PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA UNTUK REAKSI HTSC TESIS. FITRI RUMIANI NIM : Program Studi Teknik Kimia

Transkripsi

1 PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA UNTUK REAKSI HTSC TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Magister Institut Teknologi Bandung Oleh FITRI RUMIANI NIM : Program Studi Teknik Kimia INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007 i

2 ABSTRAK PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA UNTUK REAKSI HTSC Oleh : FITRI RUMIANI NIM : High temperature shift conversion (HTSC) adalah reaksi pergeseran CO menggunakan air menjadi CO 2 dan H 2 pada temperatur tinggi ( o C). Katalis HTSC yang dipergunakan di industri umumnya berbasis Fe/Cr. Di Indonesia, kebutuhan katalis HTSC ini masih tetap besar walaupun terjadi penurunan produksi pupuk nasional. Penelitian ini diharapkan mampu menghasilkan metode pembuatan katalis yang memiliki kinerja sama dengan katalis komersial, menggunakan bahan baku yang terdapat di dalam negeri, dan nantinya diharapkan mampu memenuhi kebutuhan katalis di Indonesia. Penelitian ini bertujuan untuk menguji coba prosedur pembuatan katalis berdasarkan paten no (Jennings, 1984) pada skala laboratorium. Katalis dibuat dengan metode kopresipitasi larutan garam nitrat dari Fe dan Cr dengan Na 2 CO 3 sebagai precipitating agent. Untuk mengetahui keberhasilan penelitian ini, dilakukan penentuan luas permukaan, struktur bahan kristal, dan aktivitas katalis, yang kemudian dibandingkan dengan katalis komersial. Luas permukaan spesifik diukur menggunakan metode BET, sedangkan struktur bahan kristal dianalisis menggunakan metode XRD. Uji aktivitas katalis dilakukan menggunakan reaktor fixed bed dengan komposisi umpan adalah 12,5 %-v gas CO, rasio kukus terhadap gas umpan sebesar 0,87, dan volume hourly space velocity (VHSV) sebesar per jam. VHSV yang digunakan di industri biasanya berkisar antara per jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pelaksanaan prosedur pembuatan katalis HTSC ITB sudah dapat diulangi dengan hasil yang sama (reproducible). Berdasarkan prosedur pembuatan tersebut, temperatur kalsinasi sangat berpengaruh terhadap luas permukaan katalis. Dalam rentang temperatur yang dipelajari ( o C), kalsinasi pada temperatur 300 o C menghasilkan katalis dengan luas permukaan paling tinggi yaitu 198 m 2 /g, hampir sama dengan luas permukaan yang diklaim oleh Jennings (200 m 2 /g). Katalis tersebut juga menghasilkan aktivitas paling tinggi, konversi CO yang dihasilkan oleh katalis ini adalah 86 %, sedikit lebih besar dari konversi katalis komersial (81 %). Kata kunci : aktivitas, katalis berbasis Fe/Cr, presipitasi, HTSC ii

3 ABSTRACT PREPARATION AND ACTIVITY TEST OF Fe OXIDE CATALYST FOR HTSC REACTION By : FITRI RUMIANI NIM : High temperature shift conversion (HTSC) is a water gas shift reaction using water to produce hydrogen and carbon dioxide in high temperature ( C). HTSC catalyst used in industry usually has Fe/Cr as a base component. In Indonesia, the demand of HTSC catalyst is still high although the national fertilizer production is decrease. This research is expected to produce a method of catalyst preparation that has a similar performance with the commercial and using domestic raw material. The aim of this research is examining the preparation procedure of catalyst based on patent no (Jennings, 1984) in laboratory scale. The catalyst made by Co-precipitation method of Fe and Cr nitrate solution with Na 2 CO 3 as precipitating agent. The specific surface area of catalyst was determined by BET method. The crystal structure was analyzed by XRD method. The catalyst activity was evaluated by means of fixed bed reactor with 12.5 %-v CO inlet gas composition, 0.87 steam to gas ratio, and 2234 hour -1 VHSV. The result shows that the preparation procedure of HTSC ITB catalyst is reproducible. Based on the preparation procedure, calcinations temperature has a great influence to the catalyst surface area. The calcinations temperature at 300 C gave the highest catalyst surface area (198 m 2 /g), and it is comparable with the surface area claimed by Jennings (200 m 2 /g). The catalyst has also the highest activity by means of CO conversion resulted by the catalyst activity test (86 %) which is larger than commercial catalyst conversion (81 %). Keywords : activity, catalyst based on Fe/Cr, precipitation, HTSC iii

