SINTESIS BIODIESEL DENGAN KATALIS HETEROGEN LEMPUNG CENGAR YANG DIAKTIVASI DENGAN NaOH: PENGARUH WAKTU REAKSI DAN RASIO MOLAR MINYAK:METANOL

Transkripsi

1 ISSN SINTESIS BIODIESEL DENGAN KATALIS HETEROGEN LEMPUNG CENGAR YANG DIAKTIVASI DENGAN NaOH: PENGARUH WAKTU REAKSI DAN RASIO MOLAR MINYAK:METANOL Rosa Devitria 1, Nurhayati 2, Sofia Anita 2 1 Program Pascasarjana Kimia, Universitas Riau, devitriarosa@yahoo.com 2 Dosen Pascasarjana Kimia Universitas Riau Abstract Biodiesel is mainly produced from vegetable oils or animal fats by the method of transesterification reaction using catalyst. Many heterogenous solid acid and base catalyst have been studied for the transesterification of various vegetables oils. In this study the transesterification of vegetable oil to fatty acid methyl esters was studied using sodium hidroxide activated clay catalyst. The catalyst was prepared by activating clay with NaOH by impregnation method. 50 ml NaOH solution was gradually added to 50 g clays, stirred, washed and calcined at 300 o C for 3 hours. The transesterification reaction was performed by using of optimum NaOH loading catalyst, reaction time was variated for 4 to 10 hour, molar ratio of oil/metanol from 1:3, 1:6, 1:9 and 1:12 at 60 o C. It was found that the maximal production of biodiesel which is % on catalyst that have 20% (w/w) loading NaOH, reaction time for 8 hours, oil-methanol molar ratio is 1:6, and the temperature reaction at 60 o C. Key Words: biodiesel, clay, heterogenous catalyst, transesterification. PENDAHULUAN Hingga saat ini Indonesia masih sangat bergantung pada bahan bakar berbasis fosil sebagai sumber energi. Untuk mengurangi ketergantungan terhadap minyak bumi dan memenuhi persyaratan lingkungan global, salah satu cara adalah dengan pengembangan bahan bakar alternatif ramah lingkungan yaitu energi alternatif yang berasal dari minyak tumbuhan yang di sebut dengan biodiesel (Pravitasari, 2009). Biodiesel merupakan bahan bakar berupa metil ester asam lemak yang dihasilkan dari proses transesterifikasi trigliserida dengan metanol. Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif pengganti solar yang disukai karena sifatnya yang ramah lingkungan karena dapat mengurangi emisi karbon monoksida dan sulfur (Nurhayati et.al., 2011). Dalam memproduksi biodiesel, salah satu aspek yang memegang peranan penting yaitu penggunaan katalis pada reaksi transesterifikasi trigliserida. Pada umumnya biodiesel komersial yang diproduksi menggunakan katalis homogen seperti NaOH dan KOH. Akan tetapi, penggunaan katalis homogen ini mengalami kesulitan pada saat memisahkan dengan produk, sensitif terhadap asam lemak bebas dan air yang terkandung dalam minyak serta dapat dengan mudah membentuk sabun. Sisa katalis basa homogen dapat mengganggu pengolahan lanjut biodiesel dibandingkan dengan katalis fasa heterogen, sehingga penggunaan katalis heterogen lempung merupakan salah satu solusi untuk meng-atasinya (Agustin, 2007). Lempung pada umumnya dikenal orang sebagai benda yang tidak terlalu bernilai ekonomis. Padahal sebenarnya lempung memiliki banyak kegunaan, salah satunya sebagai katalis (Sahara, 2011). Penggunaan lempung sebagai katalis bukanlah merupakan suatu ide yang baru. Lempung menyimpan potensi yang sangat besar untuk dikembangkan sebagai katalis heterogen karena kemudahannya untuk dimanipulasi, harganya yang relatif murah dan tingkat kegunaannya yang sangat tinggi. Sintesis biodiesel menggunakan katalis lempung telah dilakukan diantaranya, sintesis biodiesel dengan katalis yang diimpregnasi dari lempung hitam Suratthanee dan kaolin Ranog (Jaimasith, 2007). Sintesis gliserol yang merupakan produk samping dari biodiesel yang menggunakan katalis bentonit yang dapat memperbaiki ketahanan biodiesel pada suhu rendah (Setianingsih et.al., 2011). Studi penggunaan katalis KOH/ bentonit untuk sintesis biodiesel dengan reaksi transesterifikasi (Rashtizadeh et.al., 39

