2225
[6] Miskolczi, N., Angyal, A., Bartha, L., dan Valkai, L., (2009), “Fuels by pyrolysis of waste plastic from agricultural dan packaging sectors in a pilot scale reaktors”, Fuel Processing Technology, 90, hal. 1032-1040
[7] Paradela, F., Pinto, F., Ramos, A.M., Gulyurtlu, I., dan Cabrita, I., (2009), “Study of slow batch pyrolysis of mixtures of plastics, tyres, and forestry biomass wastes”, Journal of Analytical
[8] Serrano, D.P., Aguado, J., dan Escola, J.M., (2000), “Catalytic conversion of polystyrene over HMCM-41, HZSM-5 and amorphous SiO2-Al2O3: comparison
with thermal cracking”, Applied Catalysis
B: Environmental, 25, hal. 181-189
[9] Siddiqui, M.N., (2009),”Conversion of hazardous plastic waste into useful chemical products”, Jounal of Hazardous
