K. D. Nugrahaningtyas, et al., ALCHEMY jurnal penelitian kimia, vol. 10, no. 1, hal

Transkripsi

1 PENGARUH KONSENTRASI PREKUSOR LOGAM Co DAN Mo TERHADAP KARAKTER KATALIS CoMo/ USY (EFFECT OF CONCENTRATION METAL PRECURSOR Co AND Mo ON CHARACTER OF CoMo / USY CATALYST) Khoirina Dwi Nugrahaningtyas *, Yuniawan Hidayat, Tiara Diah Saputri Jurusan Kimia, FMIPA, Universtas Sebelas Maret, Jl. Ir. Sutami 36 A, Kentingan Surakarta telp. (0271) * khoirinadwi@yahoo.com Received 27 August 2013, Accepted 14 November 2013, Published 04 March 2014 ABSTRAK Telah dilakukan preparasi dan karakterisasi katalis bimetal CoMo/USY menggunakan metode impregnasi berurutan dengan variasi konsentrasi prekusor logam Co dan Mo pada USY (Ultra Stable Y) sehingga diperoleh katalis K 1 [Co (0,018 M)- Mo (0,037 M)/ USY], K 2 [Co ( 0,026 M)- Mo (0,055 M)/ USY], K 3 [Co (0,035 M)- Mo (0,074 M)/ USY], K 4 [Co (0,05 M)- Mo (0,11 M)/ USY] dan K 5 [Co (0,107 M)- Mo (0,22 M)/ USY]. Karakter katalis ditinjau dari aspek kristalinitas menggunakan XRD diperoleh hasil bahwa tidak ada kerusakan setelah dilakukan pengembanan melainkan terjadi perubahan menjadi amorf pada masing-masing katalis. Banyaknya logam yang teremban dianalisis dengan XRF dan morfologi katalis menggunakan SEM-EDS. Dari hasil karakterisasi tersebut diperoleh hasil semakin besar konsentrasi logam (Molaritas) Co maupun Mo yang ditambahkan maka semakin besar kandungan logam total yang teremban. Diperoleh bahwa K 4 memiliki karakter-karakter katalis terbaik. Analisis morfologi terhadap K4 tersebut menunjukkan keberadaan logam Co dan Mo yang teremban. Kata kunci: CoMo/USY, konsentrasi logam prekursor, preparasi katalis bimetal ABSTRACT The preparation and characterization of bimetallic catalysts using impregnation method with a variation of concentration of precursor sequence Co and Mo metal obtained catalyst K 1 [Co (0.018 M) - Mo (0.037 M)/USY], K 2 [Co (0.026 M) - Mo (0.055 M)/USY], K 3 [Co (0.035 M) - Mo (0.074 M)/USY], K 4 [Co (0.05 M) Mo (0.11 M )/USY] and K 5 [Co (0.107 M) - Mo (0.22 M)/USY]. Character of the catalyst in terms of crystallinity was analyzed by XRD. The result shows that there is no cristalinity damage of USY after impregnation but the amorphous cristalin structure was obtained. Amount of metal content was analyzed by XRF and the catalyst morphology by SEM-EDS. The result shows that the higher the concentration of Co and Mo so that find the higher content of metal in catalyst of the prepared catalyst increase. K 4 shows the best characteristic of catalysts prepared in this research. Analysis of K 4 is proving that Co and Mo are presented in catalyst. Keywords: CoMo/USY, concentration of the metal precursor, preparation of bimetal catalysts 40

