HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 84 HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian tentang perancangan proses pembuatan pelumas dasar dari minyak jarak pagar ini, didasarkan pada besarnya kebutuhan pelumas di dalam negeri, dan menurut data BPS tahun 2003 sampai dengan saat ini pemenuhan kebutuhan masih dilakukan dengan cara mengimport pelumas dasar, seperti terlihat pada Lampiran 2. Sintesis Proses Tahapan sintesis proses meliputi pemilihan bahan baku, pemilihan produk, dan pemilihan jalur proses modifiksdi. Selanjutnya dilakukan proses modifikasi berdasarkan jalur proses yang sudah dipilih. Pemilihan Bahan Baku Bahan baku pelumas dasar ditetapkan berdasarkan beberapa pertimbangan, yaitu karakteristik bahan baku (sifat fisik, kimia, rendemen) dan pemanfaatan. Bahan baku yang berpotensi untuk digunakan adalah minyak jarak pagar. Penggunaan minyak jarak pagar saat ini masih terbatas. Potensi Minyak Jarak Pagar sebagai bahan baku Pelumas. Minyak jarak pagar (Jatropha curcas oil) dipilih sebagai bahan pelumas dasar karena beberapa sifat fisik dan kimianya yang diperlukan pada pelumasan. Untuk mendapatkan minyak, sebelumnya biji jarak pagar dioven pada suhu 100 C selama 1 jam untuk mengurangi kadar air yang dapat mengakibatkan terhidrolisisnya minyak sehingga menaikkan bilangan asam. Minyak jarak pagar didapatkan dengan cara dipres tanpa panas. Pada tahap awal dilakukan penelitian pendahuluan untuk mengetahui rendemen biji jarak pagar dan data yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel 12 di bawah ini. Tabel 12 Data rendemen minyak jarak No Parameter 1 Rendemen dengan tempurung (%) Rendemen tanpa tempurung (%) Bilangan Asam (mg KOH/ 100 g minyak) Kadar air (%) 1.2

2 85 Pada Tabel 12 rendemen minyak tanpa tempurung menunjukkan hasil yang menyerupai kandungan minyak dalam biji jarak pada umumnya, yaitu sekitar 40% - 45% (Hambali et al. 2006). Hal yang menyebabkan berbedanya jumlah rendemen adalah dari sisi budidaya yaitu tempat tumbuh, iklim, waktu panen, musim, faktor lainnya adalah genetik dan proses ekstraksi minyak (pengepresan). Bilangan asam minyak juga bisa menunjukkan hasil yang berbeda-beda. Pengepresan dengan pemanasan akan menghasilkan rendemen minyak tinggi, tetapi bilangan asam juga tinggi. Faktor lain yang menyebabkan tingginya bilangan asam adalah kandungan air. Tingginya kandungan air dapat memperbesar kemungkinan terjadinya proses hidrolisis minyak dan dapat membentuk asam lemak bebas, sehingga bilangan asam menjadi tinggi. Perlakuan awal terhadap biji sebelum dipres mempengaruhi kandungan air dalam bahan. Tabel 13 Perbandingan sifat fisik beberapa minyak nabati dan mineral Minyak Viskositas 40 C cst Viskositas 100 C cst Indeks viskositas Titik tuang C Titik nyala C Minyak nabati Minyak jarak pagar Minyak jarak Minyak kelapa Minyak biji bunga matahari Minyak kanola Minyak kedelai Minyak kelapa sawit Minyak Mineral HVI HVI HVI-160S HVI-160B HVI HVI PAO POE Sumber Pendukung: La Puppung 1986 & Gawrilow 2003.

3 86 Sifat Fisik Minyak Jarak Pagar. Pada pengolahan minyak mineral dapat dihasilkan beberapa pelumas dasar dengan tingkat viskositas yang berbeda antara satu dengan lainnya. Pada Tabel 13 terlihat beberapa jenis pelumas dasar baik dari minyak nabati maupun dari minyak mineral dan dari satu jenis minyak mineral dapat diperoleh beberapa jenis pelumas dasar yang berbeda-beda tingkat viskositasnya. Sifat minyak jarak pagar diharapkan sama atau mendekati sifat-sifat pelumas dasar minyak mineral. Indeks viskositas. Minyak nabati termasuk minyak jarak pagar mempunyai indeks viskositas yang sangat tinggi dibandingkan dengan minyak mineral. Indeks viskositas merupakan ukuran perubahan viskositas relatif terhadap perubahan suhu antara 40ºC dan 100 C. Nilai indeks viskositas pelumas terbagi menjadi 3 golongan, yaitu : (1) indeks viskositas rendah atau Low Viscosity Index (LVI) adalah pelumas yang memiliki indeks viskositas lebih rendah dari 40, (2) indeks viskositas sedang atau Medium Viscosity Index (MVI) adalah pelumas yang memiliki indeks viskositas antara 40 sampai dengan 80; (3) indeks viskositas tinggi atau High Viscosity Index (HVI) adalah pelumas yang memiliki indeks viskositas lebih besar dari pada 80 (La Puppung 1986). Hasil pengujian indeks viskositas minyak jarak pagar sebesar 217, menunjukkan bahwa minyak jarak pagar termasuk minyak yang mempunyai indeks viskositas tinggi (HVI). Jika dibandingkan dengan indeks viskositas minimum beberapa pelumas dengan angka viskositas SAE rangkap seperti yang terdapat pada Lampiran 3, maka VI minyak jarak pagar lebih tinggi dari pada pelumas dengan SAE rangkap tersebut. Zat cair biasanya akan mengalami perubahan viskositas bila terjadi perubahan suhu, bila suhu naik viskositas akan turun. Pelumas yang baik adalah pelumas yang mempunyai indeks viskositas tinggi, artinya semakin kecil perubahan viskositas karena perubahan suhu. Jika indeks viskositas minyak jarak pagar dibandingkan dengan minyak nabati lain, maka indeks viskositas minyak jarak pagar setara dengan minyak kanola dan dibawah minyak kedelai. Apabila indeks viskositas minyak jarak pagar dibandingkan dengan pelumas dasar sintetis, dari Tabel 13 tampak bahwa indeks viskositas minyak jarak pagar lebih tinggi dari PAO dan hampir sama dengan POE.

4 87 Viskositas. Jika dibandingkan dengan pelumas dasar ex-arabian Light crude, maka berdasarkan Tabel 13, viskositas minyak jarak pagar pada 100º C sebesar 7.95 cst terletak antara HVI-95 dan HVI 160S. Jika dibandingkan dengan tingkat viskositas pelumas motor seperti terdapat pada Lampiran 4, maka viskositas minyak jarak pagar setingkat SAE 20. Berdasarkan Lampiran 5 tentang Klasifikasi pelumas industri menurut ISO (ASTM 2422), maka tingkat viskositas minyak jarak pagar setara dengan ISO VG 32 (La Puppung 1986). Nilai viskositas minyak jarak pagar ini, termasuk pada spesifikasi viskositas minyak mineral yang saat ini digunakan sebagai formulasi pelumas otomotif maupun industri. Gambar 33 di bawah ini menunjukkan viskositas dan indeks viskositas beberapa jenis pelumas dasar Viskositas PAO POE HVI CasO CurO ECO Pelumas Dasar viskositas 40 C Viskositas 100 C indeks viskositas Gambar 33 Viskositas dan indeks viskositas pelumas dasar. Flash Point (titik nyala). Flash Point atau titik nyala digunakan untuk mengetahui saat awal pelumas akan terbakar atau timbul nyala api saat berada dalam mesin. Hal ini akan mengakibatkan pemborosan pelumas dan akan membahayakan mesin. Pada Tabel 13 menunjukkan bahwa titik nyala minyak nabati lebih tinggi dibandingkan dengan mineral dan titik nyala minyak jarak pagar adalah sebesar 270º C, data ini menunjukkan bahwa

5 88 titik nyala minyak jarak pagar lebih besar dibandingkan dengan minyak mineral yang biasanya digunakan untuk formulasi pelumas (minimum 204º C) dan hampir sama dengan POE (pelumas dasar sintetis). Pour Point (titik tuang). Pour Point atau titik tuang menunjukkan suhu terendah dimana pelumas masih dapat mengalir, khususnya pada saat mesin akan dihidupkan. Titik tuang minyak jarak pagar lebih rendah dibandingkan dengan pelumas dasar mineral. Titik tuang minyak jarak pagar lebih tinggi dibandingkan dengan minyak nabati lain. Sebagian besar minyak nabati mempunyai titik tuang di bawah 0 C sedangkan minyak jarak pagar 0º C. Dibandingkan dengan pelumas dasar sintetis (PAO), titik tuang minyak jarak pagar berada di atasnya (La Puppung 1986 & Gawrilow 2003). Gambar 34 di bawah ini menunjukkan perbedaan titik nyala dan titik tuang beberapa jenis pelumas dasar, yaitu pelumas dasar sintetis (PAO, POE, dan minyak mineral) terhadap minyak jarak pagar. derajat C PAO POE HVI CurO ECO -50 Pelumas dasar Flash Point Pour Point Gambar 34 Titik nyala dan titik tuang pelumas dasar. Densitas. Densitas dan/atau spesific gravity merupakan berat persatuan volum. Tabel konversi yang meliputi densitas, spesific gravity, dan API gravity diberikan oleh American Petroleum Institute dan ASTM. Hubungan antara API gravity dan spesific gravity adalah berbanding terbalik, nilai API gravity yang tinggi akan memberikan

