Oxidative Dehidrogenasi Etana Menjadi Etilen Menggunakan Katalis B2O3/Al2O3 : Pengaruh Kandungan Boron Oksida

Presentasi disampaikan di Seminar NasionalTeknologi Proses Kimia (SNTPK)

Jakarta, 23 Maret 2005

oleh

Setiadi

e-mail : setiadi@che.ui.edu

Member of Chemical Reaction Engineering and Catalysis Research Group,Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,

Kampus UI, Depok – 16434, Indonesia,

Judul

Research Background – Relevancy ???

Natural Gas

LNG Light Hydrocarbons

Petroleum refinery

Light fraction (gas product)

The origin of Ethane compound

Ethane

Ethylene

Demand on Petrochemicals Industries (PE, Ethylene Oxide, Ethylbenzene, Vinyl Chloride, etc.)

Scope of Research Work

Scope – Catalytic Process

Etilena / oksigenat

(CH3CHO, HCHO, dll)Etana

Etana : salah satu fraksi komponen gas alam dan hasil destilasi fraksi ringan minyak mentah. Jumlahnya cukup melimpah.

1. Kemampuan katalisis B2O3/Al2O3 dalam reaksi dehidrogenasi, dehidrasi maupun deoksigenasi terletak pada kemampuan interaksi berupa terbentuknya spesi peroksida (O2

-)2. Lattice oxygen (oksigen kisi, O-), umumnya sangat aktif untuk oksidasi

total menjadi CO2, dan sangat tidak cocok untuk partial oxidation etana menjadi etilena ataupun produk oksgenat.

3. Perlu modifikasi dengan penambahan boron oksida untuk menghilangkan peran oksigen kisi dalam reaksi dehidrogenasi.

C2H4 : Merupakan senya-

wa penting sbg. building block compound/bahan baku utama yang sangat penting bagi industri petrokimia

B2O3/Al2O3

Oxidative Dehydrogenation

Reaction Mechanism of oxidative dehydrogenation ethane (Sumber : Otsuka dan Setiadi, Catalysis Today 1995)

Interaksi antar partikel support Al2O3 dengan B2O3 pada bid. kontak, disertai terbentuknya spesi peroksida (O2

-)

Adsorpsi dan aktivasi molekul etana pada spesi peroksida (O2

-)

Pembentukan produk C2H4 dan regenerasi (pemulihan interkasi antar partikel support Al2O3 dengan B2O3

Pembentukan produk Okdigenat (asetal dehida) regenerasi (pemulihan interkasi antar partikel support Al2O3 dengan B2O3

Ada apa & mengapa dgn. Kat. B2O3-Al2O3 ???

Kerjanya ???

B ; Boron

M; Logam Al, Zr,

Scope – Catalytic Process by B2O3/Al2O3

Tujuan Pengembangan reaksi katalisis oxidative dehidrogenasi dgn. mengetahui kinerja katalis B2O3/Al2O3 :

•Pengaruh boron oksida thd. kinerja katalis dalam konversi etana menjadi etilena mll. reaksi oksidasi dengan menggunakan oksigen

•Reaksi dehidrogenasi katalitik dan non katalitik

•Karakterisasi : Luas permukaaan (metode BET) & Kristalinitas (metode XRD )

•Inti Aktif katalis

Bahan H3BO3

Al2O3

EtanaQuartz sand 10-15 mesh

Alat Uji Reaksi Reaktor Quartz sand 8 mm i.d. Kondisi OperasiSuhu 823, 873 K; tekanan atmosferik

Instrumen analisa Produk gas ---- GC- TCD

Metode Penelitian

Preparasi Katalis

Variasi Kandungan B2O3 : 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40 % berat

Teknik Impregnasi larutan H3BO3 pada padatan Al2O3

Kalsinasi : 573 K ( 2 jam) dan 1023 K (2 jam)

Karakterisasi Katalis

Luas permukaan B2O3/Al2O3 menggunakan metode BET adsorpsi N2 pada suhu N2 cair

Kristalinitas katalis B2O3/Al2O3 menggunakan XRD ( X-ray diffraction)

