1
SINTESIS KATALIS K2O/CaO YANG DI HIDRASI DAN DEHIDRASI SERTA APLIKASINYA PADA TRANSESTERIFIKASI CPO DENGAN
VARIASI SUHU REAKSI
Harnanda Febrian1, Nurhayati2
1Mahasiswa Program S1 Kimia
2 Dosen Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia
harnanda.febrian0670@student.unri.ac.id ABSTRACT
CaO catalyst is a heterogeneous base catalyst which has been widely used in biodiesel synthesis. Hydration-dehydration is one of the newest methods in the synthesis of CaO catalysts which is considered quite efficient in increasing biodiesel yield. The purpose of this research is to synthesize K2O/CaO catalyst using KOH-impregnated hydration-dehydration method in biodiesel production and to characterize the catalyst using XRD (X-Ray Diffraction) to determine the type of mineral and crystal size as well as the crystanillity of the catalyst. Transesterification is a reaction between oil and methanol to produce FAME (Fatty Acid Metil Ester). The catalyst was tested in biodiesel synthesis with variations in reaction temperature (50, 55, 60, 65oC). As for the optimum conditions produced, the maximum yield of biodiesel is 83.03% using a catalyst K2O/CaO (3%K) with a purity of 96.95% obtained under the condition of a mole:oil ratio of 1:6, catalyst weight of 3% (w/w), reaction time of 3 hours, stirring speed of 500 rpm, and reaction temperature of 60oC. The characteristics of biodiesel produced in this study are water content of 0,05% (%v/v), specific gravity of 870,9 kg/m3, viscosity of 3,2 mm2/s, carbon residue of 0,28%, acid number of 0,49 mg KOH g-1 and lathering number of 217,398 mg KOH g-1. In general, the characteristics of biodiesel have occupy SNI 04-7182-2015 except carbon residues. Based on the results of the study, it shows that K2O/CaO is a good catalyst used in the transesterification process for biodiesel production.
keywords : biodiesel, K2O/CaO catalyst, transesterification
ABSTRAK
Katalis CaO merupakan katalis basa heterogen yang telah banyak digunakan dalam sintesis biodiesel. Hidrasi-dehidrasi merupakan salah satu metode terbarukan dalam sintesis katalis CaO yang dinilai cukup efisien dalam meningkatkan yield biodiesel. Tujuan penelitian ini yaitu mensintesis katalis K2O/CaO menggunakan metode hidrasi-dehidrasi yang diimpregnasi KOH (%K: 0, 1, 3, 5, 7) dalam produksi biodiesel dan mengkarakterisasi
katalis menggunakan XRD (X-Ray Diffraction) untuk menentukan jenis mineral dan ukuran kristal serta kristanilitas katalis. Transesterifikasi merupakan reaksi antara minyak dan metanol untuk menghasilkan FAME (Fatty Acid Metil Ester). Katalis K2O/CaO diuji dalam sintesis biodiesel dengan variasi suhu reaksi (50, 55, 60, 65oC). Adapun kondisi optimum yang dihasilkan, yield maksimum dari biodiesel adalah 83,03% menggunakan katalis K2O/CaO (3%K) kemurnian 96,95% yang diperoleh pada kondisi rasio mol:minyak 1:6, berat katalis 3% (b/b), waktu reaksi 3 jam, kecepatan pengadukan 500 rpm, dan suhu reaksi 60oC. Karakteristik biodiesel yang dihasilkan pada penelitian ini yaitu kandungan air 0,046%
(%v/v), berat jenis 870,9 kg/m3, viskositas 3,2 mm2/s, residu karbon 0,28%, bilangan asam 0,49 mg KOH g-1 dan bilangan penyabunan 217,398 mg KOH g-1. Secara umum karakteristik biodiesel sudah memenuhi SNI 04-7182-2015 kecuali residu karbon.
Berdasarkan hasil penelitian menunjukkan bahwa K2O/CaO adalah katalis yang baik digunakan dalam proses transesterifikasi untuk produksi biodiesel.
Kata kunci : biodiesel, katalis K2O/CaO, transesterifikasi PENDAHULUAN
Biodiesel merupakan bahan bakar terbarukan yang berasal dari minyak nabati dan lemak hewani. Salah satu sumber alternatif minyak nabati yang dapat dijadikan sebagai biodiesel yaitu CPO (Crude Palm Oil). Indonesia memiliki potensi yang sangat besar untuk memproduksi biodiesel karena perkembangan produksi CPO di Indonesia meningkat setiap tahunnya dibuktikan pada tahun 2011 dan 2012 produksi CPO mencapai 24,1 dan 26,5 juta ton per tahun (Al Hakim & Mustafa, 2013).
