JURNAL POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

1

Abstract - Semakin meningkatnya produksi biodiesel maka gliserol kasar yang merupakan produk samping dari reaksi transesterifikasi dari minyak nabati juga semakin besar. Salah satu cara yang dikembangkan untuk memanfaatkan gliserol adalah dengan mengubahnya menjadi propilen glikol (1,2-propanadiol) yang merupakan salah satu jenis produk fixative melalui proses hidrogenasi menggunakan katalis heterogen (padat). Dalam penelitian ini digunakan katalis padat Ni/-Al2O3 dalam pembuatan propilen glikol untuk mengetahui pengaruh jumlah katalis, Ni loading, suhu, serta waktu reaksi terhadap besarnya konversi gliserol dan yield propilen glikol yang dihasilkan. Penelitian ini terdiri dari dua tahapan, yaitu preparasi katalis dan uji aktivitas katalis. Preparasi katalis dilakukan melalui proses impregnasi, kalsinasi, dan reduksi untuk memperoleh katalis padat Ni/-Al2O3 sesuai variabel Ni loading yang digunakan. Setelah itu dilakukan proses pembuatan propilen glikol di dalam reaktor batch berpengaduk pada jumlah katalis, Ni loading, suhu, serta waktu reaksi sesuai variabel. Produk hasil proses hidrogenasi yang dihasilkan kemudian dipisahkan dari katalis, lalu dianalisa kadar gliserol sisa dan propilen glikol terbentuk menggunakan analisa gas chromatography (GC). Dari hasil penelitian diketahui bahwa katalis padat Ni/-Al2O3 dapat digunakan untuk reaksi hidrogenasi gliserol menjadi propilen glikol. Semakin besar jumlah katalis, maka semakin tinggi konversi gliserol yang dihasilkan dengan komposisi Ni loading terbaik dicapai pada 15% Ni. Semakin tinggi suhu dan waktu reaksi, maka semakin tinggi pula yield propilen glikol yang diperoleh. Kondisi operasi terbaik untuk reaksi hidrogenasi gliserol menjadi propilen glikol dengan katalis padat Ni/-Al2O3 tercapai pada tekanan hidrogen 200 Psi, suhu reaksi 250C, waktu reaksi 10 jam, dengan menggunakan 5% jumlah katalis Ni/-Al2O3 pada 15% Ni loading untuk menghasilkan konversi dan yield masing-masing sebesar 100% dan 71,1164%.

Kata Kunci : Biodiesel, Gliserol, Hidrogenasi, Katalis Padat Ni/-Al2O3, Propilen Glikol

I. PENDAHULUAN ropilen glikol merupakan salah satu komoditas utama bahan kimia dengan produksi tahunan dunia di atas 705 kiloton/tahun, pertumbuhan pasar sebesar 6 %, dan harga

jual produk sekitar US$ 98/liter [1]. Propilen glikol dapat diperoleh melalui reaksi hidrogenasi gliserol yang merupakan produk samping pembuatan biodiesel dalam reaksi transesterifikasi. Beberapa kegunaan propilen glikol adalah

sebagai resin polyester unsaturated, fluida fungsional anti beku pengganti etilen glikol, farmasi, kosmetik, liquid detergen, parfum, cat, dan personal care [2].

Teknologi katalis merupakan salah satu teknologi modern yang sedang dikembangkan dalam proses hidrogenasi gliserol menjadi propilen glikol, karena teknologi ini dianggap mampu mengatasi beberapa kelemahan yang ditimbulkan oleh teknologi-teknologi sebelumnya, seperti reaksi kimia biasa, reaksi berbasis enzimatik, dan reaksi fermentasi. Dimana hal ini sesuai dengan karakteristik dari katalis yang bersifat aktif, selektif, stabil, dan ekonomis dalam suatu reaksi [3].

Degradasi gliserol menjadi propilen glikol pada umumnya menggunakan katalis heterogen (padat). Pemilihan katalis jenis ini disebabakan karena kelebihannya dalam hal kemudahan dipisahkan dari campuran reaksinya (produk), tidak diperlukan adanya kondisi operasi pada temperatur tinggi, sehingga tidak perlu dilakukan adanya proses pemanasan dalam operasinya, yang secara tidak langsung dapat mereduksi kebutuhan energi yang diperlukan dibandingkan dengan katalis homogen [4].