6 89 spesific gravity yang rendah. Pada pelumas dasar petroleum dan hidrokarbon, spesific gravity digunakan untuk membedakan antara parafinik, naftenik, dan struktur aromatik. API gravity minyak binatang atau tumbuhan mempunyai nilai lebih rendah dan spesific gravity lebih tinggi dibandingkan dengan petroleum. Seperti terlihat pada Gambar 35 terlihat bahwa densitas minyak tumbuhan lebih tinggi dibandingkan dengan petroleum kg/m POE HVI Castor Oil Curcas Oil ECO Pelumas Dasar Densitas Gambar 35 Densitas beberapa pelumas dasar. Sifat Kimia Minyak Jarak Pagar. Minyak nabati merupakan minyak yang berasal dari tumbuhan. Kandungan utama minyak nabati adalah ester gliseril dari asam lemak yang disebut trigliserida. Trigliserida merupakan ester dari satu molekul gliserol dengan tiga molekul asam lemak. Jenis asam lemak dalam trigliserida sangat mempengaruhi sifatsifat trigliserida yang dibentuknya. Pada umumnya asam lemak yang terdapat di alam, memiliki jumlah atom C genap dan masing-masing asam lemak dibedakan antara satu dan lainnya berdasarkan jumlah atom karbon dalam rantai, jumlah dan letak ikatan rangkap antara atom karbon. Asam lemak yang membentuk trigliserida ada 2 macam yaitu asam lemak jenuh (saturated) yang tidak mengandung ikatan rangkap dan asam lemak tidak jenuh (unsaturated) yang mengandung ikatan rangkap satu (monounsaturated) atau lebih dari satu ikatan rangkap (polyunsaturated) (Karina 2005). Derajat ketidakjenuhan rata-rata dari asam lemak atau campuran asam lemak dinyatakan

7 90 dengan bilangan iod. Asam lemak tidak jenuh kurang stabil bila dibandingkan dengan asam lemak jenuh. Beberapa keuntungan minyak nabati apabila digunakan sebagai pelumas dasar adalah: tidak bersifat toksik, terdegradasi, terbarukan, sifat lubrisitasnya baik, dan indeks viskositasnya tinggi. Beberapa kelemahan minyak nabati adalah ketidakstabilannya terhadap oksidasi, sifat pada suhu rendahnya jelek (Hwang & Erhan 2005). Oksidasi terjadi karena molekul-molekul pelumas bereaksi secara kimiawi dengan oksigen. Produk-produk oksidasi yang terbentuk akan mengentalkan pelumas. Pengaruh jelek terhadap pelumas yang mengalami oksidasi adalah naiknya viskositas dan menyebabkan bilangan asam naik, sehingga akan mengakibatkan karat dan keausan pada logam yang akhirnya akan menimbulkan endapan (deposit). Pada Tabel 14 terlihat kandungan asam lemak tidak jenuh beberapa minyak nabati dibandingkan dengan minyak jarak pagar. Tabel 14 Kandungan asam lemak tidak jenuh yang ada dalam beberapa minyak nabati. No Minyak nabati Asam lemak tidak jenuh Bilangan Iod 1 Minyak jarak pagar Asam Oleat, C 18 H 34 O 2 (C 18: 1 ) = (jatropha curcas ) % 2 Minyak jarak (castor oil) Asam Risinoleat, C 18 H 34 O 3 (C 18: 1) = 89.5 % Minyak kelapa Asam Laurat, C 12 H 24 O 2 (C 12: 0 ) = % 4 Minyak kelapa sawit Asam Oleat, C 18 H 34 O 2 (C 18: 1 ) = % 6 Minyak kedelai Asam linoleat & Asam linolenat C 18 H 32 O 2 (C 18:2 ) & C 18 H 30 O 2 (C 18:3 ) = 75 % Sumber Pendukung : La Puppung (1986) & Karina (2005) Minyak nabati dengan bilangan iod antara bisa digunakan sebagai fluida hidraulik. Fluida dengan bilangan iod di bawah 50 mempunyai titik tuang yang tinggi karena kekurangan ketidakjenuhan, dan minyak nabati dengan bilangan iod di atas 130,

8 91 cenderung tidak stabil karena mudah teroksidasi. Dari Tabel 13 dan Tabel 14 terlihat bahwa minyak jarak pagar dengan bilangan iod antara titik tuang-nya rendah. Asam lemak dalam minyak nabati bersifat polar dan cenderung lebih efektif melekat pada permukaan logam dibandingkan dengan minyak mineral. Minyak jarak pagar dapat digunakan sebagai pelumas dasar, tetapi karena adanya ikatan rangkap (ketidakjenuhan) maka menjadi tidak stabil. Pada Gambar 36 di bawah ini terlihat perbandingan bilangan asam beberapa pelumas dasar (minyak nabati, minyak mineral, dan pelumas dasar sintetis) mg KOH/100 g minyak POE HVI Castor Oil Curcas Oil Pelumas Dasar ECO Bilangan Asam Gambar 36 Bilangan asam beberapa pelumas dasar. Bilangan asam adalah ukuran dari jumlah asam lemak bebas, serta dihitung berdasarkan berat molekul dari asam lemak atau campuran asam lemak. Pada Gambar 36 terlihat bahwa bilangan asam minyak jarak pagar lebih besar dibandingkan dengan minyak jarak (castor), hal ini disebabkan terjadinya kenaikan bilangan asam karena proses hidrolisa atau oksidasi pada minyak terutama terhadap ikatan rangkapnya. Ikatan rangkap pada minyak nabati ditunjukkan dari bilangan iod-nya, terlihat pada Tabel 13 bilangan iod minyak jarak pagar lebih besar dari minyak jarak (castor). Semakin tinggi bilangan asam semakin besar kemungkinan terjadinya korosi. Pelumas dasar ester sintetis Polyolester (POE), yaitu ester (oleokimia) yang dibuat dari minyak nabati atau hewani dengan mono-, di-, atau poli-alkohol dari petroleum bersifat lebih stabil dibandingkan

9 92 dengan ester alam, hal ini terlihat dari nilai bilangan asam minyak jarak pagar yang lebih besar dibandingkan dengan POE. Pemeriksaan gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar memberikan spektrum yang dapat dilihat pada Gambar 37. Pada spektrum tersebut terlihat adanya pita serapan yang lebar di daerah bilangan gelombang υ = cm -1, yang menunjukkan adanya vibrasi ulur C-H dari gugus CH 2 dan -CH 3 serta 1 pita serapan kecil pada bilangan gelombang 3050 cm -1 untuk gugus tidak jenuh alkena CH=CH-. Pita serapan pada panjang gelombang 1720 cm -1 menunjukkan adanya gugus karbonil C=O dari esternya (Sudjadi 1983). Dari Uji Gas Chromatography terhadap minyak jarak pagar, seperti terdapat pada Gambar 38. terlihat bahwa kandungan tertinggi dalam minyak jarak pagar adalah asam oleat (47.93%) dengan 1 ikatan rangkap. Spektra sidik jari Minyak Jarak Pagar CH=CH -CH2 -CH3 C=O Gambar 37 Hasil uji gugus fungsi menggunakan FTIR minyak jarak pagar.

10 93 Hasil pengujian komposisi asam lemak menggunakan Gas-Chromatography dari Minyak Jarak Pagar dapat dilihat pada Gambar 38 di bawah ini. Gambar 38 Hasil uji komposisi asam lemak menggunakan GC dari minyak jarak pagar. Sifat minyak nabati yang dapat digunakan sebagai pelumas dasar mempunyai spesifikasi sebagai berikut (Gawrilow 2003 ): Viskositas, 40 C : Indeks viskositas, VI : > 200 Bilangan iod, g/ 100g : Bilangan penyabunan mg KOH/g : Densitas, kg/ m 3 : Titik tuang º C : - 20 Titik nyala C : 259 Dari Tabel 15 terlihat sifat fisik dan kimia minyak jarak pagar, memenuhi persyaratan sebagai pelumas dasar kecuali pada persyaratan bilangan penyabunan dan

11 94 titik tuang, hal ini disebabkan karena bilangan penyabunan menunjukkan jumlah minyak yang dapat tersabunkan, minyak dengan berat molekul tinggi akan mempunyai bilangan penyabunan yang lebih rendah dibandingkan dengan minyak dengan berat molekul yang lebih rendah. Titik tuang minyak jarak pagar di atas spesifikasi pelumas dasar, hal ini menunjukkan bahwa minyak jarak pagar tidak bisa digunakan di daerah dengan suhu dibawah 0 C. Tabel 15 Sifat fisik dan kimia minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar Sifat Nilai Densitas (kg/m 3 ) Titik nyala (º C) 270 Titik tuang (º C) 0 Viskositas 40º C (CSt) Viskositas 100º C (CSt) 7.95 Viskositas indeks 217 Indeks bias 25º C Bilangan penyabunan mg KOH/g 96.7 Bilangan Iod ( g /100 g) Berdasarkan pada sifat kimia dan fisik dan hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian komposisi asam lemak menggunakan GC, maka modifikasi terhadap minyak jarak pagar perlu dilakukan untuk memperbaiki sifat fisik dan kimia minyak jarak pagar. Beberapa contoh modifikasi yang dapat dilakukan adalah interesterifikasi dengan minyak nabati berpotensi yang lain, pencampuran dengan ester sintetis untuk meningkatkan sifat pada suhu rendah, transesterifikasi dengan beberapa poliol, atau modifikasi dengan mengurangi ketidakjenuhan, sehingga minyak menjadi lebih stabil. Dari uraian sifat fisik dan kimia di atas, maka dapat disimpulkan bahwa minyak jarak pagar mempunyai potensi sebagai pelumas dasar, tetapi ada beberapa modifikasi yang perlu dilakukan untuk meningkatkan kestabilannya.

