Prestasi, Volume 1, Nomor 2, Juni 2012 ISSN

Transkripsi

1 PRODUKSI BIODIESEL DARI MINYAK JELANTAH DENGAN CANGKANG BEKOCOT (Achatina fulica) SEBAGAI KATALIS HETEROGEN Leo Saputra, Noor Rakhmah, Hapsari Tyas Pradita, dan Sunardi Program Studi Kimia FMIPA Unlam Jl. A. Yani Km. 36 Banjarbaru Kalimantan Selatan ABSTRAK Katalis Oksida padat saat ini banyak dikembangkan dalam produksi biodiesel, salah satunya adalah kalsium oksida (CaO). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh temperatur kalsinasi cangkang bekicot terhadap karakter dan aktivitas katalis CaO yang dihasilkan serta untuk mengetahui pengaruh berat katalis dan waktu reaksi transesterifikasi minyak sawit menggunakan katalis CaO dari cangkang bekicot. Temperatur kalsinasi cangkang bekicot dibuat bervariasi yaitu 700, 800 dan C. Proses transesterifikasi dilakukan dengan variasi berat katalis sebesar 5, 10, 15 dan 20% (b/b) dengan waktu reaksi yang juga dibuat bervariasi sebesar 30, 60, 90 dan 120 menit. Hasil penelitian menunjukkan karakteristik katalis berdasarkan uji aktivitas katalis ditunjukkan pada temperatur C yang mempunyai aktivitas katalis terbaik, dilihat dari hasil analisis difraksi sinar-x dan kualitas biodiesel. Uji kualitas biodiesel didapatkan hasil terbaik pada berat katalis 10% (b/b) dengan waktu reaksi selama 60 menit, rasio mol 12:1, temperatur reaksi 60 0 C yang menghasilkan biodiesel dengan viskositas kinematik sebesar 20,159 mm 2 /s, densitas 0,844 g/ml, bilangan asam 0,217 mg KOH/g, dan rendemen sebesar 80%. Kata Kunci : Minyak jelantah, transesterifikasi, biodiesel PENDAHULUAN Salah satu sumber bahan baku biodiesel yang prospektif adalah minyak jelantah, konsumsi minyak goreng di Indonesia tahun 2008 sekitar 5 juta kl per tahun, sehingga apabila penggunaan minyak goreng mencapai 80%, maka terdapat potensi minyak jelantah yang mencapai 1 juta kl. Jadi, setiap penggunaan minyak goreng sebanyak 80% maka dihasilkan minyak jelantah sebesar 20%. Sampai saat ini, minyak jelantah belum dimanfaatkan dengan baik dan hanya dibuang sebagai limbah rumah tangga ataupun industri. Meningkatnya produksi dan konsumsi nasional minyak goreng, akan berkorelasi dengan ketersediaan minyak jelantah yang semakin meningkat pula. Oleh karena itu, pemanfaatan minyak goreng bekas sebagai bahan baku biodiesel akan memberikan nilai tambah bagi minyak jelantah (Hambali, 2007). CaO saat ini adalah salah satu katalis heterogen yang banyak dan mudah digunakan karena merupakan bahan yang ramah lingkungan (Empikul, 2009). Secara 118

2 umum, CaO dapat diperoleh dari Ca(NO 3 ) 2 atau Ca(OH) 2, akan tetapi bahan-bahan tersebut relatif mahal. Beberapa alternatif sumber CaO antara lain dihasilkan dari beberapa zat kapur lain seperti cangkang bekicot, kulit telur dan tulang yang relatif murah karena merupakan sumber alami dari bahan sisa (Empikul, 2009). Penggunaan limbah sebagai bahan baku untuk sintesis katalisator bisa mengurangi limbah yang sudah tidak terpakai lagi dan secara serempak dapat mengurangi biaya untuk produksi katalisator yang biasanya relatif mahal. Berdasarkan penelitian dari Wei et al, ( 2009) dan Boey et al, (2009) mengungkapkan bahwa bahan sisa dari kulit telur dan siput berpotensi tinggi sebagai salah satu sumber CaO yang biayanya relatif murah apabila digunakan sebagai bahan baku untuk produksi katalisator biodiesel. Biodiesel merupakan salah satu sumber energi