2 PENDAHULUAN Bahan bakar siap pakai seperti bensin, solar dengan kualitas tinggi dapat diperoleh melalui proses konversi yang disebut hydrotreating. Hydrotreating adalah proses yang mengkonversi senyawa menjadi produk sekaligus treatment penghilangan senyawa nitrogen, oksigen, sulfur, logam, halida, penjenuhan olefin dan aromatik dengan bantuan gas hidrogen dan katalis. Katalis berperan dalam mempercepat laju reaksi. Kemampuan katalis diukur dari aktivitas, selektivitas, stabilitas, mudah diregenerasi serta kualitas produk yang dihasilkan. Hal tersebut dapat dipenuhi oleh katalis sistem logam pengemban. Peneliti Trisunaryanti (2009), melakukan preparasi logam monometal dan logam bimetal yang diembankan pada pengemban menunjukkan bahwa katalis logam monometal Co/ZnO mempunyai nilai keasaman total 0,6 mmol/g dan luas permukaan spesifik 6,13 m 2 /g sedangkan katalis bimetal CoMo/ZnO yang memiliki nilai keasaman total 1 mmol.g serta luas permukaan spesifik sebesar 6,88 m 2 /g. Hal tersebut menunjukkan bahwa katalis bimetal memiliki karakter katalis keasaman total dan luas permukaan spesifik lebih besar dibanding katalis monometal. Peneliti Jongerius et al.. (2012), berhasil memaparkan bahwa katalis bimetal sulfida CoMo/Al 2 O 3 memberikan aktivitas hidrodeoksigenasi lignin yang tinggi. Adapun penelitian sebelumnya mengatakan bahwa pengembanan CoMo pada Al 2 O 3 memberikan hasil yang baik pada reaksi hidrodesulfurisasi dibenzothiofen (Rinaldi et al.., 2010). Selain itu, berdasarkan hasil penelitiannya Kiurski et al.. (1998), juga menyatakan bahwa katalis CoMo/Al 2 O 3 memiliki tekstur yang stabilitas termalnya tinggi dibanding katalis NiMo/Al 2 O 3 pada reaksi hidrodesulfurisasi. Di lain pihak, Rawat et al.. (2010), mengatakan bahwa pengemban Al 2 O 3 memiliki aktivitas katalitik yang rendah di banding USY pada reaksi hidrodesulfurisasi tiofen. Selain itu diketahui bahwa USY memiliki keasaman yang lebih tinggi dibanding HY setelah uji adsorpsi dengan amonia (Niwa et al.., 2006). Sehingga penggantian pengemban Al 2 O 3 dengan USY menghasilkan katalis yang fungsional. Untuk itu dilakukan pembuatan katalis logam bimetal Co dan Mo yang diembankan pada Ultra Stabil Y (USY). METODE PENELITIAN Preparasi Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah USY yang berasal dari Tosoh Corporation, Jepang. Preparasi dilakukan dengan tujuan untuk mengubah sampel NH 4-41

3 USY menjadi H-USY melalui proses kalsinasi, yaitu dengan memanaskan NH 4 -USY pada temperatur 550 C selama 1 jam di dalam furnace dan dialiri gas N 2 dengan kecepatan alir 10 ml per menit. H-USY sebanyak 10 gram ditambahkan larutan ammonia dengan konsentrasi setiap pengembanan sama yaitu 3,186 M selanjutnya ditambahkan garam ammonium heptamolybdat tetrahidrat dengan konsentrasi prekusor logam 0,037 M kemudian dipanaskan dengan alat refluks pada temperatur 60 C selama 2 jam. Setelah 2 jam, sampel disaring residu dimasukkan labu ukur ditambahkan garam kobalt nitrat heksahidrat dengan konsentrasi prekusor logam 0,018 M selanjutnya dipanaskan dengan alat refluks pada suhu 60 C selama 2 jam. Sampel kemudian disaring dan residu dikeringkan menggunakan vacum evaporatory pada tekanan 72 mbarr dan temperatur 40 C sampai sampel kering dan menjadi serbuk. Sampel serbuk yang telah kering tersebut kemudian dikalsinasi dengan dialiri gas N 2 pada temperatur 550 C selama 3 jam, dengan rangkaian reaktor ditunjukkan dengan gambar. Hasil kalsinasi dioksidasi dengan dialiri gas O 2 pada temperatur 400 C selama 2 jam, kemudian direduksi dengan dialiri gas H 2 pada temperatur 400 C selama 2 jam. Rangkaian reaktor oksidasi maupun reduksi sama dengan rangkaian reaktor kalsinasi hanya merubah gas yang digunakan. Langkah seperti diatas diulangi diukur dengan konsentrasi Co 0,026 M dan Mo 0,055 M; Co 0,035 M dan Mo 0,074 M; Co 0,05 M dan Mo 0,11 M. Katalis yang dihasilkan pada tahap ini dinamai K 1 [Co (0,018 M)- Mo (0,037 M)/ USY]. K 2 [Co ( 0,026 M)- Mo (0,055 M)/ USY], K 3 [Co (0,035 M)- Mo (0,074 M)/ USY], dan K 4 [Co (0,05 M)- Mo (0,11 M)/ USY]. Sementara itu, K 5 dengan [Co (0,107 M)- Mo (0,22 M)/ USY] diperoleh dari penelitian Nugrahaningtyas (2012). Karakterisasi Katalis yang dihasilkan tersebut kemudian dikarakterisasi kristalinitasnya dengan X-Ray Diffraction (XRD), kandungan logam yang teremban pada katalis dengan X-Ray Fluorence (XRF), luas permukaan spesifik katalis dengan Surface Area Analyzer (SAA), serta data pendukung hasil dilihat dari mapping katalis dengan Scanning Electron Microscopy (SEM). Data keasaman total ditentukan dengan metode gravimetri yaitu metode adsorpsi amonia. PEMBAHASAN Preparasi USY awal adalah proses kalsinasi NH 4 -USY menjadi H-USY. Proses kalsinasi pada suhu 550 C selama 1 jam bertujuan untuk menghilangkan NH 3, sehingga 42