12 95 Pemilihan Produk Berdasarkan KEPUTUSAN PRESIDEN RI, NOMOR 21 TAHUN 2001 TANGGAL 14 FEBRUARI 2001 TENTANG PENYEDIAAN DAN PELAYANAN PELUMAS BAB I Pasal 1, dinyatakan bahwa Penyediaan dan Pelayanan Pelumas adalah kegiatan untuk menghasilkan pelumas dengan cara Pabrikasi Pelumas (Blending), Pengolahan pelumas bekas, impor pelumas dan pemasarannya. Ketentuan tentang impor pelumas diatur dalam KEPUTUSAN BERSAMA MENTERI ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL, MENTERI KEUANGAN DAN MENTERI PERINDUSTRIAN DAN PERDAGANGAN REPUBLIK INDONESIA, NO : 1905 K/34/MEM/2001, NO : 426/KMK.01/2001, NO: 233/MPP/Kep/7/2001 tentang KETENTUAN IMPOR PELUMAS, Pasal 1, dinyatakan bahwa : Bahan baku pelumas berupa pelumas dasar sebagaimana dimaksud dalam Pasal 6 ayat (2) Keputusan Presiden Nomor 21 Tahun 2001, hanya dapat diimpor oleh perusahaan yang telah mendapat persetujuan sebagai Importir Produsen (IP) dan semata-mata untuk kepentingan produksinya. Lampiran 6 menunjukkan kebutuhan pelumas Indonesia berdasarkan kelompok industri untuk data BPS tahun Kebutuhan pelumas untuk keperluan industri di Indonesia sangat besar, salah satu industri pengguna adalah industri kendaraan bermotor dan data pemakaian pelumas menunjukkan sebesar 2.8% dari total pemakaian pelumas pada berbagai industri. Secara umum pelumas dasar jenis minyak pelumas sintetis dapat dikelompokkan dalam dua kelas, yaitu ester organik dan hidrokarbon yang diolah secara sintetis, baik yang berasal dari petrokimia maupun oleokimia. Beberapa pelumas dasar sintetis adalah polialfaolefin (PAO), ester sintetis, dan polialkilenglikol (PAG). Beberapa kelompok ester sintetis adalah: monoester, diester, ester-phtalat, poliolester (POE), dan ester kompleks. PAG adalah polimer yang berasal dari petrokimia hasil reaksi etilen oksida dan propilen oksida (Askew 2004). Ester merupakan salah satu jenis minyak sintetis yang sangat luas pemakaiannya, misalnya gemuk, minyak roda gigi, minyak kompresor, dan sebagai minyak mesin hidraulik yang tahan terbakar dan ramah lingkungan. Ester yang saat ini banyak digunakan sebagai pelumas dapat digolongkan menjadi 3 (tiga) kelompok : ester dari petrokimia, minyak atau lemak alami, dan ester dari oleokimia. Jenis ester dari oleokimia merupakan ester yang paling baik dari ketiga kelompok ester, biasanya merupakan suatu produk hasil reaksi dari alkohol petrokimia dengan satu atau lebih

13 96 oleokimia yang diturunkan dari asam lemak. Formula oleokimia ini memberikan kombinasi yang baik antara sangat terbarukan dan kinerja teknis tinggi, sehingga dalam penggunaannya dapat menguntungkan bagi lingkungan, komunitas pertanian dan konsumen. Sifat terbarukan ester oleokimia ini sebesar 70% - 95% (Eastwood 2005). Banyak minyak nabati yang digunakan di dalam aplikasi pelumas, misalnya sebagai aditif minyak sintetis, minyak mesin transmisi, minyak motor 2 tak, minyak hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati Amerika Serikat untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram pertahun. Konsumsi ini merupakan 9% dari total penggunaan minyak nabati untuk industri (USDA-ERS dalam Johnson 1990). Pasar ini mengkonsumsi 9.66 milyar liter minyak mineral dimurnikan pertahun untuk kebutuhan pelumas. Kira-kira 3.9 milyar liter digunakan untuk minyak motor 4 tak (Johnson 1990). Total kebutuhan pelumas di Jerman kira-kira 1 juta ton per tahun (1998), segmen pasar terbesar adalah minyak mesin dan minyak roda gigi otomotif yaitu sebesar ton per tahun, dan selanjutnya kebutuhan yang lain adalah untuk mesin hidraulik dan mesin industri. Pemakaian pelumas industri di Indonesia adalah (ribu liter) pada tahun 2003, komsumsi untuk industri kendaraan bermotor sebesar 1.18% dari total kebutuhan dan industri alat angkutan selain kendaraan bermotor roda empat atau lebih sebesar 1.39% dari total kebutuhan (BPS). Berdasarkan beberapa pertimbangan di atas maka dibuat pelumas dasar yang mendekati sifat POE untuk aplikasi pada kendaraan bermotor. Adapun pertimbangan pemilihan produk ini adalah adanya data jumlah kebutuhan dalam negeri dan dunia, sifat ketahanan termal-oksidasi, terbarukan, dan sifat fisik-kimianya. Pemilihan Proses Tahapan sintesis proses yang dikemukakan meliputi : pemilihan jalur reaksi atau proses, alokasi bahan atau pereaksi, pertimbangan teknik pemisahan atau proses hilir, pemilihan operasi pemisahan, pemaduan atau integrasi rancangan 1 sampai 4. Metoda yang dapat digunakan dalam sintesis proses ini adalah metoda kualitatif dengan menggunakan aturan heuristik (berdasarkan pada pengalaman dan kaidah umum). Sintesis proses ini meliputi metoda perubahan kimia maupun fisik.

14 97 Aturan Heuristik. Pemilihan proses dan alat proses dilakukan secara heuristik. Aturan heuristik adalah teori dan penyelesaian yang dapat dipercaya tetapi tidak sempurna, merupakan rule of thumb, bersifat spekulasi, sebagai pendekatan dalam mengambil keputusan. Aturan heuristik untuk mensintesis proses dikelompokkan menjadi 5 (lima), yaitu aturan heuristik untuk persiapan dan modifikasi, menentukan struktur sistem, memilih sistem dan parameternya, memodifikasi sistem dan evaluasi sistem (Hartmann & Kaplick 1990). Heuristik untuk sintesis proses (Seider & Seader 1999) meliputi pemilihan: reaksi kimia untuk mengeliminasi perbedaan jenis-jenis molekul, pencampuran dan daur ulang untuk mendistribusikan bahan kimia, pemisahan untuk mengeliminasi perbedaan komposisi, suhu, tekanan dan perubahan fase, integrasi proses untuk mengkombinasikan tugas tugas satuan proses. Aturan heuristik untuk sintesis sistem proses adalah mengurangi kuantitas aliran proses agar buangan tidak banyak, kurangi bahan tambahan, mengurangi kuantitas bahan kimia, kurangi pencampuran, usahakan adanya integrasi proses, pilih kondisi operasi yang memungkinkan. Heuristik untuk Sintesis Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar. Beberapa proses untuk meningkatkan stabilitas minyak nabati yang akan digunakan sebagai pelumas dasar 1 melakukan modifikasi minyak menjadi epoksi minyak dan menjadi alkohol polihidrat dengan katalis asam (Hwang 2003) 2 transesterifikasi trimetilolpropan dan metil ester (Adhvaryu 2002) 3 epoksidasi minyak nabati, reaksi pembukaan cincin, dan dilanjutkan dengan asetilasi produk pembukaan cincin oksiran (Hwang & Erhan 2005) 4 minyak nabati dengan bilangan hidroksil tinggi dan bilangan iod rendah didehidrasi partial untuk meningkatkan jumlah ikatan rangkap C sehingga bersifat sebagai minyak non pengering dan berfungsi sebagai minyak pelumas (Widianingsih 2003) 5 modifikasi minyak nabati dengan beberapa tahapan proses: reaksi transesterifikasi menghasilkan metil ester, epoksidasi, dan reaksi pembukaan cincin ((Karina 2005) Heuristik: Bahan Baku, Reaksi Kimia, Pemisahan produk dan Katalis Ada beberapa alternatif untuk memodifikasi minyak jarak pagar menjadi produk yang lebih stabil sebagai pelumas dasar. Informasi yang dibutuhkan adalah: studi

