1
Staff Pengajar Program Studi Kimia, FMIPA UNLAM Banjarbaru Email: [email protected]
100
SEBAGAI KATALIS UNTUK REAKSI TRANSESTERIFIKASI
(Kajian Pengaruh Temperatur Reaksi dan Rasio Mol Metanol: Minyak)Sunardi1, Kholifatu Rosyidah1 dan Toto Betty Octaviana1
Abstrak: Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur kalsinasi terhadap kristalinitas dan aktivitas katalis CaO dari limbah cangkang bekicot (Achatina fulica) dalam sintesis biodiesel dari minyak sawit. Preparasi katalis dilakukan dengan mengkalsinasi cangkang pada variasi temperatur 700oC, 800oC dan 900oC selama 4 jam untuk mendapatkan senyawa CaO dan dianalisis dengan XRD (X-Ray Difraction) untuk mengetahui karakteristik katalis yang diperoleh. Katalis kemudian digunakan untuk reaksi transesterifikasi untuk mengetahui aktivitas katalitik dari CaO. Hasil yang didapat menunjukkan bahwa katalis terbaik didapatkan pada temperatur kalsinasi 800oC. Kondisi terbaik dicapai pada temperatur reaksi transesterifikasi 60oC dengan rasio mol metanol:minyak 12:1.
Kata Kunci: Biodiesel, Cangkang Bekicot, Transesterifikasi, CaO.
PENDAHULUAN
Katalis adalah suatu zat yang
berfungsi mempercepat laju reaksi
dengan menurunkan energi aktivasi,
namun tidak menggeser letak
keseimbangan. Katalis homogen
yang banyak digunakan pada reaksi
transesterifikasi adalah katalis
basa/alkali seperti kalium hidroksida
(KOH) dan natrium hidroksida (NaOH)
(Darnoko, 2000). Produksi biodiesel
menggunakan katalis homogen
berlangsung secara cepat, namun
diperlukan langkah tambahan untuk
menghilangkan kotoran katalis dari
produk sehingga meningkatkan biaya
produksi akhir (Zabeti et al., 2009).
Kelemahan lain dari katalis homogen
yaitu bersifat korosif, berbahaya
karena dapat merusak kulit, mata,
paru-paru bila tertelan, sulit
dipisahkan dari produk sehingga
terbuang pada saat pencucian, tidak
dapat digunakan kembali dan akan
mencemari lingkungan (Widyastuti,
2007). Alternatif lain adalah
penggunaan katalis heterogen, yaitu
katalis yang mempunyai fasa yang
tidak sama antara reaktan dan
produk. Beberapa jenis katalis
heterogen yang dapat digunakan
pada reaksi transesterifikasi adalah
CaO dan MgO.
Cangkang bekicot merupakan
salah satu sumber CaO yang murah
yang mempunyai potensi untuk
dimanfaatkan sebagai katalis
CaCO3 melalui pemanasan pada
temperatur tinggi. Penelitian ini
bertujuan untuk mengetahui
karakteristik dan kemampuan katalis
CaO dari cangkang bekicot sebagai
kataliheterogen untuk reaksi
transesterifikasi minyak sawit menjadi
biodiesel.
METODOLOGI PENELITIAN Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan antara
lain difraktometer sinar-X, peralatan
refluks, alat distilasi, hot plate,
termometer, neraca analitik,
viskometer, piknometer dan furnace.
Bahan-bahan yang digunakan adalah
limbah cangkang bekicot yang
diperoleh di daerah Banjarbaru,
Kalimantan Selatan, minyak sawit,
akuades, kalium hidroksida, metanol,
isopropil alkohol, indikator fenolftalein.
Preparasi dan Karakterisasi Katalis Cangkang bekicot sebanyak
500 gram dibersihkan beberapa kali
guna menghilangkan protein dan
zat-zat lain menggunakan air panas.
Selanjutnya cangkang dikeringkan
pada temperatur 100oC selama 24
jam dan kemudian dihaluskan dan
diayak sehingga lolos 120 mesh.
Katalis CaO diperoleh dengan cara
mengkalsinasi cangkang pada
temperatur 700oC, 800oC dan 900oC
selama 4 jam. Fase kristalin dari
sampel hasil kalsinasi dianalisis
dengan difraktometri sinar-X untuk
mengetahui karakteristik katalis yang
diperoleh.