Beberapa jenis katalis heterogen yang pernah diteliti dalam proses hidrogenasi gliserol menjadi propilen glikol antara lain Ru/C, Ru/Al2O3, Pd/C, Cu, Cu/Cr, Ni/C, Ni/Si-Al2O3, serta beberapa jenis katalis logam yang lain [2]. Penggunaan katalis Ni pada penelitian terdahulu dalam proses ini diperoleh hasil terbaik pada suhu 200oC, tekanan 200 psi, jumlah katalis 10% berat, waktu reaksi selama 8 jam, dengan konversi serta yield yang dihasilkan masing-masing sebesar 31,34% dan 26,56% [5]. Adapun penggunaan katalis Raney Nickel diperoleh hasil terbaik pada suhu 200oC, tekanan 200 psi, waktu reaksi selama 24 jam, dengan konversi serta yield yang dihasilkan masing-masing sebesar 49,5% dan 26,1% [2].

Penambahan -Al2O3 sebagai supporting agent pada katalis Ni dalam penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan kinerja katalis Ni sesuai dengan karakteristik -Al2O3 yang bersifat asam dengan luas permukaan dan volume pori yang besar.

II. URAIAN PENELITIAN

A. Deskripsi Penelitian Secara garis besar, penelitian ini dimaksudkan untuk

mendapatkan komposisi katalis terbaik, serta parameter kondisi operasi terbaik yang dapat dilakukan agar diperoleh konversi gliserol dan yield propilen glikol terbaik dalam reaksi hidrogenasi gliserol tanpa mengesampingkan parameter kinetika reaksi yang terjadi.

Pemanfaatan Gliserol Menjadi Alkohol Dengan Cara Hidrogenasi Di Atas Katalis Padat

Alfian Rizki Maulana, Muhammad Wisnu Muqasfa, dan Ignatius Gunardi Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: gunardi_tk@yahoo.com

P

JURNAL POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

2

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi gliserol 99,7%, NiCl2.6H2O powder, -Al2O3 powder, gas hidrogen (HP Grade), nitrogen, serta aquades. Penelitian ini dilakukan dalam 2 tahapan proses yang meliputi preparasi katalis Ni/-Al2O3 dilanjutkan dengan uji aktivitas katalis pada reaksi degradasi gliserol menjadi propilen glikol dalam reaktor hidrogenasi.

B. Preparasi Katalis Preparasi katalis dilakukan dengan menggunakan metode

impregnasi kering NiCl2.6H2O pada permukaan -Al2O3 yang dilanjutkan dengan proses kalsinasi dan reduksi menggunakan gas N2 dan H2 pada suhu 500oC untuk melepas ikatan kristal H2O dan Cl dari Ni agar terbentuk katalis Ni/-Al2O3. Katalis yang terbentuk selanjutnya dikarakterisasi fase kristalnya melalui analisa XRD pada XPert Philips dengan K-alpha radiasi pada panjang gelombang 1,54056 Angstrom diantara sudut 30o dan 80o dalam o2, serta karakterisasi sifat fisik dari katalis melalui analisa BET pada Quantachrome Nova Win menggunakan gas N2.

C. Uji Aktivitas Katalis Pengujian aktivitas katalitik Ni/-Al2O3 hasil impregnasi

dilakukan pada reaksi peruraian gliserol menjadi propilen glikol yang diawali dengan reaksi dehidrasi gliserol pada stirred batch reactor untuk menghasilkan acetol, dilanjutkan dengan reaksi hidrogenasi pada tekanan hidrogen 200 psi untuk membentuk propilen glikol pada kecepatan pengadukan 300 rpm. Produk yang dihasilkan selanjutnya dianalisa menggunakan gas chromatography (GC) pada kolom HP-FFAP dengan internal standar n-butanol dan pelarut methanol untuk mengetahui kadar gliserol sisa, serta menggunakan kolom Rtx-5 dengan metode eksternal standar untuk mengetahui kadar propilen glikol terbentuk.

III. HASIL DAN DISKUSI

A. Karakterisasi Katalis Fase kristal dari katalis yang digunakan dalam reaksi ini

diidentifikasi melalui analisa X-ray diffraction (XRD), dimana katalis disiapkan melalui proses impregnasi, kalsinasi, dan reduksi sesuai tahapan yang disebutkan pada bab sebelumnya.