15 98 pustaka, data sifat fisik dan kimia. Alur proses yang dipilih adalah alur yang membutuhkan biaya serendah mungkin, mudah dioperasikan, proses singkat, dan mencegah atau mengurangi penggunaan bahan bersifat racun atau berbahaya. Beberapa jalur reaksi yang penting adalah: 1 epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (alkoholisis), menggunakan butanol, iso-amil alkohol, 2-etil heksanol-esterifikasi (asam asetat anhidrat), katalis: resin penukar ion (Lathi & Mattiasson 2006). 2 epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (Guerbet alcohol)-transesterifikasi / asetilasi (asetat anhidrat, piridin), katalis: asam sulfat (Hwang & Erhan 2006). 3 esterifikasi / metanolisis epoksidasi hidrolisis, katalis: asam sulfat Mulyana, 2003). 4 esterifikasi - transesterifikasi (trimetilolpropan), katalis: sodium metoksida (Yunus & Razi 2003). Perbandingan pereaksi dan katalis untuk proses-proses di atas disajikan pada Tabel 16. Tabel 16 Pereaksi yang digunakan dalam proses modifikasi minyak jarak pagar Alur Tahapan Proses Bahan Kimia Harga Rp Berat Molekul 1 Epoksidasi Asam Asetat, Peroksida, H 2 SO Alkoholisis Butanol Esterifikasi AsetatAnhidrat Formula Kimia C 2 H 5 CH 2 CH 2 OH (CH 2 CO) 2 O Katalis Bentonit (Al 4 )(Si 8 )O 20 (OH) 3 2 Epoksidasi Asam Asetat, Peroksida H 2 SO Alkoholisis Alkohol Guerbet C-12, C-14, C-18 Transesterifikasi/aseti lasi Asetat anhidrat, Piridin (CH 2 CO) 2 O CH<(CHCH) 2 >N Katalis H 2 SO H 2 SO 4 3 Esterifikasi Metanol CH 3 OH Epoksidasi Asam Asetat, Peroksida, H 2 SO , , , 34 98

16 99 Tabel 16 (lanjutan) Alur Tahapan Proses Bahan Kimia Harga Rp Berat Molekul Formula Kimia Hidrolisis Aquades H 2 O Katalis Asam Sulfat H 2 SO 4 4 Esterifikasi Metanol CH 3 OH Transesterifikasi Trimetilol Propan US /lb Uraian masing-masing proses adalah sebagai berikut : 1 epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (alkoholisis) katalis padat esterifikasi katalis padat. Reaksi kimia setiap tahapan proses pada jalur proses ini dapat dilihat pada Gambar 39 di bawah ini.

17 100 Gambar 39 Modifikasi minyak jarak pagar dengan jalur: epoksidasi (1), pembukaan cincin oksiran (hidroksilasi) (2), esterifikasi (3) (Lathi & Mattiasson 2006). Proses produksi pelumas dasar dari epoksi minyak nabati akan menghasilkan minyak yang bersifat terdegradasi dengan titik tuang terendah dilakukan dengan katalis padat. Pada proses ini, terjadi 2 tahap reaksi yaitu alkoholisis dilanjutkan dengan esterifikasi terhadap gugus hidroksil hasil reaksi tahap satu. Reaksi pembukaan cincin dilakukan dengan menggunakan beberapa alkohol, seperti metanol dan n-butanol. Penggunaan

18 101 katalis asam padat seperti bentonit menguntungkan karena dapat diambil kembali, didaur ulang, dan dapat digunakan kembali. Sisa alkohol dapat dipisahkan untuk digunakan kembali. Pada tahap esterifikasi digunakan asam asetat anhidrat dengan katalis bentonit agar kandungan air rendah, reaksi cepat karena asam asetat anhidrat sangat reaktif. Pemilihan katalis padat dilakukan untuk memudahkan proses pemisahan. Pengambilan kembali dan integrasi proses mengakibatkan buangan dapat dikurangi, bahan tambahan dan kuantitas bahan kimia dapat dikurangi. 2 epoksidasi - pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet) transesterifikasi / asetilasi (asetat anhidrat, piridin), katalis: asam sulfat. Modifikasi minyak nabati ini mengikuti modifikasi minyak kedelai dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Alkohol Guerbet) transesterifikasi / asetilasi yang dilakukan oleh Hwang &Erhan (2006). Perubahan struktur kimia dapat dilihat pada Gambar 40.

19 102 CH 3 (CH 2 ) 4 (CH 2 ) O O O O CH 3 (CH 2 ) 7 (CH 2 ) O O O CH 3 (CH 2 ) 4 (CH 2 ) O O O Reaksi Pembukaan Cincin Oksiran ROH, kat H 2 SO 4 O CH 3 (CH 2 ) 4 (CH 2 ) O RO O CH 3 (CH 2 ) 7 HO OR (CH 2 ) O O RO OH O CH 3 (CH 2 ) 4 (CH 2 ) O R OH HO OR Reaksi Transesterifikasi O CH 3 (CH 2 ) 4 (CH 2 ) O OR RO OH HO OR + O CH 3 (CH 2 ) 7 (CH 2 ) O OR CH 3 (CH 2 ) 4 RO OH + O (CH 2 ) 7 O OR RO OH HO OR O Gambar 40 Modifikasi minyak jarak pagar dengan jalur epoksidasi-pembukaan cincin oksiran (Hwang & Erhan 2006).

20 103 Jalur proses ini hampir sama dengan jalur proses 1, perbedaannya terdapat pada jenis alkohol dan katalis yang digunakan. Sedangkan pada tahapan transesterifikasi selain digunakan asetat anhidrat juga digunakan piridin. Pada pembukaan cincin oksiran digunakan Guerbet Alcohol terdiri dari C 12 -, C 14 -, C 16 -, dan C 18 -, harga lebih mahal dari alkohol dengan rantai C lebih pendek, waktu reaksi lebih panjang, suhu proses lebih tinggi dibandingkan reaksi dengan rantai C yang lebih pendek. Penggunaan katalis cair akan memberikan kemungkinan terjadinya korosi yang lebih besar dan pemisahannya lebih sulit dibandingkan dengan katalis padat. 3 metanolisis epoksidasi hidrolisis - esterifikasi, katalis : asam sulfat (Mulyana, 2003) O ll R C = C C OH + CH 3 OH O ll R C = C C O CH 3 + H 2 O Asam oleat Metanol Metil ester Gambar 41 Reaksi esterifikasi terhadap asam oleat. O O ll O ll R C = C C O CH 3 + O 2 R C - C C O CH 3 Metil ester Perasetat Epoksi metil ester Gambar 42 Reaksi epoksidasi terhadap metil ester O O O O O ll l l ll R C - C C O CH 3 + H 2 O R C - C C O CH 3 Epoksi metil ester Poliol metil ester Gambar 43 Reaksi Hidrolisis terhadap epoksi metil ester

21 104 O O O O l l ll ll R C - C C O CH 3 R C - C C O CH 3 l l Poliol metil ester O O l l O = C C=O l l C C l l R R Gambar 44 Reaksi esterifikasi / asetilasi. Pada jalur ini harus disiapkan bahan baku minyak nabati yang sudah dalam bentuk asam lemak, yaitu asam oleat sehingga membutuhkan pengolahan dari trigliserida menjadi asam lemaknya, jalur proses lebih panjang. Katalis yang digunakan adalah cair H 2 SO 4 pekat, korosifitas tinggi dan proses pemisahannya sulit. 4 esterifikasi - transesterifikasi (trimetilolpropan), katalis: sodium metoksida (Yunus & Razi 2003). O CH 2 OH CH 2 - O C-R O CH 3 CH 2 C-CH 2 OH + 3RCOOCH 3 CH 3 CH 2 C-CH 2 -O-C-R + 3CH 3 OH O CH 2 OH CH 2 - O C-R TMP ME Triester Metanol Gambar 45 Reaksi transesterifikasi metil ester minyak nabati menggunakan TMP.

