Prosiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi dan Aplikasi Teknik Kimia Teknik Kimia 2011 Makalah No. XXX‐XXX
Trans es terifikasi terifi kasi Minyak Mi nyak Kelapa Kelapa Saw it de ngan Men ggun akan Katalis Kat ali s Padat dari Can gkang Keo K eo ng Mas ( P o m a c e a s p . ) Henry Sanaga Prastyo, Yosephine Yulia Margaretha, Aning Ayucitra,Suryadi Ismadji* Jurusan Teknik Kimia, Universitas Widya mandala, Surabaya, Indonesia *E-mail:
[email protected] ABSTRAK
Katalis padat kalsium oksida (CaO) yang dikalsinasi pada suhu 900oC menunjukan aktifitas yang tinggi pada reaksi transesterifikasi antara minyak kelapa sawit dengan metanol menjadi biodiesel. CaO alami dari cangkang Pomacea sp. sp. ini mudah didapatkan, tidak korosif, mudah proses pemisahan produknya, serta dapat digunakan beberapa kali untuk reaksi transesterifikasi minyak kelapa sawit dengan bantuan metanol. Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap: persiapan dan karakterisasi katalis padat serta transesterifikasi minyak kelapa sawit. Cangkang Pomacea sp. dikalsinasi pada o suhu 900 C selama 2 jam untuk mengkonversi CaCO3 menjadi CaO. Reaksi transesterifikasi dilakukan dengan variasi perbandingan mol minyak dan metanol 1:5 sampai 1:9 dan jumlah dan jumlah katalis 1% sampai 5% berat minyak untuk mendapatkan kondisi operasi yang maksimal. Biodiesel yang dihasilkan dianalisa dengan menggunakan Gas Chromatography (GC) Chromatography (GC) sedangkan bahan baku serta katalis padat dikarakterisasi dengan menggunakan Fourrier Transform Infrared (FTIR), X ‐Ray Diffraction (XRD), dan X ‐Ray Flourescence (XRF). Dari hasil percobaan, didapatkan yield maksimum percobaan sebesar 94,43% o dengan kondisi operasi: suhu reaksi 60 C, perbandingan mol minyak dan metanol 1:7, waktu pemanasan 4 jam, dan jumlah dan jumlah katalis 4% berat minyak. Kata kunci : biodiesel; katalis heterogen;katalis padat
1. Pendahuluan Penggunaan minyak bumi yang sangat luas untuk berbagai aktifitas telah menyebabkan semakin menipisnya persediaan minyak bumi, oleh karena itu harus dicari alternatif lain sebagai pengganti minyak bumi. Salah satu bahan bakar alternatif yang telah dikembangkan selama bertahun‐tahun ialah biodiesel. Biodiesel dipilih sebagai bahan bakar alternatif karena dapat diperbaharui serta gas buangnya mengandung sedikit CO dan tidak mengandung SOx [1]. Sekarang ini banyak dikembangkan penelitian untuk mendapatkan biodiesel dengan cara transesterifikasi minyak sayur atau lemak hewan dengan hasil yang optimum dan biaya produksi
yang minimum. Reaksi transesterifikasi baik pada minyak sayur ataupun lemak hewan harus dilakukan pada suhu dan tekanan yang tinggi serta membutuhkan waktu yang panjang. Kondisi inilah yang menyebabkan biaya produksi biodiesel menjadi tinggi. Katalis yang biasa digunakan untuk produksi biodiesel dikategorikan menjadi beberapa tipe, yaitu: katalis homogen (NaOH, KOH, H2SO4, dan lainnya) [1], katalis heterogen (cation‐exchange resin, resin, hydrotalcites, hydrotalcites, dan lainnya) [2], dan enzim. Katalis homogen memiliki kelemahan yaitu tidak dapat direcovery direcovery dan di regenerasi, serta dihasilkannya limbah cair berbahaya [3]. Katalis heterogen sekarang ini mulai dilirik untuk pembuatan biodiesel karena mempermudah proses pemisahan dan pemurnian biodiesel [2].
yang digunakan dalam industri karena lebih efektif dan sangat efisien [8].