4 ion NH + 4 yang terikat pada USY berubah menjadi H +. Hal tersebut dikarenakan ion H + mempunyai kapasitas tukar kation yang lebih besar dibanding NH + 4, sehingga penghilangan gugus NH 3 akan meningkatkan kemampuan pertukaran ion dari USY. Perubahan yang terjadi karena proses kalsinasi tersebut dapat dilihat dari besarnya kristalinitas dan jenis gugus fungsional yang terikat pada USY. Karakter kristalinitas NH 4 -USY dan H-USY dianalisis dengan menggunakan Difraksi Sinar X (XRD). Analisis spektra hasil XRD dilakukan dengan membandingkan puncak-puncak yang muncul dalam difraktogram dengan puncak-puncak standar dari NH 4 -USY dan H-USY dari ICSD (Inorganics Crystal Structure Database). Perbandingan pola difraksi sinar X dari NH 4 -USY dan H-USY dapat dilihat pada Gambar 1. Berdasarkan hasil analisis XRD yang diperoleh dari Gambar 1, diketahui bahwa H- USY mempunyai pola difraktogram yang lebih rigrid dibanding NH 4 -USY. Selain itu diperkirakan bahwa terdapat struktur amorf pada kristalinitas NH 4 -USY. Gambar 1. Perbandingan pola difraksi sinar X dari (a) NH 4 -USY dan (b) H-USY Keterangan : * = puncak intensitas yang berbeda pada 2θ tertentu. Karakter katalis bimetal Pada penelitian ini dilakukan analisis kandungan logam sebelum dilakukan preparasi katalis bimetal. Analisis kandungan logam pada H-USY dimaksudkan sebagai faktor koreksi terhadap karakter katalis yang dihasilkan. Hasil analisis kandungan logam menggunakan X-Ray Fluorence (XRF) dapat diketahui bahwa H-USY mengandung logam Si sebagai (SiO 2 ) sebesar 80,53 % b/b dan Al sebagai (Al 2 O 3 ) sebesar 17,91 % b/b. Adapun kandungan logam Co dan logam Mo tidak ada. Hasil analisis tersebut menunjukkan adanya kerangka alumina silikat dalam USY 43