22 105 Penggunaan minyak nabati untuk dibuat menjadi metil ester menghasilkan biodegradabilitas tinggi dan terbarukan, tetapi penggunaan pereaksi TMP yang berasal dari petroleum menjadi tidak lebih baik dibandingkan dengan pereaksi yang lain. Kondisi operasi adalah pada 130º C dan tekanan 20 mbar (vakum), merupakan kondisi operasi yang lebih sulit dibandingkan dengan kondisi atmosferis. Pertimbangan pemilihan proses : 1. Bahan baku Sebagai salah satu pertimbangan dalam pemilihan proses adalah jenis bahan baku, pada proses 1 digunakan pereaksi metanol sehingga suhu proses tidak perlu terlalu tinggi dan digunakan pereaksi anhidrat untuk tahap asetilasi, diharapkan kadar air pada produk menjadi rendah. Pada proses 2 disamping menggunakan asam asetat anhidrat masih digunakan piridin sehingga biaya menjadi lebih tinggi. Pada proses 4 penggunaan pereaksi TMP yang berasal dari petroleum tidak lebih baik dibandingkan dengan menggunakan minyak nabati. 2. Katalis Pada proses 1 digunakan katalis padat. Resin kation penukar ion seperti Dowex, Duolit, dan Lewatit digunakan sebagai katalis dalam pembukaan cincin oksiran pada epoksi minyak. Katalis organik ini mempunyai efisiensi yang lebih rendah dibandingkan dengan asam sulfat. Hal ini mungkin disebabkan karena gel berpori mikro, ion-ion terlarut mendifusi melalui partikel berinteraksi dengan bagian aktif yang berfungsi menukar ion sehingga mengakibatkan rendahnya difusi dan efisiensi akan turun. Penggunaan katalis homogen sangat umum dalam industri kimia dan pemurnian, teknologi ini sangat korosif, berbahaya, dan menimbulkan polusi. Penggunaan resin kation penukar ion karena variasi makroporousnya, sifat berubah-ubahnya katalis, dan kemampuannya dalam mempercepat beberapa reaksi, misalnya esterifikasi, eterifikasi, transalkilasi, hidrasi, dan alkilasi (Lathi & Mathison 2006). Dalam modifikasi minyak jarak pagar digunakan katalis padat yang sesuai untuk reaksi hidroksilasi dan asetilasi. Keuntungan penggunaan katalis padat adalah sifat

23 106 korosifitasnya rendah, kemampuan diambil kembali dan selektifitas tinggi. Poliol dapat dibuat dengan menggunakan katalis asam, seperti asam asam mineral dan asam organik. Katalis cair dapat digantikan dengan katalis asam padat yang mempunyai kemampuan tukar ion, seperti lempung disamping beberapa katalis yang telah disebutkan di atas. Selanjutnya reaksi asetilasi poliol dengan menggunakan asam asetat anhidrat dapat dilakukan dengan menggunakan katalis resin kation. Katalis yang dipilih adalah bentonit karena mempunyai daya tukar kation yang besar dibandingkan tanah liat biasa dan mengandung sejumlah kecil pengotor mineral, bentonit ini potensial untuk digunakan sebagai katalis, disamping ketersediaannya di Indonesia cukup melimpah. 3. Waktu proses Proses 1 membutuhkan waktu proses singkat karena sifat anhidrat yang sangat reaktif, sedangkan untuk proses 3 harus disiapkan bahan baku minyak nabati yang sudah dalam bentuk asam lemak, yaitu asam oleat sehingga membutuhkan pengolahan dari trigliserida menjadi asam lemaknya, jalur proses lebih panjang, waktu proses menjadi lebih lama Berdasarkan pertimbangan-pertimbangan di atas, yaitu memilih jalur proses yang membutuhkan biaya serendah mungkin, mudah dioperasikan, proses singkat, dan mencegah atau mengurangi penggunaan bahan bersifat korosif, maka pada penelitian ini, dilakukan sintesis jalur proses 1, yaitu epoksidasi-hidroksilasi asetilasi.

24 Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar 107

25 107 Proses Modifikasi Minyak Jarak Pagar Proses Epoksidasi Penelitian Pendahuluan untuk menentukan kisaran kondisi operasi Epoksidasi. Pada penelitian pendahuluan dilakukan percobaan untuk menentukan kisaran kondisi operasi terbaik untuk produksi epoksi minyak jarak pagar, dengan menggunakan peubah respon adalah bilangan oksiran seperti terlihat pada Lampiran 7. Dengan menggunakan metoda regresi non linier didapatkan model hubungan antara bilangan oksiran (y) dengan peubah nisbah mol pereaksi (x 1 ), konsentrasi katalis (x 2 ), dan suhu (x 3 ). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa nilai bilangan oksiran epoksi minyak jarak pagar dipengaruhi oleh konsentrasi katalis (% (w/w)) dan suhu proses (Lampiran 8). Hal ini diperkirakan bahwa semakin tinggi suhu (>60º C) dan konsentrasi katalis (>0.5%) akan semakin besar jumlah tumbukan antar molekul dan semakin banyak reaksi yang terjadi, sehingga akan membentuk epoksi, yang dinyatakan dengan bilangan oksiran. Grafik permukaan pengaruh ketiga peubah terhadap perolehan epoksi terlihat pada Gambar 46, 47 dan Konsentrasi Katalis (%) Nisbah Pereaksi (mol) Gambar 46 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x 1 ) dan konsentrasi katalis (%) (x 2 )

26 Suhu ( 0 C) Nisbah Pereaksi (mol) Gambar 47 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari nisbah mol pereaksi (x 1 ) dan dan suhu (x 3 ) Suhu ( 0 C) Konsentrasi Katalis (%) Gambar 48 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran epoksi sebagai fungsi dari konsentrasi katalis, % (x 2 ) dan suhu (x 3 ) Hasil analisis kanonik menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (maksimum) adalah 5.1% yang terjadi pada suhu reaksi 70 C, katalis asam sulfat pekat 1% w/w, dan nisbah mol pereaksi 1 : 5.9.

27 109 Perpindahan massa katalis H 2 SO 4 dalam pereaksi H 2 O 2. Tahapan penelitian ini bisa digunakan untuk menentukan waktu pencampuran. Data percobaan yang digunakan adalah perubahan ph karena pencampuran antara katalis H 2 SO 4 dalam H 2 O 2, seperti dapat dilihat pada Tabel 17 di bawah ini. Tabel 17 Perpindahan massa katalis H 2 SO 4 dalam H 2 O 2 t (menit) ph (H) (H)1-(H) Perhitungan [H + ] dan dna dapat dilihat pada Lampiran 9 (L9.1). Dari data percobaan diketahui dengan bertambahnya waktu, maka semakin besar pengurangan [H + ] dari H 2 O 2, karena terserap/teradsorb dalam H 2 SO 4 pekat. Hasil analisis ragam pada Lampiran 9 (L9.2) mengenai pengaruh waktu pada pencampuran antara katalis H 2 SO 4 dalam H 2 O 2 adalah: uji F untuk waktu pencampuran F hitung = berarti H 0 ditolak (peubah waktu pencampuran memberikan pengaruh yang berbeda nyata) dan p-value adalah , artinya ada perbedaan cukup signifikan antar taraf pada faktor waktu pencampuran terhadap dn A dan koefisien determinasi (R 2 ) %. Model kinetika reaksi epoksidasi. Pada tahapan ini dilakukan penentuan persamaan laju reaksi epoksidasi ( ra) dan nilai nilai tetapan laju reaksi (k), faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), serta konversi reaksi (x). Data data yang dibutuhkan adalah data perubahan bilangan oksiran, fungsi waktu dan suhu pada kondisi operasi terbaik. Data bilangan oksiran hasil epoksidasi dalam bentuk konversi disajikan pada Tabel 18, perhitungannya terdapat pada Lampiran 9 (L9.4.2).

28 110 Tabel 18 Data konversi (%) minyak jarak pagar menjadi epoksi Waktu, menit Konversi 65 C 70 C 75 C Pada data konversi pembentukan epoksi (Tabel 18) terlihat bahwa pembentukan epoksi sampai dengan waktu tertentu naik, selanjutnya turun. Hal ini disebabkan seiring dengan bertambahnya waktu reaksi, maka kesempatan molekul-molekul zat pereaksi untuk saling bertumbukan semakin luas, sehingga diperoleh konversi minyak nabati yang akan semakin besar. Selanjutnya mengalami penurunan bilangan oksiran, hal ini disebabkan karena epoksidasi merupakan reaksi bolak balik yang berpotensial untuk diikuti reaksi samping, sehingga epoksidasi sebaiknya dilakukan sesingkat mungkin (Kirk dan Othmer 1982). Dari perhitungan pada Lampiran 9 (L9.3) diketahui bahwa persamaan laju reaksi epoksidasi adalah : ( C /( C C ) } k' t ln 0 B 0 B E = atau ( ln ( 1 )) = k' t.. i) X E Dengan menggunakan perhitungan yang terdapat pada Lampiran 9 (L.9.4 dan L.9.5) didapatkan kurva hubungan -ln (1-X E ) vs t seperti terdapat pada Gambar 49.