2. Tinjauan Pustaka 2.3. Katalis Heterogen 2.1. Biodiesel
Biodiesel dengan rumus kimia Fatty Acid Methyl Ester (FAME ) adalah senyawa alkil ester yang diproduksi melalui reaksi transesterifikasi antara trigliserida dengan metanol dan bantuan katalis. Biodiesel merupakan bahan bakar yang dapat diperbarui. Biodiesel diharapkan dapat mengganti keberadaan petroleum diesel karena biodegradable dan ramah lingkungan karena menghasilkan emisi SOx yang rendah serta senyawa hidrokarbon yang tidak terbakar [4]. Penggunaan biodiesel dapat mengurangi emisi CO2 hingga 78% dibandingkan dengan petroleum diesel. Dengan emisi hasil penggunaan biodiesel yang sedikit, siklus karbon dapat terjadi sehingga lebih ramah lingkungan. CO2 yang dilepaskan ke atmosfer oleh mesin diesel pada saat biodiesel dibakar dapat di daur ulang kembali oleh tanaman [5]. 2.2. Reaksi Transesterifikasi
Transesterifikasi atau alkoholisis adalah reaksi pertukaran gugus alkohol dari suatu ester dengan ester lain. Kehadiran katalis (asam, basa, biokatalis, dan katalis heterogen) akan mempercepat pembentukan ester. Transesterifikasi dapat dikatalisis oleh asam‐asam Brönsted, lebih sering digunakan sulfonat dan asam sulfat [3]. Secara umum reaksi transesterifikasi antara trigliserida dan alkohol (metanol) dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar. 1 –Reaksi pada Proses Transesterifikasi [6]
Reaksi antara minyak atau lemak dengan alkohol merupakan reaksi yang bersifat bolak‐balik. Oleh sebab itu alkohol harus ditambahkan berlebih untuk membuat reaksi berjalan ke arah kanan [7]. Proses transesterifikasi dapat dilakukan tanpa bantuan katalis, tetapi yield yang dihasilkan pada suhu 350 C sangat rendah dan karena itulah diperlukan suhu yang tinggi. Dari kebanyakan proses transesterifikasi, hanya proses alkali (basa)
Katalis heterogen ialah katalis yang sukar larut dalam metanol, sehingga tidak menjadi satu fase dengan metanol [2]. Contoh katalis heterogen ialah metal oxides, metal complexes, active metals, zeolit, resin, membran, dan lipase [4]. Katalis heterogen dibagi menjadi 2 tipe yaitu asam dan basa [11]. Asam berarti katalis yang digunakan berupa padatan yang bersifat asam. Katalis basa yang dapat digunakan untuk biodiesel salah satunya ialah dari campuran senyawa kalsium (CaO, Ca(OH) 2, CaCO3) yang tersedia dengan melimpah di alam dengan harga yang murah, karenanya katalis ini sangat diminati untuk digunakan dalam industri biodiesel. Katalis kalsium ini berfungsi sebagai katalis basa dalam reaksi transesterifikasi biodiesel. Menurut penelitian, CaO merupakan katalis yang paling aktif dibandingkan Ca(OH)2 dan CaCO3 [2]. CaO memiliki tingkat alkalinitas yang tinggi, kelarutan yang rendah, harga yang relatif lebih murah dibandingkan KOH ataupun NaOH, serta mudah proses pemisahannya dari produk [9]. CaO dapat diperoleh dengan kalsinasi o serbuk batuan kapur pada suhu 900 C selama 1,5 jam [4] atau disintesis dari mikropartikel CaCO3 o yang dikalsinasi pada suhu 1000 C selama 2 jam [10]. Salah satu bahan yang dapat digunakan sebagai katalis adalah cangkang keong mas. Di area persawahan, keong mas merupakan salah satu musuh terbesar petani karena keong mas memakan tanaman yang ada di sawah tersebut, sehingga hal ini merugikan para petani. Tetapi tidak selamanya keong mas merugikan, karena daging keong mas dapat dikonsumsi atau digunakan untuk pakan ternak karena memiliki nilai gizi yang cukup tinggi. Dengan semakin banyaknya konsumsi daging dari keong mas maka limbah yang berupa cangkang keong mas tidak memiliki nilai tambah. Limbah yang berupa cangkang keong mas dapat dimanfaatkan sebagai katalis padat untuk pembuatan biodiesel karena cangkang tersebut mengandung CaCO3 yang nantinya dapat dikonversi menjadi CaO. CaO dapat digunakan sebagai katalis yang aktif untuk pembuatan biodiesel [3].
3. Metode Penelitian 3.1 Bahan dan Persiapan Katalis Cangkang keong mas yang diperoleh dari daerah Godong, Jawa Tengah, pertama‐tama dihancurkan,
dicuci untuk menghilangkan pengotor dan sisa protein. Cangkang dikeringkan di dalam oven pada o suhu 110 C selama 24 jam kemudian dikalsinasi o pada suhu 900 C selama 2 jam. Dilakukan pengecilan ukuran pada cangkang yang telah dikalsinasi hingga berukuran 170 mesh. Minyak kelapa sawit yang diperoleh dari pasar tradisional memiliki kandungan % palmitat. Metanol analitis diperoleh dari Merck, Jerman.