Gambar 1. Pola difraksi katalis 15% Ni/-Al2O3. Dari Gambar 1 dapat diketahui bahwa pola difraksi katalis

15% Ni/-Al2O3 ditunjukkan oleh peak pada sudut 44,51o,

51,84o, dan 76,37o untuk karateristik dari logam nikel sesuai database JCPDS No. 04-0850, sedangkan untuk -Al2O3 ditunjukkan oleh peak pada sudut 37,64o dan 67,08o sesuai database JCPDS No. 47-1308, sehingga dapat dikatakan bahwa proses preparasi katalis yang telah dilakukan menghasilkan katalis yang sesuai, yakni katalis Ni yang berhasil terimpregnasi ke permukaan -Al2O3.

Uji sifat fisik katalis yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi karakterisasi diameter pori katalis dan luas permukaan katalis yang diidentifikasi menggunakan analisa BET. Adapun data hasil analisa penelitian sebagaimana tercantum pada Tabel 1.

Tabel 1. Karakterisasi sifat fisik katalis

Katalis Diameter Pori (nm) Luas Area (m2/g)

-Al2O3 8* 120* Ni/-Al2O3 4,928 115,44

*Spesifikasi bahan. Berdasarkan data pada Tabel 1 dapat diketahui bahwa

katalis Ni/-Al2O3 hasil preparasi dalam penelitian ini memiliki ukuran diameter pori dan luas area lebih kecil bila dibandingkan dengan diameter pori dan luas area -Al2O3. Dari sini dapat disimpulkan bahwa logam Ni hasil preparasi telah berhasil terimpregnasi ke permukaan -Al2O3, sehingga mengakibatkan berkurangnya ukuran diameter pori dan luas area dari -Al2O3.

B. Pengaruh Jumlah Katalis Dalam Reaksi Tahapan uji aktivitas katalis pertama yang dilakukan dalam

penelitian ini adalah melalui perhitungan analisa konversi gliserol yang dihasilkan pada tiap variabel % berat katalis (catalyst loading) pada kondisi operasi dan Ni loading tertentu. Adapun data hasil analisa tersebut tertuang sebagaimana Gambar 2.

Gambar 2. Pengaruh berat katalis terhadap konversi gliserol (suhu reaksi 180oC; waktu reaksi 2 jam; Ni loading 20%).

Berdasarkan Gambar 2 dapat diketahui bahwa pada kondisi operasi tertentu, konversi gliserol yang diperoleh semakin meningkat seiring bertambahnya jumlah katalis yang digunakan. Hal ini dikarenakan, dengan semakin banyaknya jumlah katalis dalam reaktan, maka luas permukaan aktif dari katalis sebagai tempat terjadinya reaksi hidrogenasi gliserol juga semakin besar. Konversi terbaik sebesar 68,2448% dalam penelitian ini untuk variabel berat katalis dengan kondisi operasi 180oC, waktu reaksi 2 jam, dan Ni loading 20% tercapai pada 5% berat katalis.

JURNAL POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

3

C. Pengaruh Jumlah Ni dalam Katalis Ni/-Al2O3 Logam Ni merupakan senyawa yang menjadi pusat

perhatian dalam penelitian ini, dimana % kadar Ni dalam katalis akan sangat menentukan unjuk kerja dari katalis yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena keberadaan Ni dalam katalis yang berperan sebagai sisi aktif katalis (active site catalyst). Adapun data hasil analisa penelitian dapat dilihat sebagaimana Gambar 3.

Gambar 3. Pengaruh Ni loading terhadap konversi gliserol (suhu reaksi 180oC; waktu reaksi 2 jam; berat katalis 5%).

Berdasarkan Gambar 3 dapat diketahui bahwa konversi gliserol cenderung mengalami peningkatan seiring bertambahnya jumlah Ni dalam katalis Ni/-Al2O3, yaitu pada 5% Ni, 10% Ni dan 15% Ni, namun konversi tersebut mengalami penurunan pada 20% Ni. Hal ini disebabkan karena pada 20% Ni terjadi agglomerasi dari logam Ni yang berimbas pada munculnya fenomena sintering katalis sesuai dengan peran katalis Ni sebagai active site dalam katalis Ni/-Al2O3, sehingga mengakibatkan berkurangnya area permukaan aktif katalis dan mengakibatkan menurunnya aktivitas katalis [6]. Konversi gliserol terbaik yang dapat dihasilkan dalam penelitian ini mencapai 100% pada 15% Ni, hal ini menunjukkan bahwa reaksi hidrogenasi berjalan sempurna pada kondisi tersebut, dimana semua reaktan gliserol habis bereaksi membentuk produk pada permukaan katalis.