2 Sintesis Biodiesel dengan Katalis Heterogen Lempung Cengar 2010). Sintesis biodiesel menggunakan katalis lempung yang diaktivasi dengan KOH menggunakan metoda impregnasi dengan hasil biodiesel tertinggi (90,70±2,47%) diperoleh untuk katalis KOH/bentonit 1:4, waktu reaksi 3 jam, katalis 3 g, rasio metanol 6, dan suhu reaksi 60 o C (Soetaredjo et.al., 2011). Sintesis biodiesel menggunakan katalis heterogen NaOH/ZnO (Nurhayati et.al., 2011). Pada penelitian ini, digunakan lempung alam desa Cengar yang diaktivasi dengan NaOH kemudian dikalsinasi pada suhu 300 o C selama 3 jam. Katalis yang dibuat kemudian diidentifikasi dengan FTIR. Bahan baku yang digunakan dalam produksi biodiesel adalah minyak goreng dan metanol sebagai sumber alkohol. Metanol merupakan alkohol yang memiliki berat molekul lebih rendah sehingga kebutuhannya pada reaksi alkoholisis relatif sedikit (15-20%) dibandingkan dengan etanol (30%). Untuk mendapatkan hasil uji katalis yang optimal maka kondisi reaksi dilakukan variasi waktu reaksi dan rasio molar minyak: metanol. BAHAN DAN METODE Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah labu leher tiga lengkap dengan kondensor, termometer, desikator, neraca analitik (Mertler AE 200), ayakan 100 dan 200 mesh (W.S Tyler Incorporated U.S.A.), furnace (vulcan TM seri A-130), hotplate, magnetic stirrer (RSH-1DR), oven (Gallenkamp), dan peralatan gelas penelitian lainnya. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi lempung asal Desa Cengar Kec. Lubuk Jambi Kab. Kuantan Singingi Provinsi Riau, minyak goreng, NaOH, metanol p.a, KOH, isopropil alkohol, HCl 37%, H 2 C 2 O 4. 2H 2 O, KI 10%, Na 2 S 2 O 3, CCl 4 p.a, etanol 95%, phenolphthalein, potassium hydrogen phtalat (PHP), akuades dan akuabides. Preparasi katalis Lempung yang digunakan pada penelitian ini berasal dari Cengar, Riau (Vifftaria, 2011). Katalis dipreparasi dengan metode impregnasi basah. Lempung yang sudah dicuci dan dikeringkan untuk selanjutnya digerus dan diayak dengan menggunakan ayakan 100 dan 200 mesh. Lempung dipanaskan dalam oven pada suhu 105 o C selama satu malam. Kemudian lempung diimpregnasi dengan NaOH dengan konsentrasi bervariasi, yaitu 5, 10, 15, 20, dan 25% (b/b) yakni dengan meneteskan secara perlahan 50 ml larutan NaOH kepada 50 g 40 padatan lempung, kemudian diaduk dan dikeringkan. Kemudian dikalsinasi pada temperatur 300 o C selama 3 jam. Reaksi transesterifikasi dilakukan dengan menggunakan labu leher tiga alas bulat yang dilengkapi dengan kondensor refluks, termometer dan stirrer magnet. Proses transesterifikasi dilakukan menggunakan 100 g minyak sawit komersial yang diperoleh di pasar lokal. Sebelum digunakan, minyak dipanaskan sampai 105 o C selama 30 menit untuk menghilangkan kandungan air. Reaksi berlangsung menggunakan berat katalis 3 g (katalis dengan NaOH loading: 20%), waktu reaksi dari 4-10 jam, variasi rasio minyak metanol dari 1:3, 1:6, 1:9 dan 1:12, untuk suhu reaksi adalah 60 o C (Nurhayati, et.al., 2012). Karakterisasi katalis dengan XRD Lempung yang telah dimodifikasi diidentifikasi jenis mineralnya dengan menggunakan XRD. Proses transterifikasi biodiesel Proses transesterifikasi dimulai dengan mengaduk campuran katalis dengan metanol selama 1 jam, kemudian tambahkan minyak ke dalam campuran tersebut dan sambil diaduk sampai waktu reaksi yang ditentukan (8 jam). Biodiesel yang diperoleh dimasukkan ke dalam corong pisah (katalis disaring), diamkan selama satu malam. Biodiesel yang terbentuk pada lapisan atas diambil kemudian dicuci dengan air hangat (suhu ±60 o C). Analisis GC dari produk biodiesel Produk biodiesel yang dihasilkan dari proses transesterifikasi kemudian dianalisis dengan menggunakan GC (Gas Chromatographi). Sampel untuk GC yaitu biodiesel dengan rasio molar minyak/metanol 1:6, 1:9 dan 1:12. Analisis GC dilakukan untuk mengetahui kemurnian biodiesel yang dihasilkan. HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi katalis dengan XRD Karakterisasi jenis mineral pada katalis diidentifikasi dengan menggunakan XRD. Sedangkan luas permukaan katalis dianalisis dengan metoda BET dengan alat NOVA Puncak yang terbentuk pada pola XRD masing-masing katalis 5-25% loading NaOH menunjukkan bahwa pada katalis terdapat mineral montmorilonit, kaolinit, muskovit, natrium aluminum silikat, kalsit dan kuarsa