3.2 Karakterisasi Katalis Analisa X ‐Ray Diffraction (XRD) dilakukan untuk mengetahui kristalinitas dari CaO pada cangkang keong mas dengan alat Philips X’Pert diffractometer o menggunakan radiasi CuKα pada 2theta antara o 8.19‐72.4 . Konsentrasi CaO diketahui dengan menggunakan X ‐Ray Flourescence (XRF).
3.3 Reaksi Transesterifikasi Pengujian efektifitas katalis dijalankan di dalam 500 mL labu leher tiga dilengkapi dengan pemanas serta condenser. Sebanyak 125 mL minyak kelapa sawit, 1:5 mol minyak:mol metanol, serta 1% massa katalis CaO dimasukkan ke dalam labu leher tiga, reaksi dijalankan pada suhu 60oC selama 4 jam dengan kecepatan pengadukan 700 rpm. Perbandingan mol minyak:metanol divariasikan mulai dari 1:5 sampai dengan 1:9 dengan range variasi 2. Persen massa katalis padat divariasikan mulai dari 1% berat sampai dengan 5% berat dengan range variasi 1.
4. Hasil dan Pembahasan 4.1 Karakterisasi Katalis Katalis padat dari cangkang keong mas dikarakterisasi menggunakan X ‐Ray Diffraction (XRD) untuk mengetahui struktur dari katalis. Hasil XRD pada cangkang keong mas sebelum dan sesudah kalsinasi menunjukkan peak yang bebeda, hal ini menunjukkan bahwa cangkang keong mas yang belum dikalsinasi memiliki struktur yang berbeda dengan yang sudah dikalsinasi. Hasil analisa dapat dilihat pada gambar 2. Berdasarkan gambar 2 (a) dapat terlihat o pada peak 2theta 26.1, 38.2, 45.8, 52.1 merupakan X ‐Ray Diffractograms dari CaCO3, hal ini menunjukkan bahwa cangkang keong mas sebelum kalsinasi mengandung CaCO3. Hasil dari XRD dari cangkang keong mas setelah kalsinasi dapat dilihat pada gambar 2 (b) . Gambar tersebut menunjukkan o peak pada 2theta 32.1, 37.3, 53.9 merupakan X ‐ Ray Diffractograms dari CaO.
Gambar. 2 – Hasil XRD pada Cangkang Keong Mas (a) dan setelah kalsinasi (b) o
Sedangkan peak yang lain pada 2theta 17.9, 28.6, 34.1, 46.9, dan 50.7 menunjukkan fase Ca(OH)2. Hal ini menunjukkan bahwa hidrasi pada CaO tidak dapat dihindari selama proses aktivasi katalis. Pada hasil XRD cangkang keong mas setelah kalsinasi tidak menunjukkan adanya unsur CaCO3, sehingga semua CaCO3 terkonversi menjadi CaO dan Ca(OH)2. Hasil X ‐Ray Flourescence ditunjukkan pada gambar 3, CaO dari cangkang keong menunjukkan konsentrasi CaO sebanyak 96,83%.
Gambar. 3 – Hasil XRD pada Cangkang Keong Mas (a) dan setelah kalsinasi (b)
4.2 Reaksi Transesterifikasi
Transesterifikasi dengan katalis basa seperti alkali ‐ alkoksida/hidroksida seperti kalsium oksida lebih cepat daripada menggunakan asam serta tidak korosif. Mekanisme transesterifikasi trigliserida menjadi metil ester dengan alkohol terdiri dari beberapa step. Pertama, ketika CaO dan metanol dicampurkan ke dalam labu leher tiga, terjadi reaksi antara basa dan alkohol menghasilkan alkoksida dan katalis terprotonasi. Kedua, setelah ditambahkan minyak kelapa sawit ke dalam campuran metanol‐katalis, nukleofilik akan ”menyerang” alkoksida pada gugus karbonil di trigliserida sehingga menjadi intermediet tetrahedral. Ketiga, pembentukan metil‐ester. Step terakhir adalah deprotonasi katalis menghasilkan molekul bermuatan positif yang akan bereaksi dengan molekul‐molekul alkohol untuk kembali dalam siklus katalitik.