alternatif pengganti bahan bakar mesin diesel yang bersifat non-toxic, renewable, biodegradable, tidak mengemisikan karbon terhadap atmosfer serta mempunyai beberapa keunggulan dari segi lingkungan apabila dibandingkan dengan petroleum diesel. Baru-baru ini, biodiesel diproduksi melalui reaksi transesterifikasi minyak nabati seperti kacang kedelai dan minyak sawit. Minyak jelantah merupakan salah satu alternatif bahan baku pembuatan biodiesel yang lebih hemat dan murah (Lam et al, 2010). Metode yang paling umum digunakan untuk sintesis biodiesel adalah transesterifikasi minyak nabati dan lemak hewan dengan metanol atau etanol. Cara efektif untuk menurunkan biaya produksi biodiesel adalah menggunakan bahan baku minyak nabati murah dan tidak dimakan seperti lemak hewan dan minyak limbah. Namun bahan limbah biasanya berisi jumlah asam lemak bebas (FFA) yang signifikan, menimbulkan penipisan katalis, meningkatkan biaya pemurnian, dan hasil transesterifikasi alkali lebih rendah dikatalisis (Zhang, 2010). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memperoleh data ilmiah tentang pengaruh temperatur kalsinasi terhadap kemampuan cangkang bekicot (Achatina fulica) sebagai katalis heterogen dalam reaksi transesterifikasi konversi minyak jelantah menjadi biodiesel, pengaruh temperatur reaksi dan lama reaksi terhadap kemampuan cangkang bekicot (Achatina fulica) untuk reaksi transesterifikasi minyak jelantah menjadi biodiesel. METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Penelitian Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah peralatan gelas seperti labu takar, tabung reaksi, gelas pengaduk, pipet tetes, pipet gondok, erlenmeyer corong gelas; peralatan analisis seperti, Difraktometer sinar-x, peralatan penunjang seperti water bath, shaker, oven, magnetik stirer, saringan 1 mm, lemari pendingin, botol semprot, tempat bahan baku, stopwatch, furnace, dan neraca analitik. Adapun bahan-bahan yang digunakan adalah limbah cangkang bekicot yang diperoleh dari daerah Amuntai, Kalimantan Selatan; minyak jelantah yang diperoleh dari rumah makan-rumah makan di daerah Banjarbaru, Kalimantan Selatan; akuades, asam fosfat, KOH dan methanol. 119

3 Prosedur Kerja Preparasi dan Karakterisasi Katalis Kulit atau cangkang dibersihkan untuk menghilangkan protein dan zat-zat lain kemudian dicuci dengan air panas beberapa kali. Cangkang kemudian dikeringkan di oven C, selama semalam. Cangkang yang diperoleh kemudian digerus dan diayak sehingga lolos 120 mesh. Untuk memperoleh katalis CaO, cangkang dikalsinasi pada suhu 700, 800 dan C selama 4 jam. Katalis ini disimpan di desikator agar tidak bereaksi dengan udara. Katalis kemudian dikarakterisasi dengan termogravimetri/analisis diferensial termal (TG/DTA) di bawah kondisi aliran udara 10 0 C/min untuk menentukan transisi termal dari sampel. Fase kristalin dari sampel yang dikalsinasi dianalisis dengan X- Ray Difraction (XRD). Reaksi Transesterifikasi Kajian Pengaruh Temperatur Kalsinasi Cangkang Bekicot Reaksi transesterifikasi dilakukan dengan menggunakan labu leher tiga dilengkapi dengan pengaduk magnetik dan kondensor pada temperatur 60 0 C. Sebanyak 50 ml CPO dimasukkan ke dalam labu, kemudian ditambahkan katalis sebanyak 10% (b/b) untuk tiap-tiap katalis hasil kalsinasi (CaO 700, CaO 800 dan CaO 900 ) dengan rasio molar metanol:minyak 12:1. Waktu reaksi diatur selama 2 jam. Reaksi