29 ln(1/(1-xa)) t, menit 75C 70C 65C Gambar 49 Hubungan ln (1-X A ) vs t Gambar 49 menunjukkan hubungan epoksidasi minyak jarak pagar secara in situ pada suhu yang berbeda-beda, dengan menggunakan data dari waktu reaksi 15 menit sampai dengan 45 menit. Dari persamaan (i) dan Gambar 49 terlihat kurva merupakan garis lurus. Tetapan laju reaksi diambil dari slope persamaan garis, nilainya adalah k. Nilai tetapan laju reaksi epoksidasi dapat dilihat pada Tabel 19. Tabel 19 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) epoksidasi dengan menggunakan kurva lurus T, C k=ml/mol menit k=l/mol detik k.10 6 l/mol detik Nilai tetapan laju reaksi (k) mendekati nilai k hasil percobaan epoksidasi minyak kedelai, kelapa sawit, dan minyak mahua yaitu dengan perkalian 10-6 (l/mol detik) (Okieimen et al. 2002). Model kinetika reaksi epoksidasi berdasarkan perhitungan pada persamaan 8) Lampiran 9 (L9.3). r CE dc = dt E = k( C 0 CE ) B

30 112 Perbandingan mol ikatan rangkap : H 2 O 2 = 1 : 2.4 Keterangan : C E, C B0 : konsentrasi epoksi, konsentrasi H 2 O 2 k : tetapan laju reaksi Persamaan laju reaksi ini merupakan persamaan linier dengan nilai tetapan laju reaksi didapatkan dari slope garis tersebut. Nilai k dapat didefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu : k = Ae E / RT Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A E / RT Dari perhitungan dengan menggunakan data yang diperoleh di dapatkan nilai E dan nilai A sebagai berikut : E = kkal / mol A = x ml/mol menit = 4.32 x 10 7 l/mol detik Energi aktivasi adalah energi yang dibutuhkan atau dilepaskan untuk terjadinya reaksi pembentukan produk, adapun energi aktivasi epoksidasi minyak jarak pagar adalah sebesar kkal/mol. Hasil ini bisa dibandingkan dengan nilai energi aktivasi lain pada percobaan dengan minyak nabati yang berbeda, yaitu sebesar 15.1 and 18.3 kkal / mol (Goud et al. 2006). Nilai A merupakan faktor frekuensi tumbukan, yaitu frekuensi terjadinya tumbukan antar molekul, hal ini sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi, jumlah molekul, dan jumlah katalis. Dari perhitungan di atas persamaan tetapan laju reaksi dan laju reaksi epoksidasi minyak jarak pagar adalah : k = e 7 ( / RT ) 7 ( / RT ) re = e ( CB0 C l / mol det ik E ) Harga Entalpi reaksi (ΔH R ) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel 1972). Δ H = E ( 1 Δn) RT

31 113 Hasil perhitungan adalah : ΔH = kkal / mol Perhitungan waktu curah ideal pada proses epoksidasi minyak jarak pagar. Neraca Massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal Laju masukan Laju keluaran Laju reaksi = Laju akumulasi V. re = d ( C E ) dt Volume (V) tetap, sehingga dc dt E V r = ( re ) V r Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi epoksi sebesar C E pada kondisi isotermal adalah : t dc ( r = CE E Ce0 E ) Perhitungan dapat dilihat pada persamaan 12) Lampiran 9 (L9.3). t ( 1 ) ln( CB 0 /( CB CE ) } = 0 k ' Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor epoksidasi, maka dihitung harga t pada kondisi isotermal 70 C. Contoh perhitungan pada waktu 45 menit, C B0 = mol; C E = mol; k = ml/ mol menit. Dengan menggunakan persamaan 12), dibutuhkan waktu = menit.

32 114 Proses Hidroksilasi Pemilihan jenis dan jumlah katalis padat. Percobaan pengaruh katalis pada penurunan bilangan oksiran reaksi hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan metanol, dilakukan untuk mengetahui jenis katalis padat dan % berat katalis yang akan digunakan di dalam proses. Pengaruh jenis katalis terhadap bilangan oksiran dapat dilihat pada Tabel 20. Tabel 20 Pengaruh penambahan katalis terhadap penurunan bilangan oksiran, waktu reaksi 2 jam, suhu 50 C, perbandingan pereaksi 1: 1 v/v, oksiran awal = 4.7%. Katalis Oksiran setelah 2 jam H 2 SO 4 1% 2.85 H 2 SO 4 1.5% 2.25 H 2 SO 4 2% 2.36 Zeolit 1 % 3.82 Zeolit 1.5 % 2.8 Zeolit 2 % Bentonit 1 % 1.25 Bentonit 1.5 % 0.8 Bentonit 2 % 1.38 Bentonit 3 % 2.85 Pada penelitian ini digunakan katalis heterogen (asam padat) antara lain adalah zeolit dan bentonit pada level 1%, 1.5%, 2%, dan sebagai kontrol adalah katalis asam sulfat (H 2 SO 4 ) pada taraf 1%, 1.5%, 2%. Hasil sidik ragam pada Lampiran 11 (L11.1) mengenai pengaruh jenis katalis heterogen dan konsentrasi katalis heterogen pada proses epoksidasi minyak jarak adalah [1] uji F untuk jenis katalis F hitung = (F tabel = 4.256) berarti H 0 ditolak (peubah jenis katalis memberikan pengaruh yang berbeda nyata) dan p-value adalah 0.000, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar level pada faktor jenis katalis terhadap bilangan oksiran. [2] F untuk konsentrasi katalis adalah dan p-value adalah 0.000, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar level pada faktor konsentrasi katalis terhadap bilangan oksiran. [3] F untuk interaksi pada jenis katalis dan konsentrasi katalis adalah dan p-value adalah 0.000, artinya ada perbedaan cukup signifikan antar interaksi pada faktor jenis dan konsentrasi katalis, sedangkan koefisien determinasi (R 2 ) sebesar 99.23%. Pengaruh jenis katalis heterogen pada proses

33 115 hidroksilasi epoksi minyak jarak pagar terhadap epoksi yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar Bilangan Oksiran H2SO4 1% H2SO4 1.5% H2SO4 2% Zeolit 1 % Zeolit 1.5 Zeolit 2 % Bent onit Bent onit Bent onit % 1 % 1.5 % 2 % Katalis dan % berat Gambar 50 Pengaruh katalis terhadap penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi. Beberapa katalis padat jenis asam bisa digunakan dalam proses pembukaan cincin oksiran, antara lain yaitu katalis, cair (H 2 SO 4 ), katalis padat zeolit dan bentonit Lampiran 11 (L11.1). Pada perbandingan pereaksi, suhu, dan waktu proses yang sama (Tabel 20 dan Gambar 50), penurunan bilangan oksiran karena terbukanya cincin oksiran pada reaksi hidroksilasi dengan katalis bentonit lebih rendah dibandingkan dengan katalis zeolit. Bentonit alam mempunyai rasio Si/Al = 2.2, lebih rendah dibandingkan dengan rasio Si/Al zeolit = 3.5-5, disamping itu bentonit juga mengandung oksida besi yang cukup beragam (besi II dan besi III), seharusnya kemampuan tukar ion zeolit lebih besar tetapi dari penelitian pendahuluan pemilihan katalis, didapatkan data penurunan bilangan oksiran yang lebih rendah, hal ini kemungkinan karena kedua katalis ini tidak mengalami perlakuan pendahuluan (aktivasi) sebelum digunakan. Pada reaksi alkilasi sebaiknya digunakan katalis dengan minimum keasaman < -6.63, tanah liat atau bentonit memiliki keasaman sebesar -5.6 (-8.2) sedangkan zeolit < (-8.2) (Satterfield 1991). Selanjutnya pada penelitian ini digunakan katalis bentonit. Pengaruh penambahan katalis bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

34 116 bilangan oksiran (% O) prosentase bobot bentonit Gambar 51 Pengaruh bentonit pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi Pengaruh prosentase bobot penambahan katalis bentonit pada proses hidroksilasi mengikuti persamaan : y = x Uji signifikansi model dihasilkan R 2 sebesar 0.77, perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 11 (L11.2). Penambahan katalis berfungsi mempercepat reaksi. Meskipun jalur proses reaksi katalitis lebih kompleks dibandingkan dengan nonkatalitis tetapi energi aktivasi yang dicapai lebih rendah. Mekanisme reaksi katalitis heterogen terdiri dari 2 tahap yaitu perpindahan massa (reaksi adsorbsi pereaksi dan/atau reaksi desorbsi produk dari permukaan katalis) dan reaksi kimia. Jumlah katalis yang ditambahkan akan mempengaruhi reaksi adsorbsi maupun desorbsi. Reaksi adsorbsi dan desorbsi juga tergantung pada pori katalis. Pada penambahan katalis 1% (w/w) penurunan bilangan oksiran pada reaksi hidroksilasi lebih rendah dibandingkan dengan penambahan katalis 1.5% (w/w) dan pada penambahan katalis 2-3% (w/w) penurunan bilangan oksiran juga di bawah 1.5% (w/w) katalis. Penambahan katalis 1% (w/w) masih kurang untuk mengadsorbsi pereaksi sehingga dapat mempercepat reaksi. Sedangkan pada penambahan katalis sebesar 2-3% (w/w) reaksi adsorbsi sudah mengalami kejenuhan, sehingga tidak akan berpengaruh terhadap kecepatan reaksi, dan penambahan katalis dalam jumlah tersebut akan menurunkan kemampuan tumbukan antar molekul. Sehingga untuk proses hidroksilasi ini digunakan jumlah katalis sebesar 1.5% (w/w). Pada reaksi katalitis, peningkatan kecepatan reaksi terjadi karena turunnya energi aktivasi. Mekanisme reaksi katalitis lebih kompleks dibandingkan dengan reaksi nonkatalitis (Froment 1990). Pada