Metode Penelitian

Metode Penelitian (Sarana Uji Reaksi )

Profil Reaktor Unggun katalis Beraliran kontinyu (Fixed bed Reactor)

Skema susunan sarana uji katalis dalam reaksi oxidative dehidrogenasi Etana menjadi etilena

Teknik Reaksi

Pengaruh Kandungan Boron oksida thd. Laju Konversi Etana

Hasil dan Pembahasan

15 % B2O3- terbentuknya

inti aktif katalis spesi peroxide

30 % B2O3/Al2O3 optimum

komposisi katalis

Laju C2H6 konversi maksimal pada 0,22 mmol/h.m2

Pengaruh Kandungan Boron oksida thd. Laju pembentukan produk

Hasil dan Pembahasan

Laju maksimal pembentukan produk etilen, 200 μmol/h.m2

Laju maksimal pembentukan produk

CO, 5 μmol/h.m2

Laju maksimal pembentukan produk

CH3CHO, 10μmol/h.m2

Perbandingan antara reaksi dehidrogenasi etana dengan katalis 30% B2O3/Al2O3 dan non katalitik (blank reactor) dalam reaksi dalam berbagai suhu reaksi

Data-data dg. simbol terisi warna hitam – reaksi tanpa katalis

Hasil dan Pembahasan

Data-data dgn. simbol terisi warna putih – reaksi tanpa katalis

Hasil dan Pembahasan

Pengaruh kandungan boron oksida thd. Luas permukaan katalis

Kandungan 30 % B2O3, SA ~ 70 m2/g, komposisi terbaik

Kandungan 0 % Al2O3 murni , SA ~

250 m2/g

Spektrum XRD katalis B2O3/Al2O3 dengan berbagai kandungan B2O3

Hasil dan Pembahasan

+ C2H6 + O2

Inti aktif katalis dalam reaksi dehidrogenasi etana menjadi etilena

Hasil dan PembahasanFresh katalis hasil kalsinasi , spesi permukaan peroxide terjadi pd. kandungan B2O3 > 15 % dan maksimum pd. 30 % B2O3

KesimpulanPengaruh komposisi B2O3 katalis B2O3/Al2O3 terhadap reaksi dehidrogenasi katalitik

etana menjadi etilena dapat dibagi menjadi 3 macam. Pengaruh kenaikkan kandungan B2O3 sampai dengan 15% menunjukkan katalis B2O3 /Al2O3 mampu

menghambat reaksi oksidasi total etana dan menekan terbentuknya gas CO dan CO2. dan menjadikan katalis yang aktif dan selektif untuk reaksi dehidrogenasi etana pada

penambahan B2O3 antara 5 – 15 % berat.Katalis B2O3/Al2O3 pada kenaikkan kandungan B2O3 dalam rentang 15-30 %,

menjadikan kinerja katalis sangat efektif untuk reaksi oxidative dehidrogenasi etana dan mencapai optimal pada kandungan sebesar 30 % B2O3, walaupun luas

pemukaannya jauh lebih kecil (70 m2/g) dibanding B2O3 /Al2O3 murni (250 m2/g). Rentang tersebut memberikan tingginya kadar terbentuknya inti aktif katalis

dibanding dengan rentang lainnya dan mencapai kadar yang apaling efektif di sekitar 30 % B2O3.

Inti aktif tersebut merupakan hasil interaksi antara atom Boron dengan logam Al membentuk spesies peroksida pada bidang kontak antar permukaan partikel B2O3

dengan partiekel Al2O3. Dan B2O3 jelas bukan merupakan inti aktif katalis yang sebenarnya dari reaksi dehidrogenasi etana. Terbukti dengan penambahan B2O3 yang

berkelebihan (> 30 %), membuat kinerja katalis menjadi menurun. Penambahan yang semakin berkelebihan tersbut menyebabkan spesi peroksida yang terbentuk

akan terselimuti dan tertutupi oleh partikel B2O3.