Reaksi Transesterifikasi
Reaksi transesterifikasi
dilakukan dengan menggunakan labu
leher tiga dilengkapi dengan
pengaduk magnetik dan kondensor
dengan variasi temperatur 55oC,
60oC, 65oC dan 70oC. Sebanyak 50
ml minyak sawit dimasukkan ke dalam
labu, kemudian ditambahkan katalis
sebanyak 10% (b/b) katalis CaO
komersial dan katalis hasil kalsinasi
(CaO700, CaO800 dan CaO900) dengan
rasio molar metanol dengan minyak
6:1, 9:1, 12:1 dan 15:1. Waktu reaksi
ditentukan selama 120 menit dan
reaksi dihentikan dengan cara labu
direndam dalam air es. Hasil reaksi
transesterifikasi disentrifuse untuk
memisahkan katalis sedangkan fase
minyak dan sisa metanol kemudian
dipisahkan dari sisa metanol,
kemudian dicuci dengan akuades
sampai netral. Biodiesel yang
dihasilkan kemudian dilakukan uji
kualitas biodiesel yang meliputi
viskositas, bilangan asam, kadar air
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Temperatur Kalsinasi terhadap Karakteristik Katalis
Proses kalsinasi dilakukan pada
temperatur 700oC, 800oC dan 900oC
untuk mencari katalis terbaik dengan
melihat kristalinitas katalis
masing-masing sampel. Gambar 1
memperlihatkan perbandingan
difraktogram cangkang sebelum dan
sesudah kalsinasi pada variasi
temperatur 700oC, 800oC dan 900oC
yang selanjutnya disebut dengan
CaO700, CaO800 dan CaO900.
Gambar 1. Difraktogram (a) cangkang bekicot alami (b) kalsinasi 700oC (c) kalsinasi 800oC (d) kalsinasi 900oC.
Hasil difraktogram memperlihatkan
hilangnya puncak-puncak CaCO3 di daerah 2θ = 30,44°; 41,86°; 49,10o;
56,25°; 63,46°dan 72,26°. Hal ini
memperlihatkan bahwa perlakuan
kalsinasi menyebabkan perubahan
komposisi senyawa kimia dalam
timbulnya puncak-puncak baru yang
berbeda dengan difraktogram pada
cangkang alami. Puncak baru ini
Analisis pH dilakukan untuk
mengetahui tingkat kebasaan dari
ketiga sampel yang dikalsinasi dimana
dari hasil pengukuran semua sampel
menunjukkan pH sebesar 11,67; 11,69
dan 11,76. Hasil pengukuran pH dapat
dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengukuran pH katalis Jenis Katalis pH
Nilai-nilai yang terukur
menunjukkan bahwa temperatur
kalsinasi tidak membuat perubahan
signifikan terhadap pH katalis. Hal ini
dikarenakan senyawa-senyawa yang
dikandung oleh katalis CaO700,
CaO800 dan CaO900 relatif sama,
artinya tidak ada perubahan senyawa
diantara ketiga katalis akibat
perubahan temperatur kalsinasi.
Uji Aktivitas Katalis CaO
Kajian Pengaruh Temperatur Kalsinasi terhadap Aktivitas Katalis
Pada penelitian ini dilakukan
reaksi transesterifikasi menggunakan
katalis CaO dari cangkang bekicot
dan CaO komersial sebagai
pembanding. Beberapa parameter
yang dianalisis antara lain adalah
viskositas, densitas, bilangan asam,
kadar air dan rendemen.
Viskositas
Viskositas biodiesel hasil
reaksi menggunakan katalis CaO700,
CaO800 dan CaO900 berturut-turut
adalah 36,72; 31,2 dan 39,66 mm2/s.
Nilai viskositas menggunakan katalis
CaO700, CaO800 ini lebih kecil
daripada nilai viskositas bahan baku
berupa minyak sawit yang memiliki
viskositas sebesar 40,39 mm2/s. Hal
ini berarti adanya penurunan
viskositas yang menunjukkan
terjadinya pemutusan rantai panjang
trigliserida menjadi metil
Densitas
Sama seperti viskositas, pada
saat digunakan katalis CaO800
menghasilkan produk metil ester
yang memiliki densitas yang terkecil
dibandingkan katalis CaO700 dan
CaO900 yaitu sebesar 0,896 g/ml
sedangkan nilai densitas pada saat
digunakan katalis CaO700 dan CaO800
berturut-turut adalah 0,905 dan 0,902
g/ml. Nilai densitas yang besar
disebabkan oleh berat molekul yang
besar, dan berat molekul yang besar
ini adalah trigliserida yang belum
terkonversi menjadi biodiesel.
