BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pengurangan kadar sulfur (desulfurisasi) dari minyak bumi diberlakukan oleh hampir seluruh negara di dunia karena dampak buruk oksida sulfur bagi lingkungan. Pengurangan senyawa sulfur dengan metode adsorpsi lebih banyak dipilih dibanding katalitik karena tidak memerlukan hidrogen dan energi tinggi (Kim et al., 2006; Muzic et al., 2009). Adsorben berpori besar lebih disukai dibanding yang berpori kecil karena lebih efisien dalam menyerap molekul sulfur yang rata-rata berukuran besar (Ahmaruzzaman, 2010; Seredych et al., 2007). Karbon mesopori merupakan adsorben berpori besar dari kelompok material nano (nanomaterial). Karbon mesopori dianggap sebagai adsorben yang efektif dalam adsorpsi senyawa sulfur karena ketersediaan pori dengan rentang ukuran 2-10 nm sebagai akses masuk molekul besar (Nejad et al., 2013). Karbon mesopori juga memiliki struktur pori yang teratur, luas permukaan tinggi, inert dan stabilitas termal yang tinggi (Ryoo et al., 1999; Darmstaths et al., 2002). Ukuran pori dan luas permukaan karbon mesopori dapat dikontrol selama sintesis. Tingginya kapasitas adsorpsi karbon mesopori terhadap senyawa sulfur telah dikaji oleh beberapa peneliti (Bu et al., 2011; Gangwal, 2011; Nejad et al., 2013). Sintesis karbon mesopori pertama kali dilakukan oleh Kyotani et al. (1997) menggunakan teknik cetakan lunak (soft templating). Penelitian tersebut belum mampu mendapatkan karbon mesopori dengan struktur pori teratur. Pada awal tahun 1999, karbon mesopori berpori teratur berhasil disintesis oleh Ryoo et al. (1999). Penelitian tersebut menggunakan teknik cetakan padat (hard templating technique) melalui infiltrasi sukrosa ke dalam MCM-48 sebagai cetakan dilanjutkan karbonisasi dan pelepasan silika. Penelitian karbon mesopori berkembang pesat setelah penemuan Ryoo et al. (1999) tersebut. Prekursor yang digunakan pada awal penemuan karbon mesopori adalah sukrosa (Ryoo et al., 1999). Prekursor lain yang banyak digunakan setelah itu 1

2 2 antara lain: furfuril alkohol (Lu et al., 2004), garam litium dari asam aromatik (Kamegawa et al., 2005), resin, poliakrilonitril dan pitch karbon (Zhi-hong et al., 2010), dihidroksinaftalen (Vigón et al., 2012), pati, gum arab, surfaktan P-123 dan F-127 (Enterría et al., 2013), dan gliserol (Ignat et al., 2010). Penelitian terdahulu menunjukkan bahwa pada dasarnya semua molekul organik dapat digunakan sebagai prekursor karbon dalam sintesis karbon mesopori. Gelatin merupakan salah satu molekul organik yang potensial sebagai prekursor karbon. Hal ini berdasarkan penelitian Kirk dan Otmer (1982) bahwa kandungan karbon dan nitrogen dalam gelatin adalah 50% dan 17%. Kandungan karbon dalam gelatin menunjukkan kemampuan gelatin untuk dapat dikonversi menjadi karbon. Nelson dan Cox (2010) menyatakan bahwa nitrogen pada gelatin adalah representasi gugus amina sebagai gugus aktif yang mudah bereaksi dengan zat organik maupun anorganik melalui ikatan fisik dan kimia. Hal ini dibuktikan oleh Hsu et al. (2007) dalam penelitiannya yang mencampurkan gelatin dengan natrium silikat untuk mensintesis karbon mesopori diikuti pirolisis dan pelepasan silika. Gugus amina (-NH 2 ) pada gelatin berinteraksi kuat dengan spesi silikat yang berperan membentuk dinding pori karbon melalui ikatan hidrogen. Hsu et al. (2007) berharap interaksi tersebut mampu menstabilkan kerangka karbon meskipun hasil sintesis menunjukkan banyaknya cacat struktur ketika diamati dengan TEM (transmission electron microscopy). Penelitian Hsu et al. (2007) menjadi dasar pemikiran dalam penelitian ini untuk mensintesis karbon mesopori dari gelatin dengan