5 dengan perbandingan mol logam Si sebagai (SiO 2 ) dan Al sebagai (Al 2 O 3 ) 7 : 1 yang sesuai dengan data NH 4 -USY sintetis yang diperoleh dari Tosoh Coorporation The Chemistry Of Innovation ( USY tipe HSZ - 300). Berdasarkan hasil karakterisasi H-USY (kristalinitas, keasaman total, dan kandungan logam) memperkuat hipotesis bahwa H-USY dapat digunakan sebagai pengemban katalis logam transisi dalam hal ini Co dan Mo. Harapannya aktivitas logam Co dan Mo sebagai katalis meningkat ketika diembankan pada H-USY. Karakter kristalinitas katalis dianalisis secara kualitatif menggunakan XRD pada rentang sudut (2 ) Pola difraktogram H-USY sebagai pengemban maupun katalis disajikan pada Gambar 2. Gambar 2. Pola difraktogram (a) H-USY dengan (b) K 1, (c) K 2, (d) K 3, (e) K 4, (f) K 5 Berdasarkan Gambar 2 terlihat bahwa H-USY dengan katalis yang dibuat memiliki pola difraktogram yang hampir sama namun secara umum terlihat adanya perbedaan tinggi intensitas pada 2 tertentu pada H-USY dan masing-masing katalis. Perbedaan intensitas yang terjadi diperkirakan adanya perbedaan banyaknya kandungan logam yang teremban. Analisis lebih lanjut untuk mengetahui kesesuaian data difraksi XRD dengan struktur kristal yang diajukan berdasarkan perbandingan dengan data ICSD, maka dilakukan refinement dengan menggunakan metode Le Bail dengan perangkat lunak RIETICA. Hasil refinement pada masing-masing katalis menunjukkan kesesuaian data ICSD 7 standar Zeolit Y ICSD #31542, Ammonium heptamolibdat ICSD #27452, CoO ICSD #9865, CoMoO 4 ICSD #281235, MoO 3 ICSD #36167, Co ICSD #41507 dan Mo ICSD # Analisis selanjutnya adalah analisis secara kuantitatif untuk mengetahui jumlah logam Co dan Mo yang dapat teremban dalam katalis dilakukan dengan menggunakan X- 44

6 Ray Fluorence (XRF). Hasil analisis kuantitatif yang menunjukkan konsentrasi logam yang ditambahkan (konsentrasi logam Mo ) vs kandungan logam yang teremban (kandungan logam Mo) dibandingkan (konsentrasi logam Mo) vs (kandungan logam total (Co+Mo)) disajikan pada Gambar 3. Gambar 3. Perbandingan konsentrasi logam Mo yang ditambahkan vs kandungan logam Mo yang teremban dan konsentrasi logam Mo vs kandungan logam total (Co+Mo) yang teremban. Berdasarkan Gambar 3 semakin pekat konsentrasi logam Mo yang ditambahkan menyebabkan kandungan logam Mo yang teremban semakin besar. Hal ini menunjukkan bahwa semakin pekat konsentrasi menyebabkan substansi yang terkumpul dipermukaan pengemban semakin banyak. Namun saat kondisi paling pekat logam Mo tidak dapat teradsorp sebab telah mengalami kejenuhan. Kondisi optimum logam Mo yang teradsorp adalah pada konsentrasi katalis K 4. Selain itu logam Mo memiliki sifat tidak mudah tersolvasi di dalam air (H 2 O) sehingga Mo lebih menyukai teradsorp pada pengemban (H- USY). Selanjutnya hasil analisis kuantitatif yang menunjukkan konsentrasi logam Co yang ditambahkan vs logam Co teremban dibandingkan konsentrasi logam Co yang ditambahkan vs logam total (Co+Mo) yang teremban disajikan pada Gambar 4. 45

7 Gambar 4. Perbandingan konsentrasi logam Co yang ditambahkan vs kandungan logam Co yang teremban dan konsentrasi logam Co yang ditambahkan vs kandungan logam total (Co+Mo) yang teremban. Berdasarkan Gambar 4 setelah ditambahkan logam Co, maka semakin pekat konsentrasi logam Co yang ditambahkan menunjukkan hal yang berbanding terbalik yaitu logam Co yang teremban semakin sedikit. Hal ini disebabkan karena logam Co lebih tersolvasi dalam air (H 2 O). Selain itu dimungkinkan karena logam Co tidak bisa menggeser logam Mo yang sudah menempati pori-pori pengemban. Hasil dari Gambar 3 dan Gambar 4 menunjukkan bahwa semakin pekat konsentrasi logam yang ditambahkan maka semakin besar kandungan logam total (Co+Mo) yang teremban namun memiliki batas optimum kejenuhan pada konsentrasi katalis K 4. Hal tersebut dimungkinkan antara logam total (Co+Mo) dan pengemban (H- USY) sudah mengalami kesetimbangan. Berdasarkan analisis data kandungan logam total yang teremban pada katalis, diperoleh kondisi optimum pada K 4. Oleh karena itu dilakukan analisis menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) sebagai data pendukung pada K 4. Hasil analisis SEM berupa morfologi tanpa mapping element pada K 4 dengan perbesaran 8900x disajikan pada Gambar 5 (a) dan berupa mapping element pada K 4 dengan perbesaran 8900x disajikan pada Gambar 5 (b) serta diperjelas dengan hasil analisis SEM-EDS pada K 4 yang disajikan pada Gambar 6. 46