Biodiesel umumnya dihasilkan oleh reaksi transesterifikasi minyak dan alkohol dengan bantuan katalis untuk menghasilkan mono-alkyl ester dan gliserol, Penggunaan katalis homogen pada proses transesterifikasi pembuatan biodiesel menghasilkan yield metil ester yang tinggi pada suhu yang rendah (Niju et al., 2014) tetapi sulit untuk dipisahkan dari campuran reaksi sehingga penggunaan katalis ini tidak dapat di- recycle. Oleh karena itu, perlu
dikembangkan katalis heterogen untuk pembuatan biodiesel sehingga dapat menghasilkan biodiesel yang lebih ramah lingkungan, lebih mudah di pisahkan dari sisa pengolahan biodiesel dan dapat digunakan kembali.
Kalsium oksida (CaO) adalah salah satu katalis heterogen yang paling baik digunakan untuk sintesis biodiesel karena ramah lingkungan, tidak beracun, biaya yang lebih rendah, aktivitas katalitik yang baik dan kelarutan yang rendah dalam metanol (Roschat et al., 2018). Penelitian mengenai sintesis biodiesel yang memanfaatkan limbah cangkang kerang darah sebagai katalis heterogen CaO telah dilakukan oleh Gafur (2015). Gafur (2015) mensintesis katalis CaO dengan cara mengkalsinasi cangkang kerang darah pada suhu 900oC selama 10 jam yang digunakan untuk sintesis biodiesel berbahan baku CPO dan menghasilkan perolehan biodiesel maksimum sebesar 84,89%. Hasil perolehan biodiesel ini dinilai cukup tinggi namun tingkat kemurniannya masih rendah. Oleh karena
3 itu, katalis tersebut perlu dimodifikasi
dengan metode hidrasi-dehidrasi terimpregnasi KOH untuk meningkatkan aktivitas katalitik dan kebasaan dari katalis sehingga akan meningkatkan perolehan yield biodiesel.
Hidrasi-dehidrasi merupakan metode sintesis katalis dengan menggunakan refluks pada suhu 60oC selama 6 jam guna memperluas permukaan katalis dan memperkecil ukuran kristal katalis sehingga dapat meningkatkan aktivitas katalitik dalam produksi biodiesel. Penggunaan metode hidrasi-dehidrasi telah dilakukan oleh beberapa peneliti, diantaranya Yoosuk et al (2010), (Asikin-Mijan et al (2015) dan Roschat et al (2018) dengan perolehan yield biodiesel > 90%.
Upaya yang dapat dilakukan untuk meningkatkan yield biodiesel yaitu dengan melakukan hidrasi- dehidrasi dan dimpregnasi KOH pada katalis. Oleh karena itu, dalam penelitian ini dilakukan sintesis katalis dari cangkang kerang darah (Anadara Granosa) yang dikalsinasi pada suhu 900oC selama 5 jam. Setelah itu dilakukan proses hidrasi-dehidrasi dengan refluks pada suhu 60oC selama 6 jam. Kemudian dikalsinasi pada suhu 600oC selama 3 jam dan diimpregnasi KOH pada %K: (0, 1, 3, 5 dan 7). Setelah itu, dikalsinasi kembali pada suhu 800oC selama 3 jam. Variasi yang digunakan dalam sintesis biodiesel pada penelitian ini yaitu suhu reaksi (50, 55, 60, 65oC).
Penggunaan metode hidrasi-dehidrasi diharapkan dapat menghasilkan katalis yang memiliki kualitas lebih baik, sehingga yield danm kemurnian biodiesel menjadi lebih tinggi.
METODE PENELITIAN
a. Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah mortar, ayakan 200 mesh (W.S Tyler Incorporated U.S.A), oven (Gallenkemp), furnace (vulcanTM seri A130), labu leher tiga lengkap dengan kondensor, hotplate magnetic stirrer, instrumen Gas Chromatography - Mass Spectroscopy (GC-MS QP2010 Ultra Shimadzu), instrumen X-Ray Diffraction (XRD- 7000 Shimadzu Maxima), instrumen X- Ray Flouresence (XRF Panalytical Epsilon 3) dan peralatan gelas penelitian lainnya.