teknik yang berbeda agar mendapat produk karbon dengan keteraturan tinggi. Penelitian ini mengkaji sintesis dan karakterisasi karbon mesopori dari gelatin sebagai prekursor karbon dengan teknik cetakan padat. Karakter karbon dengan porositas dan keteraturan tinggi dicapai dengan dua pendekatan yaitu kontrol karakter gelatin dan kontrol kondisi sintesis. Kontrol karakter gelatin dilakukan untuk mendapatkan gelatin dengan kandungan karbon dan nitrogen tinggi serta berat molekul kecil. Hal ini didasarkan pada pernyataan Bereta (2009) bahwa semua molekul organik yang memiliki kandungan karbon dan gugus aktif yang membantu interaksi dengan cetakan memenuhi syarat sebagai prekursor

3 3 karbon. Berat molekul kecil lebih disukai karena mempermudah masuknya prekursor ke dalam cetakan (Ryoo et al., 1999). Gelatin diekstraksi dari tulang sapi dengan pertimbangan tulang sapi cukup berlimpah dengan kandungan karbon dan nitrogen yang tinggi (Kirk dan Otmer, 1982). Proses ekstraksi dilakukan dengan metode asam-basa. Hal ini didasarkan pada pendapat Muyonga et al. (2009) bahwa metode asam-basa lebih baik dibanding metode tunggal karena ekstraksi bersifat simultan dan menyeluruh. Metode asam-basa mampu menghasilkan gelatin dengan kualitas yang lebih baik dibanding gelatin yang diperoleh dengan metode tunggal. Sifat fisik dan kimia gelatin dengan spesifikasi tertentu dapat dicapai selama proses ekstraksi dengan melakukan kontrol terhadap waktu, temperatur dan konsentrasi asam (Koloideszka et al., 2009). Atas dasar tersebut, dalam penelitian ini gelatin akan diekstraksi dengan melakukan variasi ketiga hal tersebut dalam rangka memperoleh karakter gelatin yang memenuhi syarat sebagai prekursor karbon. Karakter gelatin dapat diamati dari sifat fisik dan kimia (Gu et al., 2007, Muyonga et al., 2009). Karakter fisik dan kimia gelatin meliputi: kelengkapan gugus amida sebagai kerangka utama, kandungan karbon dan nitrogen, struktur mikro serta berat molekul. Karakter tersebut dikaji melalui analisis gugus fungsi, analisis unsur dan analisis berat molekul menggunakan spektrofotometer Fourier transform infrared (FTIR), scanning electron microscopy-energy dispersive analysis of X-rays (SEM EDAX) dan elektroforesis, Pendekatan selanjutnya adalah kontrol kondisi sintesis karbon mesopori. Gelatin hasil ekstraksi pada kondisi optimum digunakan sebagai prekursor karbon. Silika mesopori yang digunakan sebagai cetakan padat adalah SBA-15 komersial yang berukuran 8-9 nm. Silika mesopori SBA-15 digunakan sebagai cetakan dengan pertimbangan bahwa SBA-15 memiliki kestabilan yang tinggi karena adanya pilar mikropori di antara pipa mesopori. Proses sintesis meliputi infiltrasi, dehidrasi, karbonisasi dan pelepasan cetakan. Faktor-faktor yang berpengaruh dalam sintesis karbon mesopori antara lain: jenis prekursor karbon, jumlah prekursor karbon, jenis cetakan, jumlah asam, proses impregnasi, dan pelepasan cetakan (Ryoo et al.,1999; Joo et al., 2000; Vinu et al., 2007). Kontrol

4 4 kondisi sintesis dengan melakukan variasi faktor-faktor tersebut akan dilakukan untuk mendapatkan karbon mesopori dengan karakter struktur dan tekstural yang baik. Kedua karakter tersebut dievaluasi dari hasil karakterisasi dengan Small angle X-ray diffraction (SAXRD), small angle X-ray scattering (SAXS), N 2 adsorption desorption isotherms, transmission electron microscopy (TEM). Proses sintesis akan diamati dengan mengkaji keadaan awal dan akhir bahan dalam bentuk prekursor, komposit antar bahan dan produk akhir dengan bantuan differential scanning calorimetry-thermal gravimetric analysis (DSC-TGA), spektrofotometer Fourier transform infrared (FTIR), scanning electron microscopy-energy dispersive analysis of X-rays (SEM EDAX) Pada akhir penelitian ini akan dilakukan aplikasi material produk sebagai adsorben dalam proses adsorpsi dibenzotiofen (DBT). Molekul DBT digunakan sebagai molekul organosulfur dengan pertimbangan dimensi molekular DBT sekitar 1,1 nm (Mossner et al., 1999) sehingga tepat untuk digunakan sebagai molekul model yang dapat diadsorp material mesopori. Jumlah DBT yang terserap oleh adsorben dievaluasi dengan spektrofotometer UV Vis. Selanjutnya akan dilakukan kajian kinetika dan termodinamika adsorpsi. 1.2 Rumusan Masalah Gelatin sebagai prekursor karbon memiliki gugus amina yang memiliki afinitas tinggi untuk berinteraksi dengan cetakan silika melalui ikatan hidrogen. Struktur fisika dan kimia gelatin dipengaruh kondisi ekstraksi. Tekstur dan porositas karbon mesopori dari gelatin dipengaruhi oleh rasio antar bahan serta perlakuan selama sintesis. Untuk keperluan ini, penelitian akan diarahkan untuk mengetahui pengaruh kondisi ekstraksi terhadap berat molekul gelatin yang paling tepat sebagai prekursor karbon yang diinfiltrasikan ke pori silika, lalu dilakukan kajian pengaruh kondisi dan faktor-faktor sintesis terhadap sifat-sifat tekstural dan struktural karbon mesopori dari gelatin. Karbon mesopori hasil sintesis kemudian diaplikasikan sebagai adsorben dibenzotiofen (DBT).

5 5 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini terbagi menjadi 3 target yaitu: Target pertama, mendapatkan gelatin yang paling optimum dari segi struktur dan berat molekul untuk diinfiltrasikan ke dalam pori SBA-15. Target kedua adalah mendapatkan karbon mesopori dari gelatin tulang sapi dengan keteraturan struktur yang ditandai dengan spesifikasi tekstur dan porositas tinggi berupa luas permukaan m 2 /g, distribusi ukuran pori yang sempit dengan rentang diameter pori 3-6 nm, dan volume pori 0,4-1,0 cm 3 /g. Target ketiga adalah mendapatkan data performa material dalam proses adsorpsi DBT yang akan dikaji secara kinetika dan termodinamika. 1.4 Manfaat Penelitian ini penting untuk pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya di bidang sintesis dan karakterisasi material nano. Dari penelitian ini diharapkan dapat diperoleh konsep dan metode berupa informasi dasar tentang interaksi gelatin/silika serta kondisi optimum dalam ekstraksi gelatin dan karbon mesopori yang dapat dikembangkan dalam industri berskala besar maupun skala industri kecil. Kajian tentang adsorpsi dibenzotiofen akan memberikan referensi adsorben yang efektif yang dapat diterapkan dalam dunia industri pengolahan minyak bumi. 1.5 Keaslian dan Kedalaman Penelitian Penelitian tentang karbon mesopori teknik cetakan padat antara lain sintesis karbon mesopori CMK-1 dengan cetakan MCM-48 (Ryoo et al., 1999), CMK-2 dengan cetakan SBA-1 (Ryoo et al., 2001), CMK-3 dengan cetakan SBA- 15 (Jun et al., 2000), CMK-4 dengan cetakan partially disordered MCM-48 (Ryoo et al., 1999), CMK-5 dengan cetakan Al-SBA-15 (Nejad et al., 2013), CMK-6 dan CMK-7 dengan cetakan SBA-16 (Zhao et al., 1999) dan CMK-8 dan CMK-9 dengan cetakan KIT (Kleitz et al., 2002; Maiyalagan et al., 2012). Penelitian-penelitian tersebut menggunakan berbagai prekursor (berupa sukrosa,