Densitas biodiesel ini juga
mengalami penurunan dari densitas
bahan baku yang memiliki densitas
0,913 g/ml. Nilai densitas
dipengaruhi oleh faktor gliserol yang
terdapat dalam biodiesel.
Bilangan Asam
Bilangan asam biodiesel
dengan variasi temperatur kalsinasi
cangkang bekicot dapat diamati pada
Tabel 2. Bilangan asam biodiesel
menunjukkan penurunan jika
dibandingkan dengan bilangan asam
bahan baku minyak sawit. Nilai
bilangan asam minyak sawit adalah
sebesar 0,42 mg-KOH/g sedangkan
nilai bilangan asam dengan katalis
CaO700 dan CaO800 adalah 0,14
mg-KOH/g. Kondisi ini menunjukkan
bahwa pada temperatur kalsinasi
700oC dan 800oC katalis yang
dihasilkan mampu mengurangi
jumlah bilangan asam bahan baku.
Sedangkan pada temperatur kalsinasi
900oC katalis yang digunakan tidak
mampu menurunkan bilangan asam
bahan baku, hal ini juga terjadi saat
digunakan katalis komersial CaO.
Terbentuknya asam lemak bebas ini
disebabkan oleh reaksi hidrolisis yang
terjadi pada biodiesel, dan ini
berdampak pada kandungan air yang
terdapat dalam biodiesel.
Kadar Air
Kadar air biodiesel ditunjukkan
pada Tabel 2. Nilai kadar air biodiesel
dengan katalis CaO700, CaO800,
CaO900 dan CaOkomersial berturut-turut
adalah 0,0439%; 0,0039%; 1,038%
dan 0,522%. Tingginya kadar air
menggunakan katalis CaO900 ini
mungkin karena pada saat
penyimpanan, biodiesel bereaksi
dengan uap air. Hal ini sesuai
dengan sifat biosiesel yang
higroskopis. Kondisi ini juga terjadi
pada saat menggunakan katalis
CaOkomersial. Kadar air yang terukur
lebih besar daripada kadar air yang
menggunakan CaO700, CaO800.
berasosiasi dengan reaksi hidrolisis
yang menyebabkan biodiesel berubah
menjadi asam lemak bebas
(Mittelbach & Remschmidt, 2004).
Tabel 2. Hasil uji kualitas biodiesel dengan menggunakan katalis hasil kalsinasi
Parameter
Katalis
CaO
komersial
Minyak
sawit SNI CaO700 CaO800 CaO900
Viskositas
40○C(mm2/s) 36,72 31,02 39,66 5,99 40,39 2,3-6,0 Densitas
(g/cm3) 0,905 0,896 0,902 0,863 0,913 0,85-0,89
Kadar air (%) 0,0439 0,0039 1,038 0,5219 0,0579 Maks 0,05
Bilangan asam
(mg-KOH/g) 0,14 0,14 0,42 0,42 0,42 Maks 0,8
Rendemen (%) 78 86 82 85 - -
Kajian Pengaruh Temperatur Reaksi Transesterifikasi
Menurut Kusmiati (2008),
kenaikan temperatur akan
meningkatkan kecepatan reaksi
transesterifikasi karena semakin
banyak energi yang digunakan antar
molekul-molekul reaktan untuk
bertumbukan.
Proses transesterifikasi akan
berlangsung lebih cepat bila
temperatur dinaikkan mendekati titik
didih metanol. Viskositas terendah
dihasilkan pada saat temperatur reaksi
60oC, begitu juga dengan densitas,
kadar air dan bilangan asam. Secara
keseluruhan, hasil uji kualitas biodiesel
semakin turun ketika temperatur reaksi
melebihi temperatur 60oC.
Viskositas
Viskositas terendah pada reaksi
transesterifikasi diperoleh saat
temperatur 60oC dengan nilai 31,02
mm2/s. Viskositas biodiesel ketika
temperatur 55oC masih sangat tinggi
yaitu sebesar 33,84 mm2/s, namun
saat temperatur reaksi naik menjadi
60oC viskositasnya menurun menjadi
31,02 mm2/s dan semakin meningkat
seiring dengan bertambahnya
Tabel 3. Hasil uji kualitas biodiesel dengan variasi temperatur reaksi transesterifikasi
. Densitas
Densitas biodiesel pada
temperatur reaksi 55oC adalah 0,898
g/ml, kemudian turun menjadi 0,875 g/ml
disaat temperatur reaksi dinaikkan
menjadi 60oC. Hal ini dikarenakan pada
kondisi tersebut temperatur 60oC mampu
memutus senyawa trigliserida menjadi
metil ester. Namun densitas kembali naik
lagi ketika temperatur berturut-turut
dinaikkan menjadi 65oC dan 70oC.