dihentikan dengan cara labu direndam pada air es dengan suhu 4 0 C kemudian disentrifugasi untuk memisahkan katalis. Setelah reaksi selesai, hasil reaksi disaring untuk memisahkan residu katalis. Filtrat dimasukkan ke dalam corong pisah kemudian dicuci dengan akuades sampai larutan pencuci menunjukkan ph 7. Selanjutnya biodiesel diuapkan pada temperatur C untuk menghilangkan kadar air. Pengaruh Berat Katalis Sebanyak 50 ml CPO dimasukkan ke dalam labu, kemudian berat katalis dibuat bervariasi yaitu 5,0; 10; 15; 20 % (b/b) dan rasio molar metanol:minyak 12:1 dari berat minyak. Waktu reaksi ditentukan berdasarkan waktu reaksi terbaik yang diperoleh sebelumnya dengan temperatur 60 0 C. Reaksi dihentikan dengan cara labu direndam dalam air es dengan suhu 4 0 C. Setelah reaksi selesai, hasil reaksi disentrifugasi untuk memisahkan residu katalis. Filtrat dimasukkan ke dalam corong pisah, kemudian dicuci dengan akuades sampai larutan pencuci menunjukkan ph 7. Selanjutnya biodiesel diuapkan pada temperatur C dan dilakukan uji kualitas yang meliputi penentuan rendemen metil ester, viskositas kinematik, densitas, dan bilangan asam. Pengaruh Waktu Reaksi Penentuan waktu reaksi transesterifikasi optimum dilakukan mengggunakan katalis terbaik yang dihasilkan sebelumnya. Sebanyak 50 ml CPO dimasukkan ke dalam labu, kemudian ditambahkan katalis sebanyak 10% (b/b) dan rasio molar metanol:minyak 12:1. Waktu reaksi dibuat bervariasi yaitu selama 30, 60, 90, dan 120 menit pada temperatur 60 0 C. Reaksi dihentikan dengan cara labu direndam 120

4 dalam air es dengan suhu 4 0 C. Setelah reaksi selesai, hasil reaksi disentrifuge untuk memisahkan residu katalis. Filtrat dimasukkan ke dalam corong pisah kemudian dicuci dengan akuades sampai larutan pencuci menunjukkan ph 7. Selanjutnya jumlah biodiesel diuapkan pada temperatur C. Kemudian dilakukan uji kualitas yang meliputi penentuan rendemen metil ester, viskositas kinematik, kadar air, densitas, dan bilangan asam. HASIL DAN PEMBAHASAN Preparasi dan Sintesis Katalis Preparasi Cangkang Bekicot Berdasarkan hasil analisis XRD dapat diketahui bahwa cangkang bekicot hampir 98% terdiri atas senyawa CaCO 3, seperti penelitian yang dilakukan oleh Setiawan (2008) yang menyatakan bahwa cangkang bekicot tersusun atas kalsium karbonat sebesar 98-99% sehingga cangkang bekicot berpotensi digunakan sebagai katalis basa heterogen pada reaksi transesterifikasi biodiesel dengan mengubahnya menjadi CaO. Temperatur yang digunakan dalam proses kalsinasi cangkang bekicot dibuat bervariasi yaitu 700, 800 dan C. Kalsinasi katalis pada temperatur C masih terdapat banyak senyawa CaCO 3, sedangkan senyawa CaO yang terbentuk masih sedikit yaitu pada daerah 2θ = 32,59 dan 37,42. Namun ketika temperatur dinaikkan menjadi C terjadi kenaikan puncak CaO pada daerah 2θ = 32,59 yang kemudian diikuti dengan penurunan intensitas ketika suhu kalsinasi C. Hal tersebut terjadi karena reaksi reversibel yang terjadi pada pembentukan CaO. Pembentukan CaO bisa berlangsung dari suhu C sampai dengan di atas C, namun pada katalis ini temperatur optimumnya berada pada C sehingga ketika dilakukan kalsinasi pada temperatur C intensitas CaO menjadi menurun. Hasil XRD tersebut mempunyai pola yang mirip dengan hasil XRD cangkang telur alami yang dilakukan oleh Wei et al (2009). Pada penelitian Wei et al (2009), katalis yang digunakan berasal dari limbah telur