35 117 reaksi katalitis terbentuk senyawa kompleks pereaksi dengan katalis. Jumlah mol katalis yang dibutuhkan stoikiometris terhadap jumlah pereaksi. Penelitian Pendahuluan penentuan kisaran kondisi operasi hidroksilasi. Pada penelitian pendahuluan dilakukan percobaan untuk menentukan kisaran kondisi operasi terbaik untuk proses hidroksilasi epoksi minyak jarak pagar, dengan menggunakan respon bilangan oksiran seperti terlihat pada Lampiran 12. Dengan menggunakan metoda regresi non linier didapatkan model hubungan antara bilangan oksiran (y) dengan peubah-peubah suhu (x 1 ), konsentrasi katalis (x 2 ), dan nisbah mol pereaksi (x 3 ). Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa nilai bilangan oksiran epoksi minyak jarak pagar dipengaruhi oleh nisbah mol pereaksi dan suhu proses (Lampiran 13). Hal ini diperkirakan bahwa semakin tinggi suhu (60º C), nisbah mol pereaksi (1:13), dan konsentrasi katalis (1.5%) akan semakin besar jumlah tumbukan antar molekul dan semakin banyak reaksi yang terjadi, sehingga akan membentuk poliol, dinyatakan dengan penurunan bilangan oksiran. Grafik permukaan pengaruh peubah terhadap perolehan epoksi terlihat pada Gambar 52, 53, dan Konsentrasi Katalis (%) Suhu ( 0 C) Gambar 52 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi dari suhu (x 1 ) dan konsentrasi katalis (x 2 ) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi.

36 Nisbah Pereaksi (mol) Suhu ( 0 C) Gambar 53 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi dari suhu (x 1 ) dan nisbah mol pereaksi (x 3 ) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi Nisbah Pereaksi (mol) Konsentrasi Katalis (%) Gambar 54 Respon permukaan dan kontur bilangan oksiran poliol sebagai fungsi dari konsentrasi katalis (x 2 ) dan nisbah mol pereaksi (x 3 ) pada penurunan bilangan oksiran proses hidroksilasi. Hasil analisis kanonik menunjukkan nilai bilangan oksiran optimum (minimum) adalah 0.77% yang terjadi pada suhu reaksi 60 C, katalis bentonit 1.5%(w/w), dan nisbah pereaksi 1 : 13 (mol). Pada tahapan proses berikutnya digunakan kondisi operasi di atas.

37 119 Perpindahan massa pereaksi metanol dalam katalis bentonit. Perpindahan massa/pelarutan katalis bentonit dalam metanol untuk ukuran butir bentonit 80 mesh dengan volume metanol 12.5 ml dan bentonit 0.8 gram, disajikan pada Gambar 55, sedangkan perhitungan [H + ] dapat dilihat pada Lampiran 14 ( L14.1.) dna t, menit Gambar 55 Perpindahan massa katalis bentonit Dari data percobaan diketahui dengan bertambahnya waktu semakin besar pengurangan [H + ] dari metanol, karena terserap/teradsorb dalam bentonit. Data hasil penelitian pada tahap ini dapat digunakan untuk menentukan waktu pencampuran. Hasil analisis ragam pada Lampiran 14 (L14.1) mengenai pengaruh waktu pada pencampuran antara katalis bentonit dalam metanol adalah: uji F untuk waktu pencampuran F hitung = berarti H 0 ditolak (peubah waktu pencampuran memberikan pengaruh yang berbeda nyata) dan p-value adalah , artinya ada perbedaan signifikan antar taraf pada faktor waktu pencampuran terhadap dn A dan koefisien determinasi (R 2 ) 91.9%. Model kinetika reaksi hidroksilasi. Pada tahapan ini dilakukan penentuan persamaan laju reaksi hidroksilasi dan nilai nilai tetapan laju reaksi (k), faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), serta konversi reaksi (x). Data yang dibutuhkan adalah data penurunan bilangan oksiran dengan fungsi waktu dan suhu pada kondisi operasi terbaik.

38 120 Tabel 21 Data penurunan bilangan oksiran pada proses hidroksilasi. Bahan epoksi dari Waktu (menit) minyak jarak pagar: BA =11, oksiran = Perbandingan mol epoksi : metanol =1 : C Waktu 60 C Waktu 70 C Oksiran awal 4.7 (menit) Oksiran awal (menit) Oksiran awal Hidroksil awal 6.68 Hidroksil awal 6.68 Hidroksil awal 6.68 OH Oksiran OH Oksiran OH Oksiran Data bilangan oksiran dan bilangan hidroksil hasil hidroksilasi diubah menjadi data konversi, seperti pada Tabel 22 dan perhitungan terdapat pada Lampiran 14 (L14.4). Tabel 22 Data perubahan konversi oksiran pada suhu proses 50 C T, menit X(Oksiran)

39 Hidroksil-Oksiran Hidroksil Oksiran w aktu, menit Gambar 56 Perubahan konsentrasi hidroksil dan oksiran pada proses hidroksilasi 50 C. Tabel 23 Data perubahan konversi oksiran pada suhu proses 60 C t, menit X(Oksiran) Waktu, menit Hidroksil Oksiran Gambar 57 Perubahan konsentrasi hidroksil dan oksiran pada proses hidroksilasi 60 C

40 122 Tabel 24 Data perubahan konversi oksiran pada suhu proses 70 C t, menit X(OKS) Hidroksil.10-4-Oksiran Waktu,menit Hidroksil Oksiran Gambar 58 Perubahan konsentrasi hidroksil dan oksiran pada hidroksilasi 70 C Gambar 56, 57, dan 58 merupakan gambar perubahan konsentrasi yang terjadi pada reaksi hidroksilasi epoksi minyak jarak. Ketiga gambar tersebut menunjukkan adanya kenaikan bilangan hidroksil dan penurunan nilai oksiran. Reaksi hidroksilasi ini merupakan sistem reaksi heterogen cair-cair yang terdiri dari 3 (tiga) fase, yaitu alkohol, larutan organik (epoksi), dan katalis padat. Pada reaksi ini terjadi perpindahan massa dan reaksi kimia, perpindahan massa terjadi antara alkohol dan katalis padat, perpindahan massa ke dalam epoksi, dan selanjutnya terjadi reaksi kimia. Reaksi pembukaan cincin oksiran merupakan reaksi ireversibel. Pada Tabel 22, 23, dan 24 terjadi kenaikan konversi, karena dengan bertambahnya waktu reaksi maka semakin besar waktu kontak antara pereaksi dan katalis sehingga perpindahan massa dan reaksi kimia semakin besar.

41 123 Dari perhitungan yang terdapat pada Lampiran 14 (L.14.4), maka didapatkan data tetapan laju reaksi hidroksilasi dengan menggunakan metanol sebagai berikut : Tabel 25 Hasil perhitungan nilai k (tetapan laju reaksi) hidroksilasi dengan metanol menggunakan regresi linier T C tetapan laju reaksi ml/mol menit l/mol detik l/mol detik Model kinetika reaksi hidroksilasi berdasarkan perhitungan pada Lampiran 14 (L14.4.4, L14.4.5, dan L14.4.6) dc dt E ( r E ) = = k'. C E Keterangan : C E : konsentrasi epoksi k : tetapan laju reaksi k = k[ch 3 OH] Persamaan laju reaksi ini merupakan persamaan linier dengan nilai tetapan laju reaksi sebagai intersep persamaan garis tersebut. Nilai k dapat didefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu : k = Ae E / RT Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi ln k = ln A E / RT Dari perhitungan dengan menggunakan data yang diperoleh didapatkan nilai E dan nilai A sebagai berikut : E = kkal/ mol A = x 10 4 ml / mol menit = l/ mol detik Nilai energi aktivasi (E) diperoleh dari hasil perhitungan k pada beberapa suhu. Besarnya E pada reaksi pembukaan cincin oksiran dengan menggunakan alkohol

42 124 (metanol) dan katalis bentonit mendekati besarnya E pada hasil penelitian pembukaan cincin oksiran epoksi minyak kedelai dengan menggunakan H 2 O 2, yaitu sebesar kkal/mol, pada pembukaan cincin oksiran dengan asam asetat sebesar kkal /mol (Campanella & Baltanas 2006). Persamaan tetapan laju reaksi dan laju reaksi hidroksilasi terhadap epoksi minyak jarak pagar adalah : k ' ( / RT ) = e l/ mol detik re = e ( / RT ) CE Harga entalpi reaksi (ΔH R ) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel 1972) ΔH = E RT Hasil perhitungan adalah : ΔH = kkal / mol Perhitungan waktu curah ideal pada proses hidroksilasi pembukaan cincin oksiran dengan metanol. Neraca massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal Laju masukan Laju keluaran Laju reaksi = Laju akumulasi V. re = d (V. C E ) Volume (V) konstan, sehingga dt dc dt E V r = ( re ) V r Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi epoksi sebesar C E pada kondisi isothermal adalah :