Naiknya nilai densitas ketika temperatur
65oC dan 70oC mengindikasikan bahwa
biodiesel yang dihasilkan masih memiliki
berat molekul yang besar.
Bilangan Asam
Bilangan asam pada saat
temperatur reaksi 55oC dan 60oC memiliki
nilai yang sama 0,14 mg-KOH/g, namun
nilainya naik ketika temperatur reaksi
65oC dan 70oC yaitu sebesar 0,28
mg-KOH/g. Berdasarkan data yang
didapatkan pada variasi rasio mol reaktan
sudah sesuai dengan standar dari SNI
(maksimum 0,80 mg-KOH/g). Jika
dibandingkan dengan bilangan asam
bahan baku (minyak sawit) yang nilainya
0,42 mg-KOH/g, bilangan asam biodiesel
telah mengalami penurunan.
Kadar
Pada temperatur reaksi 55oC
kadar air yang terukur adalah sebesar
0,1996%, kemudian saat temperatur
reaksi dinaikkan menjadi 60oC biodiesel
yang dihasilkan memiliki kadar air yang
sangat kecil yaitu 0,0039%. Dilihat dari
kadar air biodiesel pada temperatur 60oC
memiliki kualitas yang bagus karena
kadar airnya yang sangat kecil. Kadar air
biodiesel kembali naik lagi ketika
temperatur reaksi 65 dan 70oC yaitu
berturut-turut sebesar 0,2575 dan 0,4%. Parameter Temperatur (
oC)
Minyak
sawit SNI
55 60 65 70
Viskositas 40○C
(mm2/s) 33,84 31,02 31,10 32,71 40,39 2,3-6,0
Densitas (g/cm3) 0,898 0,875 0,894 0,895 0,913 0,85-0,89
Kadar air (%) 0,1996 0,0039 0,2575 0,4 0,0579 Maks 0,05
Bilangan asam
(mg-KOH/g) 0,14 0,14 0,28 0,28 0,42 Maks 0,8
Kajian Pengaruh Rasio Mol Metanol: Minyak
Secara stoikiometri, reaksi
pembentukan metil ester terjadi ketika
satu mol trigliserida bereaksi dengan
tiga mol metanol, namun menurut
Empikul et al., (2010) jumlah metanol
berlebih akan membantu pembentukan
spesies metoksi pada permukaan CaO
dan juga dapat mendorong reaksi
bergeser ke arah kanan kesetimbangan.
Walaupun demikian penambahan
metanol terlalu banyak tidak akan
meningkatkan laju reaksi, bahkan akan
menyebabkan sebagian besar gliserol
akan terlarut dalam metanol berlebih
yang akan menghambat reaksi. Hasil uji
kualitas biodiesel dengan variasi rasio
mol metanol minyak disajikan dalam
Tabel4.
Tabel 4. Hasil uji kualitas biodiesel dengan variasi rasio mol metanol: minyak
Parameter Rasio mol metanol: minyak Minyak
sawit SNI 6:1 9:1 12:1 15:1
Viskositas
40○C(mm2/s) 35,60 31,08 31,02 31,72 40,39 2,3-6,0
Densitas
(g/cm3) 0,898 0,896 0,875 0,892 0,913 0,85-0,89
Kadar air (%) 0,1575 0,1445 0,0039 0,0802 0,0579 Maks 0,05
Bilangan asam
(mg-KOH/g) 0,42 0,42 0,14 0,42 0,42 Maks 0,8
Rendemen (%) 78 80 86 86 -
Hasil yang diperoleh
menunjukkan bahwa kualitas biodiesel
semakin baik seiring dengan
meningkatnya rasio mol metanol:
minyak. Hal ini dapat dilihat dari Tabel
4, dimana viskositas biodiesel semakin
turun dengan peningkatan rasio mol
yang ditambahkan, begitu juga dengan
nilai densitas biodiesel. Namun, disaat
rasio mol metanol: minyak 15:1,
kualitas biodiesel menurun jika
dibandingkan pada saat rasio mol
metanol: minyak 12:1. Hal ini
dikarenakan penambahan metanol
yang terlalu banyak akan menurunkan
kualitas biodiesel, yang bisa dilihat dari
naiknya nilai viskositas dan densitas
biodiesel.