yang dikalsinasi pada temperatur C, namun temperatur optimum yang didapatkan berada pada suhu C dimana senyawa CaO yang dihasilkan mempunyai aktivitas katalis yang lebih baik. Berdasarkan hasil analisa XRD, katalis CaO 800 merupakan katalis yang mempunyai karakteristik terbaik sehingga baik digunakan dalam reaksi transesterifikasi biodiesel. Sintesis Katalis CaO Berdasarkan pola difraktogram yang terjadi, terdapat pergeseran puncak atau perubahan struktur pada cangkang bekicot sebelum kalsinasi maupun sesudahnya. Hal tersebut karena terbentuknya senyawa baru yaitu CaO. Pada cangkang bekicot sebelum kalsinasi, banyak terdapat senyawa CaCO 3 namun ketika dikalsinasi pada temperatur 700, 800, dan C terjadi pergeseran puncak dan intensitasnya. Ada senyawa CaO yang muncul di puncak baru, ada juga senyawa CaCO 3 yang hilang karena pengaruh variasi temperatur kalsinasi. Berdasarkan hasil XRD untuk cangkang bekicot preparasi dapat disimpulkan mengandung senyawa CaCO 3 dengan tiga puncak tertinggi berada pada daerah antara lain (2θ = 29,45 ; 39,42 ; 36,37 ) pada kalsinasi C. 121

5 Reaksi Transesterifikasi Reaksi transesterifikasi dilakukan dengan beberapa tahap, mula-mula dilakukan transesterifikasi terhadap pengaruh temperatur kalsinasi cangkang bekicot untuk menentukan katalis yang dipakai berdasarkan hasil kalsinasi terhadap cangkang bekicot. Tahap selanjutnya adalah reaksi transesterifikasi dengan pengaruh berat katalis untuk mengetahui seberapa besar jumlah katalis yang dibutuhkan agar reaksi dapat berjalan dengan efektif dan efisien, dan yang terakhir adalah transesterifikasi terhadap pengaruh waktu reaksi. Variasi waktu reaksi merupakan kelanjutan dari variasi berat katalis, dimana berat katalis yang konversi metil esternya lebih baik dikaji lagi sehingga didapatkan biodiesel dengan konversi yang paling baik. Rasio molar metanol dan temperatur yang digunakan pada penelitian ini dibuat tetap. Berdasarkan penelitian Empikul et al (2010) rasio mol metanol 12:1 dan temperatur 60 0 C merupakan kondisi terbaik pada reaksi transesterifikasi biodiesel menggunakan katalis heterogen. Penentuan Berat Katalis Berat katalis yang digunakan dalam reaksi transesterifikasi dibuat bervariasi yaitu 5,0; 10; 15; 20% (b/b). Katalis dapat mempercepat reaksi dengan cara menurunkan energi aktivasi sehingga laju pembentukan metil ester menjadi lebih cepat. Namun, peningkatan konsentrasi katalis tidak selalu meningkatkan konversi malah sebaliknya akan menambah biaya serta waktu karena perlunya pemisahan katalis dari produk. Oleh karena itulah variasi berat katalis diperlukan untuk mengetahui kondisi terbaik agar dihasilkan biodiesel dengan katalis yang efisien. Analisis Viskositas Kinematik Viskositas yang lebih rendah terdapat pada biodiesel dengan katalis sebesar 10% (b/b), karena ion metoksida yang dihasilkannya lebih banyak daripada 5% (b/b) sehingga terjadi peningkatan tumbukan pada molekul-molekul trigliserida dan menghasilkan konversi yang baik. Namun, ketika jumlah katalis ditambah lagi menjadi 15 dan 20% (b/b) maka viskositasnya juga semakin meningkat, hal tersebut karena pada kondisi 10% (b/b) itu sudah merupakan kondisi yang sesuai untuk pembentukan biodiesel sehingga kalau jumlah katalisnya diperbesar, akan meningkatkan pertemuan antar reaktan sehingga energi pengaktifannya juga menurun, maka berat katalis tidak berpengaruh lagi terhadap kualitas