D. Pengaruh Suhu Reaksi Suhu reaksi merupakan salah satu parameter kinetika

dalam suatu reaksi kimia, dimana peran serta suhu reaksi sangat menentukan besar-kecilnya konversi reaktan, yield, serta selektivitas produk yang dihasilkan. Berikut merupakan data hasil analisa yield propilen glikol yang diperoleh dalam penelitian:

Gambar 4. Pengaruh suhu terhadap yield propilen glikol (waktu reaksi 2 jam, Ni loading 15%, berat katalis 5%).

Dari Gambar 4 dapat diketahui bahwa semakin tinggi suhu reaksi, maka yield propilen glikol yang dihasilkan juga cenderung semakin meningkat, dimana untuk suhu reaksi 180oC, 200oC, 220oC, 240oC, dan 250oC dihasilkan yield masing - masing sebesar 35,3996%, 36,4527%, 37,4268%, 41,2205%, dan 42,1256%. Peningkatan yield propilen glikol disebabkan karena terjadinya fenomena peningkatan energi kinetik pada molekul-molekul reaktan seiring dengan adanya kenaikan suhu. Dengan semakin meningkatnya energi kinetik pada molekul-molekul reaktan, maka semakin besar pula kemungkinan terjadinya tumbukan antar molekul reaktan pada permukaan katalis, sehingga mengakibatkan laju reaksi pembentukan produk juga semakin besar [5]. E. Pengaruh Waktu Reaksi

Salah satu parameter kinetika reaksi selain suhu reaksi adalah lamanya waktu kontak reaktan dalam reaktor (waktu reaksi), dimana dalam hal ini waktu reaksi sangat memegang peranan penting akan semakin lamanya keberlangsungan proses reaksi terjadi dalam reaktor. Adapun data pengaruh waktu tinggal reaktan dalam reaktor terhadap yield produk yang dihasilkan sebagaimana tercantum dalam Gambar 5.

Gambar 5. Pengaruh waktu reaksi terhadap yield propilen glikol (suhu reaksi 250oC, Ni loading 15%, berat katalis 5%).

Dari Gambar 5 dapat diketahui bahwa yield propilen glikol terbaik diperoleh pada waktu reaksi 10 jam sebesar 71,1164%, sedangkan yield terendah diperoleh pada waktu reaksi 2 jam sebesar 42,1256%, dimana berdasarkan penelitian dapat disimpulkan bahwa semakin lama waktu reaksi maka semakin besar pula yield yang dihasilkan. Hal ini dapat dijelaskan bahwa dengan waktu reaksi yang semakin lama, maka kesempatan reaktan untuk bereaksi akan semakin besar pula, sehingga kemungkinan terjadinya pembentukan produk juga semakin besar. Dari Gambar 5 juga dapat diketahui bahwa dengan waktu reaksi selama 10 jam, reaktan acetol yang merupakan fixative product dalam reaksi dehidrasi gliserol belum sepenuhnya dapat terkonversi secara menyeluruh menjadi propilen glikol dalam reaksi hidrogenasi. Hal ini dapat dilihat dari yield maksimum yang dapat dihasilkan hanya sebesar 71,1164%, sedangkan konversi gliserol dalam reaksi dehidrasi telah mencapai 100%.

F. Konstanta Kecepatan Reaksi Konstanta kecepatan reaksi merupakan salah satu

parameter kinetika reaksi yang dapat dijadikan sebagai acuan untuk menentukan apakah suatu reaksi dapat berlangsung atau

JURNAL POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

4

tidak. Selain itu, konstanta kecepatan reaksi juga merupakan salah satu parameter mengenai cepat-lambatnya suatu reaksi berjalan, karena bila konstanta kecepatan reaksi dapat diketahui, maka lama waktu reaksi suatu reaktan untuk dapat bereaksi membentuk produk dapat diprediksi dengan tepat.

Gambar 6. Persamaan reaksi hidrogenasi gliserol.

n

gg

katg kCdt

dNW

r ==1

(1)

dimana, -rg adalah laju reaksi degradasi gliserol, Wkat adalah berat katalis yang digunakan, Ng adalah mol gliserol, t adalah waktu reaksi, k adalah konstanta kecepatan reaksi, Cg adalah konsentrasi gliserol dan n adalah orde reaksi.

Persamaan laju reaksi di atas digunakan untuk menentukan harga konstanta kecepatan reaksi degradasi gliserol menjadi propilen glikol. Berdasarkan penelitian sebelumnya, diketahui bahwa orde reaksi tersebut memiliki harga sebesar 2, sehingga dengan menggunakan persamaan laju reaksi tersebut dapat diperoleh harga dari reaksi degradasi gliserol menjadi propilen glikol.