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah crude palm oil (CPO) yang diambil di PT. Kuala Lumpur Kepong Bernhad Kota Dumai, cangkang kerang darah (Anadara granosa), metanol p.a (CH3OH) (Merck), isopropil alkohol (C3H8O) (Merck), indikator phenolphthalein (C20H14O4) (Merck), kalium hidroksida (KOH) (Merck), etanol (C2H5OH) 96%
(Merck), asam klorida (HCl) 0,5 N, karbon tetraklorida (CCl4) (Merck), kalium iodida (KI) , natrium tiosulfat (Na2SO3), asam asetat (CH3COOH) 2%, akuades, akua DM, kertas saring Whatman 42 dan kertas saring.
b. Preparasi dan sintesis katalis K2O/CaO
Cangkang kerang darah (CKD) dibersihkan dan direndam menggunakan cuka makan (asam asetat 2%) selama 24 jam. CKD dikeringkan selama 24 jam dengan menggunakan oven. Cangkang yang sudah kering ditumbuk dan digerus menggunakan mortar martir, kemudian diayak lolos 200 mesh. Bubuk CKD yang diperoleh kemudian di kalsinasi dengan furnace pada suhu 900oC selama 5 jam. Katalis disintesis menggunakan
metode hidrasi-dehidrasi dengan perbandingan bubuk CKD : aqua DM 1:5. Campuran direfluks selama 6 jam pada suhu 60oC. Campuran didiamkan selama 24 jam pada suhu 105oC didalam oven, kemudian dikalsinasi kembali pada suhu 600oC selama 3 jam.
CaO (50 g) hasil kalsinasi disuspensikan dalam 200 ml akuades dan ke dalam suspensi CaO dicampurkan larutan KOH 25 ml sambil diaduk menggunakan magnetic stirrer dengan %K: 1, 3, 5 dan 7% (b/b) CaO.
Campuran diaduk selama 3 jam.
Selanjutnya dikeringkan di dalam oven pada suhu 110oC selama ± 24 jam.
Kemudian sampel dikalsinasi pada suhu 800oC selama 3 jam. Penamaan katalis disimbolkan dengan K2O/CaO (x%K), K2O/CaO menunjukkan katalis CaO terimpregnasi KOH, x menunjukkan konsentrasi K, contohnya K2O/CaO (3%K) menunjukkan katalis CaO yang dimpregnasi KOH dengan konsentrasi K 3%. Sampel katalis KOH/CaO dilakukan analisis menggunakan difraksi sinar-X (X-ray diffraction) untuk menentukan jenis mineral.
c. Sintesis biodiesel
Sebanyak 100 g CPO dipanaskan pada suhu 105 ± 5oC dan diaduk menggunakan pengaduk magnet selama 30 menit. CPO didinginkan hingga mencapai suhu 50oC. Campuran 3g katalis CaO; K2O/CaO (1%K);
K2O/CaO (3%K); K2O/CaO (5%K) dan K2O/CaO (7%K), yang telah dipanaskan di dalam oven suhu 105oC minimal 10 menit dan 23,8213 g metanol (rasio mol minyak:metanol 1:6) direfluks selama 1 jam dalam labu leher tiga. CPO (suhu 50oC) ditambahkan ke dalam campuran katalis-metanol dan diaduk selama 3 jam dengan kecepatan pengadukan 500 rpm pada suhu 50,55,60,65oC. Setelah waktu sintesis
selesai, campuran dimasukkan ke dalam beaker gelas dan dibiarkan semalam untuk memisahkan katalis. Hasil biodiesel disaring menggunakan kertas saring biasa hingga didapatkan crude biodiesel.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Karakterisasi katalis
Hasil analisis XRD menunjukkan adanya puncaknya lime (CaO) dan portlandite (Ca(OH)2). Puncak CaO dan Ca(OH)2 terbanyak ditemukan pada katalis K2O/CaO (7%K) dan K2O/CaO (0%K). Hal ini menunjukkan semakin banyak katalis yang diimpregnasi KOH maka jumlah puncak lime yang dihasilkan akan semakin banyak juga. Sedangkan semakin sedikit katalis yang diimpregnasi KOH maka jumlah puncak portlandite akan semakin banyak. Perbedaan yang muncul pada difraktogram katalis sebelum dan sesudah impregnasi yaitu berkurangnya jumlah puncak Ca(OH)2 (portlandite) dan bertambahnya jumlah puncak CaO (lime). Hal ini disebabkan karena adanya kontak CaO dengan uap air dari udara dan penambahan KOH dari proses impregnasi.