8 (a) (b) Gambar 5. (a) Hasil analisis SEM K 4 tanpa mapping element (b) Mapping element pada K 4 perbesaran. Gambar 6. EDS pada K 4. Hasil dari Gambar 5 terlihat bahwa pada permukaan katalis K 4 terdapat logam O, Si, Al, Mo dan Co. Selanjutnya diperjelas pada Gambar 6 menunjukkan bahwa persentase logam Si, Al dan O yang memiliki komposisi paling dominan. Hal tersebut mengindikasikan sebagai komponen utama pengemban (H-USY). Dilihat dari hasil mapping SEM-EDS mendukung bahwa sudah terembannya logam Co dan Mo. 47

9 KESIMPULAN Semakin pekat konsentrasi logam Co maupun logam Mo yang ditambahkan maka semakin besar kandungan logam total (Co dan Mo) yang teremban. Kondisi optimum logam total (Co dan Mo) yang teremban pada konsentrasi K 4. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih penulis ucapkan kepada DP2M DIKTI atas kepercayaan pemberian dana Hibah Kompetensi tahun anggaran 2013/2014 sehingga penelitian ini dapat terlaksana. DAFTAR PUSTAKA Gates, B. C., 1992, Catalytic Chemistry, USA, John Wiley and Son. Inc. Jongerius, L. A., 2012, CoMo Sulfide-Catalyzed Hydrodeoxygenation of Lignin Model Compounds: An Extended Reaction Network for the Conversion of Monomeric and Dimeric Substrates, Journal Of Catalysis, vol. 285, no. 1, pp Kiurski, J., Obadovic, D. Z., Kapor, A., Kis. A. and Neducin, R. M., 1998, Structural and Textural Changes of Hydrodesulfurization Catalysts In Conditions of Accelerating Aging, The Scientific Journal, vol. 1, no. 5, pp Niwa, M., Suzuki. K., and Katada, N., 2006, Brønsted Acidity in HY and USY Studied by IRMS-TPD of Ammonia, 16th Saudi Arabia- Japan Joint Symposium, 5-6 November 2006, Dhahran, Saudi Arabia. Nugrahaningtyas, K. D., Trisunaryanti. W., Triyono., and Nuryono., 2012, Pleminary Study of Catalytic Activity Of The Non Sulfide Catalyst CoMo/USY to HDS Reaction Of Thiophen, 2 nd ITB Catalysis Symposium, Bandung, ITB. Rawat, K. S., Kumar, M., Gupta, J. K., Bal, R., Dhar, G. M., and Datta, A., 2010, Catalytic Functionality of NiMo and CoMo Catalysts, Supported on US-Y Zeolite for Hydrotreating Processes, 20th National Symposium on Catalysis for Energy Conservation and Conservation of Environ, Desember, Chennai. Rinaldi, N., Yoshioka, M., Kubota, T., and Okamoto, Y., 2010, Hydrodesulfurization Activity of Co Mo/Al2O3 Catalysts Prepared with Citric Acid: Post-treatment of Calcined Catalysts with High Mo Loading, Journal of the Japan Petroleum Institute, vol. 53, no. 5, pp Trisunaryanti, W., Handirofa., Triyono., and Purwono, S., 2009, Preparasi, Karakterisasi dan Uji Katalis CoMo/ZnO pada Konversi Etanol Menggunakan Metode Steam Reforming, Indonesian Journal of Chemistry, vol. 9, no. 2, pp