Gambar 7. Pengaruh berat katalis terhadap konstanta kecepatan reaksi (suhu reaksi 180oC, waktu reaksi 2 jam, Ni loading 20%).

Dari Gambar 7 dapat diketahui bahwa semakin besar jumlah katalis yang digunakan maka konstanta kecepatan reaksi juga semakin besar, dimana untuk jumlah katalis 1%, 3%, dan 5% memiliki harga konstanta kecepatan reaksi masing-masing sebesar 1,7032 l2/kg katalis.mol.jam, 2,0388 l2/kg katalis.mol.jam, dan 3,9379 l2/kg katalis.mol.jam. Hal ini menguatkan pernyataan sebelumnya, dimana semakin besar jumlah katalis yang digunakan maka konversi gliserol yang diperoleh juga akan semakin besar, karena semakin besar jumlah katalis maka luas permukaan katalis sebagai tempat terjadinya reaksi degradasi gliserol menjadi propilen glikol juga akan semakin besar.

IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Katalis Ni/-Al2O3 merupakan katalis yang efektif untuk

reaksi hidrogenasi gliserol menjadi propilen glikol, dengan kondisi operasi terbaik yang dapat dicapai pada tekanan hidrogen 200 Psi, suhu reaksi 250oC, waktu reaksi 10 jam, 5% jumlah katalis Ni/-Al2O3, dengan Ni loading 15% untuk menghasilkan konversi gliserol 100% dan yield propilen glikol 71,1164%. Peningkatan jumlah katalis Ni/-Al2O3 dalam reaktan dari 1%, 3%, hingga 5% menghasilkan konversi gliserol yang semakin naik, yaitu masing-masing sebesar 29,2795%, 50,8296%, dan 68,2448%. Ni loading terbaik dalam katalis Ni/-Al2O3 tercapai pada kondisi 15% Ni untuk menghasilkan konversi gliserol 100% dibandingkan dengan 5% Ni, 10% Ni, dan 20% Ni yang masing-masing menghasilkan konversi gliserol 53,2880%, 77,8042%, dan 68,2448%. Suhu reaksi yang semakin tinggi dari 180oC, 200oC, 220oC, 240oC, dan 250oC menghasilkan yield propilen glikol yang semakin tinggi pula, yaitu masing-masing sebesar 35,3996%, 36,4527%, 37,4268%, 41,2205%, dan 42,1256%. Semakin lama waktu reaksi, yakni dari 2 jam, 4 jam, 6 jam, 8 jam, hingga 10 jam menghasilkan yield propilen glikol yang semakin tinggi, masing-masing sebesar 42,1256%, 49,5644%, 55,2527%, 60,9685%, dan 71,1164%.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kepala

Laboratorium, Dosen Pembimbing dan Anggota Laboratorium Teknik Reaksi Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya yang telah memberikan dukungan dan bantuan dana dalam pelaksanaan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA [1] Pagliaro, Mario, From Glycerol to Value-Added Products, New York:

Wiley (2007). [2] Dasari, A.M., Pim-Pahn, K., William, R.S., Galen, J.S., Low Preassure

Hydrogenolysis of Glycerol to Propylene Glycol, Journal of Applied Catalysis, A General 281 (2005) 225-231.

[3] Jannah, Raodatul,Reaksi Transesterifikasi Trigliserida Minyak Jarak Pagar Dengan Metanol Menggunakan Katalis Padatan Basa K2CO3/-Al2O3, Skripsi Sarjana Teknik, Jurusan Kimia MIPA, Universitas Indonesia, Jakarta (2008).

[4] Harahap, Hendar,Optimasi Transesterifikasi Refinery Bleached Deodorized Palm Oil Menjadi Metil Ester Menggunakan Katalis Lithium Hidroksida, Tesis Magister Teknik, Program Studi Pascasarjana Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara, Medan (2008).

[5] Rini, S.E., Siti M., Achmad, R.,Hidrogenasi Gliserol Menjadi Propilen Glikol Dengan Katalis Cu, Skripsi Sarjana Teknik, Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya (2007).

[6] Dasari, A. Mohanprasad,Catalytic Conversion of Glycerol and Sugar Alcohols to Value-Added Products, Ph.D. dissertation, Faculty of the Graduate School, University of Missouri, Columbia (2006).

k1 k2

k