Munculnya puncak lime pada difraktogram XRD menunjukkan bahwa proses kalsinasi pada suhu 900oC selama 5 jam telah berhasil mendekomposisi CaCO3 (calcite) menjadi CaO (lime) ataupun terbentuknya fasa oksida pada cangkang kerang darah (Taufiq-Yap et al., 2012). Puncak portlandite yang masih banyak ditemukan disebabkan oleh CaO yang telah terbentuk bereaksi kembali dengan uap air dan udara bebas (Kouzu et al., 2008). Selain itu, furnace yang digunakan dalam proses kalsinasi tidak dialiri gas nitrogen
5 sehingga uap air dan CO2 dari udara
bebas dapat bereaksin dengan CKD yang dikalsinasi selama proses pendiaman berlangsung. Penyebab lain munculnya mineral portlandite (CaOH2) pada penelitian ini disebabkan oleh proses hidrasi yang dilakukan pada saat sintesis katalis menggunakan aqua DM dengan perbandingan 1:5 yang direfluks pada suhu 60oC selama 6 jam (Roschat et al., 2018).
Proses kalsinasi yang dilakukan pada suhu 600oC selama 3 jam bertujuan untuk mendehidrasi Ca(OH)2 (portlandite) menjadi CaO (lime) (Niju et al., 2014).
Kalsinasi merupakan proses pemanasan pada suhu tinggi diatas titik lebur dari material yang
bersangkutan. Tujuan kalsinasi ini adalah untuk menghilangkan kandungan air, senyawa organik dan karbondioksida (CO2) yang terdapat dalam cangkang kerah darah atau dapat menguraikan kandungan CaCO3
(calcite) menjadi CaO (lime) dan CO2
Namun, suhu kalsinasi yang terlalu tinggi dapat menyebabkan terjadinya penggumpalan (aglomerasi) dan peleburan partikel (sintering) sehingga pori-pori partikel mengecil (Castro et al., 2019). Secara umum, kristanilitas katalis CaO terimpregnasi KOH lebih tinggi dibandingkan katalis CaO tanpa impregnasi KOH dengan perolehan kristanilitas tertinggi pada katalis K2O/CaO (3%K) sebesar 60,077%.
Gambar 1. Difraktogram XRD katalis CaO (a); K2O/CaO (1%K) (b); K2O/CaO (3%K) (c); K2O/CaO (5%K) (d); K2O/CaO (7%K) (e)
b. Pengaruh suhu reaksi terhadap yield biodiesel
Suhu reaksi merupakan salah satu parameter yang penting dalam sintesis biodiesel. Ketika suhu reaksi dinaikkan maka akan meningkatkan kecepatan molekul-molekul reaktan yang memungkinkan terjadinya tumbukan sehingga yield biodiesel yang dihasilkan akan mengalami peningkatan. Variasi
suhu yang dilakukan pada penelitian ini yaitu 50; 55; 60 dan 65oC.
Dari Gambar 2. dapat dilihat bahwa yield biodiesel maksimum diperoleh pada suhu 60oC, baik pada katalis CaO, K2O/CaO (1%K), K2O/CaO (3%K), K2O/CaO (5%K) dan K2O/CaO (7%K). Sedangkan untuk yield biodiesel yang rendah terdapat pada suhu 50oC untuk semua jenis katalis. Dari grafik
diatas dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi suhu reaksi maka perolehan biodiesel yang dihasilkan semakin besar.
Reaksi transesterifikasi bersifat endotermis yang lebih menyukai suhu pada reaksi tinggi. Dalam hal ini kenaikan suhu reaksi akan meningkatkan konversi metil ester. Hal ini disebabkan karena terjadinya peningkatan suhu maka partikel reaktan akan bergerak lebih cepat sehingga intensitas tumbukan antar partikel akan semakin efektif.
Gambar 2. Pengaruh suhu terhadap yield biodiesel
Meskipun demikian, ketika suhu reaksi telah mencapai 65oC maka terjadi penurunan yield biodiesel. Hal ini disebabkan oleh suhu 65oC terlalu tinggi yang melewati titik didih metanol yaitu 64,5oC sehingga metanol akan mengalami perubahan fase liquid (cair) menjadi gas.
Fenomena ini menyebabkan kontak yang buruk antara interaksi gas methanol dengan minyak yang mengakibatkan konversi trigliserida menjadi biodiesel mengalami penurunan sehingga yield biodiesel menjadi lebih rendah.
c. Karakterisasi biodiesel
Biodiesel yang dihasilkan pada penelitian ini dilakukan pengujian untuk mengetahui kualitasnya. Kualitas yang baik dari biodiesel dapat memberikan dampak positif terhadap mesin diesel agar dapat bekerja dengan baik dan tetap awet.