4 PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA UNTUK REAKSI HTSC Oleh : FITRI RUMIANI NIM : Jurusan Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tanggal 22 Mei 2007 iv

5 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. v

6 Dan Dia menundukkan untukmu apa yang ada di langit dan apa yang ada di bumi semuanya sebagai rahmat dari-nya. Sesungguhnya pada hal tersebut benar benar terdapat tanda tanda (kekuasaan allah) bagi kamu yang berfikir (QS. Al-Jãšiyah:13) Dipersembahkan kepada ibuku (Suwarni), bapakkku (Suparno), kakakku (Rumilah), adik - adikku (Muhammad Nur Cholis, Diah Rani Ramadhani), dan semuanya yang tidak disebutkan vi

7 UCAPAN TERIMA KASIH Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah swt atas karunia dan hidayah serta kesehatan yang telah diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang berjudul Pembuatan dan Uji Aktivitas Katalis Fe Oksida Untuk Reaksi HTSC. Dalam menyelesaikan tesis ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu dengan segala ketulusan dan kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih sebesar besarnya kepada : 1. Bapak Dr. IGBN Makertiharta, selaku pembimbing I. 2. Bapak Dr. Subagjo, selaku pembimbing II yang telah banyak mengorbankan waktu untuk memberikan arahan baik siang maupun malam selama penelitian dan memberikan saran demi kemajuan penulis selama penyusunan tesis. 3. Ibu Dr. Melia Laniwati yang telah memberikan arahan penggunaan alat selama penelitian. 4. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Kimia ITB. 5. Seluruh teman teman di Laboratorium Teknik Reaksi Kimia, terutama faridah. Terima kasih atas kerja sama, pengorbanan dan dukungan moral sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Terima kasih secara mendalam penulis haturkan kepada ayahanda dan ibunda tercinta yang telah bersusah payah memberikan dana, bantuan dan dorongan moral serta doa kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan baik. Akhirnya penulis mengharapkan semoga tesis ini dapat memberikan kontribusi dalam memperkaya khasanah ilmu pengetahuan, khususnya katalisis. Saran dan tanggapan yang konstruktif bagi kesempurnaan tulisan ini sangat penulis harapkan. Bandung, Mei 2007 (Fitri Rumiani) vii

8 DAFTAR ISI Hal. ABSTRAK... ii ABSTRACT... iii LEMBAR PENGESAHAN... iv PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS... v LEMBAR PERUNTUKAN... vi UCAPAN TERIMAKASIH... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR LAMPIRAN... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG... xiv BAB I PENDAHULUAN... I-1 I.1 Latar Belakang... I-1 I.2 Rumusan Masalah... I-5 I.3 Tujuan Penelitian... I-5 I.4 Ruang Lingkup Penelitian... I-6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... II-1 II.1 Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO 2 dan H 2... II-1 II.1.1 Termodinamika Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO 2 dan H 2... II-1 II.1.3 Deskripsi Proses Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO 2 dan H 2... II-2 II.2 Katalis HTSC... II-4 II.2.1 Katalis HTSC berbasis Fe/Cr... II-5 II.2.2 Katalis HTSC berbasis Fe/Vanadium... II-6 II.2.3 Katalis HTSC berbasis Fe-Ce-Cr-O... II-7 II.3 Pembuatan Katalis... II-8 II.3.1 Metode Impregnasi... II-8 II Tahapan Proses Metode Impregnasi... II-9 II Keunggulan dan Kelemahan... II-9 II.3.2 Metode Presipitasi... II-10 viii