hingga 3% massa katalis, namun mengalami penurunan pada 4% dan 5% massa katalis. Hal ini dapat terjadi karena metanol berlebih bereaksi dengan senyawa Ca yang juga berlebih dan membentuk Ca(CH3O)2. Oleh karena itu kondisi yang paling menguntungkan untuk memproduksi biodiesel dengan katalis cangkang Pomacea sp. ialah pada perbandingan 1:5 mol minyak banding mol metanol dengan jumlah % massa katalis sebanyak 5% massa (yield = 91,39%). Kondisi ini dipilih karena penggunaan metanol yang relatif lebih sedikit dan yield yang dihasilkan tidak jauh berbeda dengan yield maksimum yang didapatkan pada percobaan ini (94.43%), meskipun katalis yang digunakan dalam jumlah yang cukup banyak, tetapi hal ini tidak menjadi masalah karena bahan dasar katalis padat yang berupa cangkang keong sawah merupakan limbah. 96
100
94 92
80
) % (90 l e s e i d88 o i b d86 l e i y
) % 60 ( l e s e i d 40 o i b d l e i y 20
84 1:5 1:7 1:9
0
82 80 0
0
1
2
3
4
5
1
massa katalis (w/w%)
Gambar. 4 – Pengaruh perbandingan katalis dan jumlah methanol
Yield biodiesel dari variasi % massa katalis serta perbandingan jumlah metanol dapat dilihat pada gambar 4. Untuk masing‐masing variasi % massa katalis yang digunakan, dari 1%, 2%, 3%, 4%, dan 5%, yield tertinggi dapat tercapai pada perbandingan mol metanol berturut‐turut 1:9 (83.45%), 1:7 (81.42%), 1:9 (88.47%), 1:7 (94.43%), dan 1:5 (91.39%). Dari hasil yang telah didapat, yield tertinggi bisa tercapai dengan kondisi jumlah % massa katalis sebanyak 4% dengan perbandingan mol metanol 1:7. Untuk perbandingan 1:5, yield biodiesel akan terus meningkat seiring dengan bertambahnya % massa katalis yang digunakan. Pada perbandingan 1:7, yield biodiesel juga mengalami peningkatan seiring dengan bertambahnya % massa katalis, tetapi pada % massa katalis 5% mengalami penurunan. Sama halnya dengan perbandingan 1:9. Yield biodiesel mengalami peningkatan pada 1%
2
3
4
5
6
Jumlah penggunaan (kali)
6
Gambar.5 – Penggunaan berulang CaO pada reaksi transesterifikasi
Terlihat pada Gambar 5, bahwa CaO dari cangkang keong sawah masih menghasilkan yield di atas 80% hingga penggunaan ke‐5.
5. Kesimpulan Dari percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa cangkang keong mas dapat digunakan sebagai katalis yang efektif untuk pembuatan biodiesel dari minyak kelapa sawit. Hasil maksimal yang diperoleh adalah sebesar 94,43%.
Daftar Pustaka [1] Ngamcharussrivichai, Chawalit et al. 2008. Ca and Zn Mixed Oxide as a Heterogenous Base Catalyst for Transesterification of Palm Kernel Oil, Applied Catalysis A: General 341 (2008) 77– 85
[2] Arzamedi, G. et al. 2008. Alkaline and alkaline ‐ earth metals compounds as catalysts for the metanolysis of sunflower oil. Catalysis today 133‐135 (2008) 305‐313 [3] Viriya‐empikul, N. et al. 2010. Waste Shell of Mollusk and Egg as Biodiesel Production Catalyst. Bioresource Technology 101 (2010) 3765–3767 [4] Kouzu, Masato et al. 2008. Calcium oxide as a solid base catalyst for transesterification of soybean oil and its application to biodiesel production. Fuel 87 (2008) 2798‐2806 [5] The National Biodiesel Board. 2010. America’s First Advanced biodiesel . http://www.biodiesel.org/resources/faqs/. [6] Sahid, M., Budi Saroso, Mukani dan Buadi. 2000. Diversifikasi hasil, pengolahan hasil utama dan hasil samping tanaman kapuk. Prosiding Pertemuan Komisi Penelitian Pertanian Bidang Perkebunan 220‐227. [7] Anonim. 2007. Gambar transesterifikasi. Biodiesel Production and Quality . http://www.biodiesel.org/pdf_files/ fuelfactsheets/prod_quality.pdf . [8] Istadi. Transesterifikasi. 2010. Transesterifikasi Biodiesel. Medan: Universitas Sumatera Utara. [9] C. Reddy, V. Reddy, R. Oshel and J. G. Verkade, Room‐temperature Conversion of Soybean Oil and Poultry Fat to Biodiesel Catalyzed by Nanocrystalline Calcium, Energy and Fuels, 20, 2006, 1310–1314. [10] B. Hai‐Xin and S. Xiao‐zhen, Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 19, 2009. 674‐677. [11] Kansedo, Jibrail et al. 2009. Biodiesel production from palm oil via heterogeneous transesterification. biomass and bioenergy 33 (2009) 271–276