biodiesel yang didapat. Analisis Densitas Densitas yang terjadi pada variasi berat katalis berbanding lurus dengan viskositas, namun dibandingkan dengan standar densitas untuk biodiesel, maka yang paling mendekati standar adalah berat katalis 10% (b/b) yang nilainya 0,844 g/ml sedangkan yang lainnya tidak memenuhi batas standar biodiesel (0,85-0,89 g/ml) yaitu 0,839 g/ml (5%), 0,824 g/ml (15%) dan 0,817 g/ml (20%). Semakin banyak katalis yang ditambahkan maka densitas akan semakin menurun. Nilai densitas pada katalis 10% (b/b) mempunyai nilai yang lebih baik dibandingkan katalis lain sehingga penambahan katalis tidak akan berpengaruh lagi, malah akan semakin 122

6 meningkatkan densitas karena adanya molekul trigliserida yang bercampur dengan metil ester. Analisis Bilangan Asam Berdasarkan data yang didapatkan dapat dilihat bahwa bilangan asam untuk variasi berat katalis sudah sesuai dengan standar biodiesel untuk bilangan asam yaitu sebesar 0,80 mg-koh/g. Bilangan asam dengan berat katalis 5, 10, 15, dan 20% secara berturut-turut adalah 0,435; 0,217; 0,217; 0,217 mg-koh/g. Jika dibandingkan dengan bilangan biodiesel minyak sawit awal yaitu 0,41 mg-koh/g, dapat dilihat bahwa bilangan asamnya mengalami penurunan. Analisis Rendemen Secara keseluruhan dengan berat 10% (b/b) mempunyai hasil yang lebih baik dibandingkan dengan katalis dengan berat 5, 15, dan 20% (b/b) setelah dilakukan analisa kualitas biodiesel. Berat katalis merupakan salah satu faktor penentu dalam laju reaksi. Semakin banyak jumlah katalis yang ditambahkan maka semakin banyak molekul reaktan yang tersedia, dengan demikian kemungkinan terjadinya tumbukan juga akan semakin banyak sehingga kecepatan reaksi meningkat. Namun, apabila sudah tercapai kondisi yang optimum maka penambahan tidak akan memberi hasil yang signifikan. Penentuan Waktu Reaksi Waktu reaksi merupakan salah satu parameter penting yang berperan dalam reaksi transesterifikasi dimana semakin lama waktu reaksi, maka semakin banyak produk yang dihasilkan. Hal tersebut karena kesempatan reaktan untuk bertumbukan satu sama lain akan terjadi lebih lama. Namun jika kesetimbangan telah tercapai, tambahan waktu reaksi tidak akan mempengaruhi reaksi. Viskositas kinematik menjadi parameter utama untuk penentuan waktu reaksi, dimana semakin lama waktu reaksi maka viskositas kinematik yang dihasilkan akan semakin menurun. Analisis Viskositas Kinematik Reaksi transesterifikasi mengubah trigliserida menjadi metil ester yang memiliki ukuran molekul lebih kecil dan mengakibatkan viskositas juga semakin rendah. Semakin lama waktu reaksi, viskositas akan semakin menurun karena trigliserida yang berubah menjadi metil ester akan semakin banyak. Hal ini terbukti seperti pada Gambar 18 dimana pada waktu reaksi dari 30, 60, 90 dan 120 jam kurvanya semakin menurun yang menunjukkan nilai viskositasnya semakin menurun. Waktu reaksi 4 jam merupakan keadaan dimana viskositas yang diperoleh sebesar 4,92 mm 2 /s sedangkan viskositas untuk minyak minyak sawit sebesar 20,159 mm 2 /s. Berdasarkan data tersebut, dapat ditarik kesimpulan bahwa biodiesel yang dihasilkan memenuhi standar kualitas biodiesel atau sesuai dengan Standar Nasional Indonesia untuk biodiesel. Analisis Densitas Densitas dari biodiesel biasanya digunakan untuk mengkonversi dari berat menjadi volume ataupun sebaliknya dan dapat digunakan dalam penghitungan angka setana. Reaksi transesterifikasi dapat mempengaruhi densitas berat jenis metil ester. 123