9 II Tinggi Rendahnya Kelarutan... II Murah... II Tidak Bersifat Korosif... II Tidak Menyebabkan Sintering... II Tidak Menimbulkan Polusi Air dan Udara... II.3.3 Tahapan Proses Metode Presipitasi... II Faktor Faktor yang Berpengaruh terhadap Metode Presipitasi II Temperatur Presipitasi... II ph... II Pengadukan... II Aging... II Keunggulan dan Kelemahan... II.4 Karakterisasi Katalis... II.4.1 Difraktometer Sinar X (XRD)... II.4.2 Metode Brunauer Emmet Teller (BET)... II.5 Aktivasi Katalis... II.6 Pengoperasian... II.7 Deaktivasi Katalis... II.7.1 Sintering... II.7.2 Kerusakan Partikel Katalis... II.7.3 Fouling... II.7.4 Peracunan... BAB III METODOLOGI PENELITIAN... III.1 Pembuatan Katalis HTSC... III.1.1 Bahan dan Peralatan... III Bahan... III Peralatan... III.1.2 Metode Pembuatan Katalis... III Tahap Presipitasi... III Tahap Pencucian dan Penyaringan... III Tahap Pengeringan... III Tahap Kalsinasi... II-10 II-10 II-10 II-11 II-11 II-12 II-13 II-13 II-13 II-13 II-14 II-14 II-14 II-17 II-18 II-19 II-21 II-23 II-24 II-24 II-24 II-24 III-1 III-1 III-1 III-1 III-1 III-4 III-6 III-6 III-7 III-7 ix

10 III.1.3 Karakterisasi Katalis... III Prosedur Analisa Luas Permukaan Spesifik dengan metode BET... III Analisa Struktur Bahan Kristal dengan Metode XRD... III.2 Uji Aktivitas... III.2.1 Aktivasi... III.2.2 Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO 2 dan H 2... III.2.3 Evaluasi dan Analisis... III.2.4 Perhitungan... BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... IV.1 Karakteristik Katalis... IV.2 Kinerja Katalis... BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... DAFTAR PUSTAKA... III-8 III-8 III-10 III-12 III-12 III-14 III-14 III-15 IV-1 IV-1 IV-12 IV-1 DP-1 x

11 DAFTAR LAMPIRAN Hal. Lampiran A Data Fisik, Kimia Reaktan dan Produk Reaksi HTSC... A-1 Lampiran B Kalibrasi... B-1 Lampiran C Perhitungan... C-1 Lampiran D Prosedur Pengoperasian Alat... D-1 Lampiran E Data Hasil Penelitian... E-1 Lampiran F Difraktogram Standar Analisa XRD... F-1 xi

12 DAFTAR GAMBAR Hal. Gambar I.1 Konsumsi pupuk urea di Indonesia I-3 Gambar I.2 Produksi pupuk urea di Indonesia I-3 Gambar I.3 Kapasitas produksi pabrik pupuk di Indonesia tahun I-4 Gambar II.1 Konstanta kesetimbangan sebagai fungsi temperatur... II-2 Gambar II.2 Diagram alir metode impregnasi... II-8 Gambar II.3 Diagram alir metode presipitasi... II-12 Gambar II.4 Hasil analisa XRD magnetit (Fe 3 O 4 ) nanorod dan hematit (Fe 2 O 3 ) nanorod... II-17 Gambar II.5 Pola standar XRD magnetit (Fe 3 O 4 ) murni... II-18 Gambar II.6 Difraktogram XRD hematit (Fe 2 O 3 ) sintetik... II-18 Gambar III.1 Rangkaian peralatan uji aktivitas katalis pada reaksi pergeseran CO menjadi CO 2 dan H 2... III-2 Gambar III.2 Diagram alir proses pembuatan katalis HTSC ITB bagian I III-4 Gambar III.3 Diagram alir proses pembuatan katalis HTSC ITB bagian II... III-5 Gambar III.4 Difraktogram standar Fe 2 O 3 pada PDF III-11 Gambar III.5 Difraktogram standar Fe 3 O 4 pada PDF III-11 Gambar III.6 Kurva proses reduksi katalis HTSC ITB... III-13 Gambar IV.1 Difraktogram katalis HTSC ITB 1... IV-2 Gambar IV.2 Difraktogram katalis HTSC ITB 2... IV-5 Gambar IV.3 Difraktogram katalis HTSC ITB 3... IV-7 Gambar IV.4 Difraktogram katalis HTSC ITB 4... IV-8 Gambar IV.5 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 5 dan 4... IV-10 Gambar IV.6 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 6 dan 3... IV-11 Gambar IV.7 Proses reduksi katalis HTSC ITB... IV-14 Gambar IV.8 Hasil uji aktivitas katalis HTSC ITB... IV-16 xii