6 6 anilin, furfuril alkohol, resin, fenol resol) yang memiliki kandungan karbon 30-60% dengan gugus aktif yaitu -OH. Dari penelitian tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa karbon mesopori dapat disintesis dari berbagai molekul organik dan mampu menghasilkan porositas tinggi dengan spesifikasi berupa ukuran pori 2-10 nm, luas permukaan m 2 /g, distribusi ukuran pori sempit (keseragaman pori tinggi) dengan volume pori 0,5-1,0 cm 3 /g. Gelatin mulai digunakan sebagai prekursor karbon karena kandungan karbon yang tinggi. Gelatin memiliki gugus amina yang dimanfaatkan sebagai gugus aktif dalam sintesis karbon mesopori. Hal ini berbeda dengan penelitian terdahulu yang mayoritas menggunakan prekursor karbon yang memiliki OH sebagai gugus aktif. Penelitian gelatin sebagai prekursor karbon mesopori dilakukan Hsu et al. (2007) dengan dengan mereaksikan gelatin dan natrium silikat diikuti pirolisis dan pelepasan silika. Berdasarkan analisis TEM dan adsorpsi-desorpsi nitrogen, hasil sintesis Hsu et al. (2007) memiliki morfologi kerangka karbon yang tidak teratur akibat kerusakan misel sebagai pencetak pori selama sintesis. Penelitian tersebut menjadi ide disertasi ini untuk memperbaiki performa struktural dan porositas karbon mesopori dengan melakukan sintesis karbon mesopori dari gelatin menggunakan teknik cetakan padat. Gelatin yang digunakan dalam sintesis karbon mesopori didapatkan dengan proses ekstraksi. Beberapa kajian ekstraksi gelatin dari tulang telah dilakukan. Ekstraksi gelatin tulang harimau (Koli et al., 2011), tulang ikan (Jeya Shakila et al., 2012), tulang nila merah (Muyonga et al., 2004; Ahmad dan Benjakul, 2011). Tulang sapi digunakan sebagai sumber gelatin dengan pertimbangan karakter fisik dan kimia yang lebih baik dibanding jenis tulang hewan lain berupa karakter gugus amida yang kuat, rendemen 3-20%, berat molekul kda, kandungan karbon dan nitrogen 50 dan 18% (Holzer, D., 1996; Nagai dan Suzuki, 2000; Haug, 2004; Schrieber dan Gareis, 2007). Selanjutnya, karakter fisik dan kimia gelatin menurut Muyonga et al. (2009) dipengaruhi oleh metode ekstraksi dan kondisi ekstraksi. Ekstraksi gelatin dilakukan dengan menggunakan metode asam-basa yang didasarkan pada penelitian terdahulu bahwa metode ini asam-basa menghasilkan gelatin dengan

7 7 sifat fisik dan kimia yang lebih baik dari metode tunggal dalam waktu yang lebih singkat (Yang et al., 2008; Niu et al., 2013; Liue et al., 2015). Selanjutnya, penelitian ini berupaya mendapatkan gelatin yang memenuhi syarat sebagai prekursor karbon yaitu memiliki kandungan karbon dan nitrogen tinggi serta berat molekul rendah. Karakter gelatin dengan spesifikasi tertentu dipengaruhi oleh faktor temperatur, waktu dan keasaman (Holzer, D., 1996; Nagai dan Suzuki, 2000, Kolodzieska et al., 2008; Van den Bosch dan Gielens, 2003). Karakter gelatin yang memenuhi syarat sebagai prekursor karbon diupayakan pencapaiannya dengan melakukan optimasi terhadap ketiga faktor tersebut. Berdasarkan uraian mengenai penelitian yang pernah dilakukan dapat disimpulkan hingga tahun 2013 belum ditemukan penelitian gelatin sebagai prekursor karbon mesopori dengan teknik cetakan padat. Kebaruan yang diangkat dalam penelitian ini antara lain pertama, membuktikan bahwa perlakuan selama ekstraksi berpengaruh terhadap sifat fisik dan kimia kaitannya dengan kemampuan gelatin untuk masuk ke pori cetakan. Kedua, membuktikan bahwa adanya interaksi antara gugus amina dengan dinding silika membantu proses pengisian pori SBA-15 oleh gelatin sekaligus mampu meningkatkan kestabilan kerangka karbon selama sintesis. Ketiga, membuktikan bahwa optimasi rasio bahan, tahap impregnasi serta optimasi kondisi pelepasan cetakan mampu menghasilkan karbon mesopori dengan parameter tekstural dan struktural (yang diindikasikan dengan keteraturan morfologi produk dan porositas) yang secara umum lebih tinggi dari hasil penelitian sebelumnya. Selanjutnya kajian difokuskan untuk memberikan informasi mengenai performa karbon mesopori dalam adsorpsi dibenzotiofen sebagai senyawa model minyak bumi.