7 Reaksi yang belum sempurna akan membuat sebagian trigliserida tidak terkonversi menjadi metil ester namun akan bercampur didalamnya. Hal itu dapat mengakibatkan kenaikan densitas karena trigliserida mempunyai ukuran molekul tiga kali lebih besar dibandingkan metil ester. Densitas berbanding lurus terhadap viskositas pada waktu reaksi dimana kurvanya semakin menurun. Hal ini disebabkan karena telah terjadi pemutusan gliserol dari trigliserida sehingga terbentuk senyawa dengan ukuran molekul yang lebih kecil. Pada waktu reaksi, hampir semuanya memenuhi standar densitas untuk biodiesel yaitu berkisar antara 0,85-0,89 g/ml kecuali densitas untuk waktu reaksi 1 jam dimana densitasnya sebesar 0,9017 g/ml. Analisis Bilangan Asam Bilangan asam untuk variasi waktu reaksi juga mengalami penurunan dibandingkan bilangan asam pada minyak sawit (0,41 mg-koh/g). Bilangan asam dengan waktu reaksi 30, 60, 90, dan 120 menit secara berturut-turut adalah 0,435; 0,217; 0,217; 0,217 mg-koh/g. Penurunan dapat terjadi karena adanya proses transesterifikasi. Selama proses transesterifikasi jumlah asam lemak bebas menjadi berkurang karena ternetralkan. Analisis Rendemen Rendemen paling tinggi adalah biodiesel dengan waktu reaksi 120 menit yaitu sebesar 90%. Rendemen tidak bisa dijadikan acuan untuk menentukan kualitas biodiesel karena ada kemungkinan sebagian minyak sawit belum terkonversi menjadi biodiesel namun masih terkandung dalam produk hasil reaksi. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Karakteristik berdasarkan analisis difraksi sinar-x dan uji aktivitas katalis menunjukkan temperatur C merupakan temperatur terbaik dalam pembentukan katalis CaO dari limbah cangkang bekicot (A. fulica). 2. Kondisi optimum reaksi transesterifikasi dengan berat katalis 10% dan waktu reaksi 60 menit serta suhu reaksi 60 0 C. Saran Perlu analisa lebih lanjut lagi tentang preparasi katalis CaO dari limbah cangkang seperti penggunaan asam encer untuk aktivasi cangkang sehingga bisa menghilangkan pengotor yang tidak diinginkan serta uji kualitas biodiesel yang lain seperti penentuan bilangan penyabunan, angka setana, titik kilat dan sebagainya. DAFTAR PUSTAKA Boey, P.L., G.P. Maniam, & S. Abd-Hamid Biodiesel Production via Transesterification of Palm Olein Using Waste Mud Crab (Scylla serrata) Shell as a Heterogeneous Catalyst. Bioresour. Technol. 100,

8 Empikul, N.V., P. Krasae, B. Puttasawat, B. Yoosuk, N. Chollacoop, & K. Faungnawakij Waste Shells of Mollusk and Egg as Biodiesel Production Catalysts. Bioresource Technology Hambali, E., S. Mujdalipah, A.H. Tambunan, A.W. Pattiwiri, & R. Hendroko Teknologi Bioenergi. PT. Agromedia Pustaka, Jakarta. Lam, M.K., K.T. Lee, & A.R. Mohamed Homogeneous, Heterogeneous and Enzymatic Catalysis for Transesterification of High Free Fatty Acid Oil (Waste Cooking Oil) to Biodiesel: A review. Biotechnology Advances Setyawan, D. & P. Handoko Aktivitas Katalis Cr/Zeolit dalam Reaksi Konversi Katalitik Fenol dan Metil Isobutil Keton. Jurnal Ilmu Dasar. Vol. 4.(2): hal Wei, Z., C. Xu, & B. Li Application of Waste Eggshell as Low-Cost Solid Catalyst for Biodiesel Production. Bioresour. Technol. 100, Zhang, J., S. Chen, R. Yang, & Y. Yan Biodiesel Production from Vegetable Oil Using Heterogenous Acid and Alkali Catalyst. Fuel. Vol 89. Issue 10. Pages