3 Hasil (%) Sintesis Biodiesel dengan Katalis Heterogen Lempung Cengar SINTESIS BIODIESEL Pengaruh waktu reaksi terhadap hasil biodiesel Berdasarkan teori semakin lama waktu reaksi, maka kemungkinan kontak antar zat semakin besar sehingga akan menghasilkan konversi yang besar. Jika kesetimbangan reaksi sudah tercapai maka dengan bertambahnya waktu reaksi tidak akan menguntungkan karena tidak memperbesar hasil (Hikmah & Zuliyana, 2010) Waktu reaksi (jam) Gambar 2. Grafik pengaruh waktu reaksi terhadap hasil biodiesel Dalam penelitian ini, diperoleh data bahwa selama waktu 4 sampai 8 jam konversi reaksi terus meningkat, namun pada waktu 10 jam hasil konversi reaksi semakin menurun, hal ini disebabkan karena kesetimbangan reaksi sudah tercapai dalam waktu kurang lebih 8 jam sehingga dalam waktu yang lebih lama dari 8 jam tidak akan menguntungkan, karena tidak memperbesar hasil dan karena reaksi yang terjadi dalam proses transesterifikasi adalah kesetimbangan, maka apabila sudah terjadi kesetimbangan, reaksi akan bergeser ke kiri, dan akan memperkecil produk yang diperoleh. Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa waktu reaksi optimal diperoleh pada reaksi transesterifikasi selama 8 jam, yaitu sebesar 78,2853% dengan katalis lempung/naoh 20% (% berat), berat katalis 3 gram dan rasio minyak:metanol 1:6. Pengaruh rasio molar minyak:metanol terhadap hasil biodiesel Perbandingan mol minyak:metanol merupakan salah satu faktor yang dapat mempengaruhi kualitas metil ester (biodiesel) yang dihasilkan. Untuk menentukan perbandingan mol yang optimum dilakukan dengan 4 variasi perbandingan mol minyak: metanol, yaitu 1:3, 1:6, 1:9 dan 1:12. Perbandingan tersebut dipilih dengan mempertimbangkan bahwa perbandingan mol minyak:metanol secara stoikiometri adalah 1:3, sehingga perbandingan selanjutnya digunakan mol metanol yang lebih besar

4 Hasil (%) Sintesis Biodiesel dengan Katalis Heterogen Lempung Cengar hingga perbandingan mol 1:12. Reaksi transesterifikasi merupakan reaksi kesetimbangan, maka dengan penggunaan mol metanol yang lebih besar dari stoikiometri dapat menggeser kesetimbangan ke arah kanan yang berarti memperbesar konversi biodiesel :00 1:03 1:06 1:09 1:12 1:14 Rasio minyak:metanol Gambar 3. Grafik pengaruh rasio molar minyak:metanol terhadap hasil biodiesel Pada Gambar 3 dapat disimpulkan bahwa rasio minyak : metanol yang optimum yaitu 1:6. Merujuk pada penelitian yang dilakukan oleh Abdullah et al (2007), dapat disimpulkan bahwa reaksi transesterifikasi merupakan reaksi kesetimbangan, sehingga jika reaksi dilakukan pada perbandingan mol stoikiometri (1:3) maka konversi ester yang dihasilkan juga rendah. Penggunaan metanol dalam jumlah kecil lebih menguntungkan dari pada penggunaan metanol dalam jumlah besar karena tidak mempengaruhi hasil yang signifikan. Selain itu, penggunaan perbandingan mol yang lebih tinggi antara alkohol dan minyak menyebabkan proses pemisahan gliserol semakin sulit, karena terjadi peningkatan kelarutan gliserol di dalam alkohol yang digunakan. Hasil Analisis GC dari produk Biodiesel Analisis GC digunakan untuk mengidentifikasi senyawa kimia yang terkandung di dalam biodiesel hasil penelitian. Sampel yang diambil untuk analisis GC-MS adalah sampel dengan variasi perbandingan rasio minyak: metanol yaitu 1:6, 1:9 dan 1:12. Kromatogram hasil analisis GC-MS dari sampel biodiesel seperti tertera pada Gambar 4. Metil ester dari transesterifikasi diujikan dengan menggunakan alat GC untuk mengetahui jumlah senyawa dan komposisinya yang terdapat pada hasil reaksi. Hasil analisis dengan kromatografi gas (GC) dari metil ester minyak goreng disajikan pada gambar 4,5 dan 6. Gambar 4. Kromatogram GC dari produk Biodiesel (perbandingan rasio minyak: metanol = 1:6) Gambar 5. Kromatogram GC dari produk Biodiesel (perbandingan rasio minyak: metanol = 1:9) 42