Viskositas
Berdasarkan data Tabel 4
mm2/s menjadi 31,08 mm2/s pada saat
rasio mol metanol: minyak 9:1.
Viskositas yang terukur masih besar
jika dibandingkan dengan standar
kualitas biodiesel menurut SNI (2,3-6,0
mm2/s). Viskositas biodiesel paling
rendah dari empat varian rasio mol
reaktan terjadi ketika rasio mol 12:1
yaitu sebesar 31,02 mm2/s.
Densitas
Densitas semua biodiesel sudah
sesuai dengan standar yang ditetapkan
oleh SNI yaitu berkisar antara 0,85-0,89
g/ml. Nilai densitas ini juga lebih rendah
jika dibandingkan dengan densitas
bahan baku minyak sawit yang nilainya
0,913 g/ml. Sama seperti viskositas,
penurunan nilai densitas menunjukkan
telah terjadi pemutusan ikatan
trigliserida menjadi metil ester yang
memiliki berat molekul yang lebih kecil.
Bilangan Asam
Variasi rasio mol reaktan tidak
berpengaruh terhadap bilangan asam,
hal ini dapat dilihat dari Tabel 4. Ketika
rasio mol reaktan 6:1 nilainya sama
dengan disaat rasio mol reaktan 9:1
dan 15:1 yaitu sebesar 0,42 mg-KOH/g.
Sedangkan pada saat rasio mol reaktan
12:1 bilangan asam yang terukur
adalah sebesar 0,14 mg-KOH/g.
Secara keseluruhan bilangan asam
biodiesel yang dihasilkan telah
mengalami penurunan dari bilangan
asam bahan baku (minyak sawit) yang
memiliki bilangan asam 0,42
mg-KOH/g.
Kadar Air
Pada kondisi rasio mol reaktan
6:1 kadar air yang terukur adalah
0,1575%, kemudian kadar air menurun
disaat rasio mol reaktan 9:1 yaitu
sebesar 0,1445%. Kadar air terkecil
diperoleh pada saat kondisi rasio mol
reaktan 12:1 yang bernilai 0,0039%,
nilai ini memenuhi standar SNI yang
menetapkan kadar air biodiesel
maksimum 0,05%. Berdasarkan uraian
di atas didapatkan bahwa jumlah rasio
mol metanol: minyak 12:1 merupakan
kondisi terbaik untuk pembuatan
biodiesel dengan menggunakan katalis
CaO dan bahan baku minyak sawit.
KESIMPULAN
Proses kalsinasi cangkang
bekicot pada temperatur tinggi mampu
mengkonversi CaCO3 menjadi CaO
yang berfungsi sebagai katalis
heterogen. Berdasarkan hasil penelitian
yang telah dilakukan, temperatur dan
rasio mol metanol: minyak berpengaruh
terhadap reaksi transesterifikasi dimana
temperatur optimum dalam reaksi
rasio mol metanol:minyak sebesar 12:1
dan menggunakan cangkang bekicot
hasil kalsinasi pada temperatur 800 oC.
DAFTAR PUSTAKA
Darnoko, D., A. Nasution, & G. Bagus. 2005. Produksi Biodiesel dari Crude Palm Oil. Warta PPKS, Medan.
Empikul, N.V., P. Krasae, B. Puttasawat, B. Yoosuk, N. Chollacoop, & K.Faungnawakij. 2010. Waste Shells of Mollusk and Egg as Biodiesel Production Catalysts. Bioresource Technology 101:3765–3767.
Kusmiyati. 2008. Reaksi Katalitis Esterifikasi Asam Oleat Dan Metanol Menjadi Biodiesel
Dengan Metode Distilasi Reaktif.
Reaktor, Vol. 12 No. 2, 78-82
Mittelbach, M. & C. Remschmitdt. 2004. Biodiesel : The Comprehensive Handbook. Edisi ke-1. Boersedruck Ges.m.b. H. vienna, Austria.
Widyastuti, L. 2007. Reaksi Metanolisis Minyak Biji Jarak Pagar Menjadi Metil Ester Sebagai Bahan Bakar Pengganti Minyak Diesel Dengan Menggunakan Katalis KOH. Skripsi. Jurusan Kimia Universitas Negeri Semarang.
Zabeti, M., W.M.A. Daud, & M. Aroua. 2009. Optimization of the Activity of CaO/Al2O3 Catalyst for
Biodiesel Production Using Response Surface Methodology.