Beberapa parameter yang diuji meliputi kandungan air, berat jenis, viskositas, residu karbon, bilangan asam dan bilangan penyabunan. Hasil karakterisasi yang diperoleh dibandingkan dengan syarat mutu biodiesel yaitu SNI 04-7182- 2015.
Pada Tabel 1. diperoleh hasil karakterisasi biodiesel menggunakan katalis pada konsentrasi KOH yang berbeda. Secara umum, karakterisasi biodiesel menggunakan katalis CaO, K2O/CaO (1%K), K2O/CaO (3%K), K2O/CaO (5%K) dan K2O/CaO (7%K) memenuhi SNI 04-7182-2015 kecuali residu karbon.
KESIMPULAN
Hasil analisis XRD diperoleh katalis tersebut mengandung portlandite (Ca(OH)2 dan lime (CaO). Hasil optimum sintesis biodiesel diperoleh pada katalis K2O/CaO (3%K) dengan kondisi rasio mol minyak:methanol 1:6, suhu 60oC, waktu reaksi 3 jam dan kecepatan pengadukan 500 rpm dalam tahap reaksi transesterifikasi menghasilkan yield biodiesel sebesar 83,03%. Penentuan karakteristik biodiesel telah dilakukan dan hanya residu karbon yang tidak memenuhi syarat mutu biodiesel SNI 04-7182- 2015.
7 Tabel 1. Hasil perbandingan karakterisasi biodiesel dengan syarat mutu biodiesel SNI 04-
7182-2015
DAFTAR PUSTAKA
Al Hakim & Hisyam, M. 2013. Life Cycle Assessment (LCA) Produksi Crude Palm Oil (CPO) Kebun dan Pabrik Kelapa Sawit Pelaihari PT.
Perkebunan Nusantara. Tesis.
Yogyakarta: UGM.
Asikin, M. N., Lee, HV., & Taufiq Y.H.
2015. Synthesis and catalytic activity of hydration–dehydration treated clamshell derived CaO for biodiesel production. Chem Eng Res Des. 102: 368–77.
Castro, L. da S., Audrei, G. B., Christiano, J. G., Luciano, M. &
Patrícia, F. P. 2019. Biodiesel Production From Cotton Oil Using Heterogeneous CaO Catalysts from Eggshells Prepared at Different Calcination Temperatures. Green Process Synth. 8: 235–244.
Gafur, A. 2015. Sintesis Biodiesel Melalui Reaksi Transesterifikasi CPO Menggunakan Katalis CaO dari Cangkang Kerang Darah Kalsinasi 900oC. Skripsi. Pekanbaru: UR.
Kouzu, M., Kasuno, T., Tajika, M., Sugimoto, Y., Yamanaka, S., &
Hidaka, J. 2008. Calcium Oxide As A Solid Base Catalyst for Transesterification of Soybean Oil and Its Application to Biodiesel Production. Fuel. 87 (12): 2798- 2806.Karunia, antonia frenny, Zahrina, I., & Yelmida. (2012).
Esterifikasi PFAD (Palm Fatty Acid Distillate ) Menjadi Biodiesel Menggunakan Katalis H-Zeolit Dengan. 1(1), 1–11.
Niju, S., Meera, K.M., Begum, S., &
Anantharaman, N. 2014.
Modification of egg shell and its application in biodiesel production.
Journal of Saudi Chemical Society.
91: 1319-6103.
Roschat, W., Phewphong, S., Thangthong, A., Moonsin, P., Yoosuk, B., Kaewpuang, T., & Promarak, V.
2018. Catalytic performance enhancement of CaO by hydration- dehydration process for biodiesel production at room temperature.
Energy Conversion and Management. 165: 1-7.
Parameter
Biodiesel
SNI Katalis terimpregnasi (%) K
Biodiesel 0 1 3 5 7
Kadar air (%v) Maks. 0,05 0,05 0,04 0,03 0,05 0,04
Berat jenis pada 40ºC (kg/m3)
850-890 868,1 870,1 881,4 876,7 884,1
Viskositas pada 40ºC (mm2/s)
2,3-6,0 3,18 2,72 3,09 2,99 4,05
Residu karbon (%) Maks. 0,05 0,51 0,21 0,12 0,09 0,02
Bilangan asam (mg KOH/g)
Maks. 0,5 0,79 0,29 0,28 0,19 0,10
Bilangan penyabunan (mg KOH/g)
- 214,03 228,27 206,83 216,82 210,62