13 DAFTAR TABEL Hal. Tabel I.1 Kapasitas produksi amonia di Indonesia tahun I-2 Tabel II.1 Perbandingan kondisi proses HTSC dan LTSC... II-4 Tabel II.2 Sifat sifat katalis... II-15 Tabel II.3 Sambungan sifat sifat katalis... II-16 Tabel II.4 Penyebab deaktivasi katalis... II-23 Tabel III.1 Kondisi operasi uji aktivitas katalis pada skala laboratorium III-12 Tabel III.2 Kondisi pengoperasian GC-8AIT dari Schimadzu... III-15 Tabel III.3 Waktu retensi (tr) gas H 2, N 2, dan CO... III-15 Tabel IV.1 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 1 dengan standar Fe 2 O 3, α-fe 2 O 3, Fe902O, Fe 3 O 4, dan Cr 2 O 3... IV-2 Tabel IV.2 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 2 dengan standar Fe 2 O 3, α-fe 2 O 3, Fe 3 O 4, CrO 2, CrO 3 dan Cr 2 O 3... IV-6 Tabel IV.3 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 3 dengan standar Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, FeO, CrO 3 dan Cr 2 O 3... IV-7 Tabel IV.4 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 4 dengan standar Fe 2 O 3, α-fe 2 O 3, Fe 3 O 4, FeO, dan CrO 3... IV-9 Tabel IV.5 Kondisi pembuatan dan beberapa sifat katalis HTSC yang dihasilkan... IV-12 Tabel IV.6 Hasil uji aktivitas katalis HTSC ITB... IV-17 xiii

14 DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Singkatan Nama Hal. HTSC High Temperature Shift Conversion I-1 LTSC Low Temperature Shift Conversion I-1 PUSRI Pupuk Sriwijaya I-2 PKG Pupuk Petrokimia Gresik I-2 PKC Pupuk Kujang Cikampek I-2 PKT Pupuk Kalimantan Timur I-2 PIM Pupuk Iskandar Muda I-2 AAF Asean Aceh Fertilizer I-2 BET Brunauer Emmet Teller I-6 XRD X-Ray Diffraction I-6 WGSR Water Gas Shift Reaction II-1 VHSV Volume Hourly Space Velocity II-3 MPa Mega Pascal II-4 LOI Loss On Ignition II-5 S/G Steam to Gas Ratio II-6 DTA Differential Thermal Analysis II-15 SEM Scanning Electron Microscopy II-16 TEM Transmission Electron Microscopy II-16 EXAFS Extended X-Ray Absorption Fine Structure II-16 AES Auger Electron Spectroscopy II-16 XPS X-Ray Photon Spectroscopy II-16 UPS Ultraviolet Photon Spectroscopy II-16 GC Gas Chromatography II-22 PDF Powder Diffraction File III-11 COHb Karboksihaemoglobin A-1 IR Infra Red A-2 TAML Temperatur thermocouple ametek di Laboratorium Metrologi Bandung B-2 xiv

15 TTRK Temperatur thermocouple di Laboratorium TRK B-2 BM Berat molekul C-1 SV Space Velocity C-7 GHSV Gas Hourly Space Velocity C-9 Lambang Nama Hal DH Entalpi pada keadaan standar II-1 Kp Konstanta kesetimbangan II-1 T Temperatur II-1 o C Derajat Celcius II-3 Ea Energi pengaktifan II-3 Ao Frekuensi tumbukan antar reaktan II-3 R Konstanta gas ideal II-3 DG Energi bebas Gibbs II-4 t Waktu III-4 Vm Volume monolayer sampel katalis III-9 S Slope III-9 I Intersep III-9 N A Bilangan Avogadro III-9 Sa Luas permukaan 1 molekul gas N N 2 III-9 2 V STP Volume pada keadaan STP III-9 Sg Luas permukaan spesifik katalis III-9 Sa Luas permukaan katalis III-9 m Berat sampel III-9 d Jarak antar bidang kristal sampel III-10 q Sudut yang terbentuk antara permukaan sampel dan refleksi berkas cahaya III-10 n orde III-10 λ Panjang gelombang III-10 ma mikro Ampere III-15 tr Waktu retensi III-15 xv

16 X Konversi III-15 Q Laju alir IV-14 DH f25 o Entalpi pembentukan standar A-2 DG f25 o Energi bebas Gibbs pembentukan A-2 Cp/Cv Rasio panas spesifik A-2 p/po Perbandingan tekanan terhadap tekanan jenuh C-5 W Berat katalis C-7 P Tekanan C-7 τ Waktu tinggal C-7 V Volum gas C-8 ε Koordinat reaksi C-14 Ky Tetapan kesetimbangan fraksi mol C-14 xvi