5 Sintesis Biodiesel dengan Katalis Heterogen Lempung Cengar Gambar 6. Kromatogram GC dari produk Biodiesel (perbandingan rasio minyak: metanol = 1:12) Hasil uji GC menunjukkan beberapa senyawa organik yang terkandung di dalam metil ester. Senyawa penyusun dalam metil ester yang dominan adalah asam Heksadekanoat (asam palmitat) 58,09%, asam tetradekanoat 34,87% (asam miristat), asam oktadekanoat (asam oleat). Berdasarkan senyawa yang terkandung dalam metil ester tersebut dapat ditentukan senyawa yang terkandung dalam minyak yang digunakan sebagai bahan. Dalam bahan (minyak) senyawa yang paling dominan adalah asam palmitat yang membentuk ester bernama asam heksadekanoat. Asam heksadekanoat pada metil ester yang memiliki persentase sebanyak 58,09% menggambarkan bahwa asam palmitat pada minyak juga tinggi (Rengga & Istiani, 2011). Dari analisis GC dapat diketahui bahwa kemurnian dari produk biodiesel yaitu untuk rasio molar minyak metanol 1:6 sebesar 99,01%, untuk perbandingan rasio molar minyak/metanol 1:9 adalah 98,5% dan untuk perbandingan rasio molar minyak/metanol 1:12 adalah 99,001%. KESIMPULAN Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa lempung yang diaktivasi dengan NaOH efektif sebagai katalis heterogen untuk transesterifikasi minyak sawit dengan metanol menjadi biodiesel. Hasil yang diperoleh didapatkan waktu optimum untuk transesterifikasi biodiesel yaitu 8 jam dengan rasio molar minyak:metanol 1:6 dan suhu reaksi 60 o C dengan hasil biodiesel sebesar 78,285%. UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasih yang sebesar-besarnya diberikan kepada dosen pembimbing yaitu ibu Dr. Nurhayati, M.Sc dan ibu Dr. Sofia Anita, M.Sc yang telah memberikan ilmu, motivasi, waktu dan saran-saranya untuk keberhasilan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Abdullah, Rodiansono, Wijaya A Optimasi perbandingan mol metanol/minyak sawit menggunakan petroleum benzin. Jurnal Sains dan Terapan Kimia 1(2): Agustin,Y Pengembangan monmorilonite sebagai katalis sintesis biodiesel melalui esterifikasi palm fatty acid distillat.thesis Institut Teknologi Bandung. Hikmah, M.N dan Zuliyana Pembuatan metil ester (biodiesel) dari minyak dedak dan metanol dengan proses esterifikasi dan transesterifikasi. Skripsi. Universitas Diponegoro. Jaimasith M, Phyyanalinmat Biodiesel synthesis from transesterification by clay-based catalyst. Departement of Industrial Chemistry, Faculty of Science, Chiang May University, Chiang May, Thailand. Nurhayati, Akbar E, Yaakob Z The effect of reaction temperature and reaction time on the Transesterification of palm olein using NaOH/ZnO heterogeneous catalyst. Prosiding Seminar HKI

6 Sintesis Biodiesel dengan Katalis Heterogen Lempung Cengar Nurhayati, Erman, Muhdarina, Mulyani S The effect of oil-methanol ratio and reaction time on the synthesis of biodiesel using sodium acetat activated clay heterogenous catalyst. Prosiding Seminar Bersama ke-7 FMIPA UR-FST UKM Pekanbaru Pravitasari A Potensi Pengembangan Biodiesel Indonesia. Majari Magazine. Rashtizadeh E, Farzaneh F, Ghandi M A comparative study of KOH loaded on double aluminosilicate layers, microporous and mesoporous materials as catalyst for biodiesel production via transesterification of soybean oil. Fuel 89(2010) : Rengga W D P, Istiani W Sintesis metil ester dari minyak goreng bekas dengan pembeda jumlah tahapan transesterifikasi. Jurnal kompetensi teknik. 2 (2) hal: Sahara E Regenerasi lempung bentonit dengan NH + 4 jenuh yang diaktivasi Panas dan Adsorpsinya terhadap Cr(III). Jurnal Kimia 5(1): Setyaningsih D, Yuliani S, Solechan A Optimasi proses sintesis Gliserol Tert-Butil Eter (GTBE) sebagai aditif biodiesel. Soetaredjo F E, Ayucitra A, Ismadji S, Maukar A L KOH/bentonite catalyst for transesterification of Palm oil to biodiesel. Applied Clay Sciences. Elsevier 53: Vifttaria, M Aktivasi lempung cengar dengan natrium asetat dan sifat katalitik untuk produksi biodiesel: berat katalis dan suhu reaksi. Skripsi. Jurusan Kimia FMIPA Universitas Riau, Pekanbaru. 44