43 125 t dc ( r = CE E Ce0 E ) Perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 14 (L14.4.7). 1 C = ln k C E0 t E Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor hidroksilasi dengan pereaksi metanol, maka dihitung harga t pada kondisi isotermal 70 C. Untuk mendapatkan perubahan konsentrasi oksiran dari C E0 = mol, C E = mol, konversi 50.43%, harga k = l/mol menit, dibutuhkan waktu menit, percobaan di laboratorium dilakukan pada t = 90 menit. Perhitungan t selengkapnya dengan menggunakan model persamaan matematis dapat dilihat pada Lampiran (L14.4.7) Proses Asetilasi Penelitian Pendahuluan. Pada penelitian pendahuluan ini dapat diketahui terjadinya perubahan bilangan hidroksil pada epoksi, poliol, dan asetilasi poliol, seperti terlihat pada Gambar 59 di bawah ini bil hidroksil Epoksi Poliol Asetilasi Poliol jenis pelumas dasar Gambar 59 Perubahan bilangan hidroksil pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi

44 126 Dari Gambar 59 terlihat perubahan bilangan hidroksil dari epoksi, poliol, dan asetilasi poliol. Pada epoksi minyak jarak pagar sudah terlihat adanya gugus hidroksil, hal ini terjadi karena sebagian sudah mengalami pembukaan cincin oksiran yang disebabkan karena bereaksi dengan sisa pereaksi atau dengan sisa air yang ada dalam epoksi minyak jarak pagar menjadi polihidroksi. Pada poliol terlihat peningkatan hidroksil yang sangat besar karena sebagian besar epoksi mengalami pembukaan cincin oksiran menjadi hidroksil. Pada asetilasi poliol terjadi penurunan bilangan hidroksil karena gugus OH mengalami reaksi asetilasi menjadi gugus OR. Data data dapat dilihat pada Lampiran 15 (L15.1). Pada penelitian pendahuluan dilakukan analisis bilangan asam untuk mengetahui kisaran nisbah volume pereaksi (poliol : asam asetat anhidrat) proses asetilasi, hal ini dapat dilihat pada Gambar 60 dan data penelitian terdapat pada Lampiran 15 (L15.2) bilangan asam penambahan poliol pada asam asetat anhidrat (v/v) Gambar 60 Penambahan volume poliol pada asam asetat anhidrat terhadap bilangan asam Dengan semakin kecilnya jumlah asam asetat anhidrat yang ditambahkan, maka semakin rendah bilangan asam. Karena dengan semakin besarnya asam asetat anhidrat memperbesar sisa asam asetat anhidrat yang kemungkinan tidak bereaksi dan tidak ternetralkan. Besarnya rendemen ester poliol setelah netralisasi dapat dilihat pada Gambar 61 di bawah ini dan data selengkapnya dapat dilihat pada Lampiran 15 (L15.3). Suhu proses diambil dari data penelitian sebelumnya yang sudah ada yaitu pada 90 C dengan waktu 15 menit (Lathi & Mattiasson 2006).

45 rendemen nisbah volume penambahan poliol persatuan volume asetat anhidrat Gambar 61 Penambahan poliol terhadap rendemen asetilasi poliol. Model kinetika reaksi asetilasi. Penentuan laju reaksi, tetapan laju reaksi (k), faktor frekuensi tumbukan (A), energi aktivasi (Ea), x (konversi), orde reaksi (n) menggunakan perbandingan volume poliol : asam asetat anhidrat = 10 : 1, katalis bentonit 2% (volume), waktu total 40 menit (90 C dan 80 C). Poliol yang digunakan mempunyai bilangan hidroksil = , sampel 4 ml dimasukkan ke dalam tabung reaksi, dinetralkan dengan larutan Na 2 CO 3 (30% (w/w)). Tabel 26 Data perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol Waktu (menit) Bilangan hidroksil, 90 C (awal = ) Bilangan hidroksil, 80 C (awal = ) , Data bilangan hidroksil hasil asetilasi poliol pada Tabel 26 diubah menjadi data konsentrasi untuk mengetahui perubahan konversi tiap satuan waktu pada suhu proses 90 C dan 80 C, perhitungan terdapat pada Lampiran 16 (L16.1).

46 128 bilangan hidroksil waktu, menit Gambar 62 Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 90 C bilangan hidroksil waktu, menit Gambar 63 Perubahan bilangan hidroksil pada asetilasi poliol 80 C. Gambar 62 dan 63 menunjukkan terjadinya penurunan bilangan hidroksil, hal ini disebabkan karena dengan bertambahnya waktu proses semakin besar pembukaan cincin oksiran. Dari perhitungan yang terdapat pada L16.2 dan L16.3 dengan menggunakan data penurunan bilangan hidroksil, maka didapatkan tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat seperti terdapat pada Tabel 27 di bawah ini : Tabel 27 Tetapan laju reaksi asetilasi dengan menggunakan asam asetat anhidrat T 1/T k ml/mol k l/mol detik menit

47 129 Model kinetika reaksi asetilasi berdasarkan perhitungan pada Lampiran 16 (L16.4, L16.5, dan L16.6) Keterangan : C P : konsentrasi Poliol k : tetapan laju reaksi - r P = -dc P / dt = k. C P Persamaan laju reaksi ini merupakan persamaan linier dengan nilai tetapan laju reaksi sebagai intersep garis tersebut. Nilai k dapat didefinisikan sebagai tetapan Arrheinus, yaitu : Jika diubah dalam bentuk ln, menjadi k = Ae E / RT Dari perhitungan dengan menggunakan data yang diperoleh di dapatkan nilai E/R dan nilai A sebagai berikut : R = kal/ mol K E = kal / mol = kkal / mol A = l/ mol detik Sehingga persamaan tetapan laju reaksi dan laju reaksi asetilasi terhadap poliol minyak jarak pagar adalah : k ' r P ( / RT ) = e l/ mol detik = e ( / RT ) C P Harga Entalpi reaksi (ΔH R ) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (Levenspiel 1972) ΔH = Ea (1 Δ n) RT Hasil perhitungan adalah : ΔH = kal / mol

48 130 Perhitungan waktu curah ideal pada proses asetilasi terhadap poliol Neraca massa dalam reaktor curah isotermal (endotermis/ eksotermis) digunakan untuk menentukan waktu curah ideal Laju masukan Laju keluaran Laju reaksi = Laju akumulasi V. r P = d (V. C P ) dt Volume (V) konstan, sehingga dc dt P V r = ( rp ) V r Waktu yang dibutuhkan untuk menurunkan konsentrasi hidroksil menjadi sebesar C P pada kondisi isotermal adalah : t dc ( r = CP P CP0 P) Perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 16 (L16.7) 1 C = ln k C P0 t P Sebagai pengujian terhadap model persamaan t curah ideal reaktor asetilasi, maka diambil contoh perhitungan pada percobaan 90 C waktu 40 menit, C P0 = mol; C P = mol; k = ml/mol menit. Dengan menggunakan persamaan 27), dibutuhkan waktu = menit. Perhitungan t selengkapnya dengan menggunakan model persamaan matematis dapat dilihat pada Lampiran 16 (L16.7)

49 131 Karakteristik minyak jarak pagar dan modifikasinya sebagai pelumas dasar Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap sifat fisik dan kimia. Pada penelitian ini dilakukan modifikasi terhadap minyak jarak pagar untuk digunakan sebagai pelumas dasar. Modifikasi ini menghasilkan epoksi, poliol, dan asetilasi poliol, masing-masing tahapan memberikan perubahan sifat fisik maupun kimia. Pada tabel di bawah ini terlihat perubahan sifat fisik dan kimia karena perubahan struktur kimia minyak jarak pagar. Perubahan sifat fisik misalnya terjadi perubahan densitas, titik tuang, titik nyala, viskositas, indeks viskositas. Perubahan sifat kimia: bilangan asam, (TBN), bilangan penyabunan, bilangan iod, kadar air, bilangan oksiran, dan bilangan hidroksil. Tabel 28 Sifat Fisik dan kimia Minyak Jarak Pagar, Epoksi, Poliol, dan Asetilasi Poliol Sifat Minyak Epoksi Poliol Asetilasi Poliol Warna Kuning Coklat Putih keruh Putih kekuningan Coklat Densitas (g/ml 3 ) Titik nyala (ºC) Titik tuang (ºC) Viskositas 25ºC 9.22 cp cp cp Viskositas 40ºC (CSt) Viskositas 100ºC (CSt) Viskositas Indeks Bilangan asam mg KOH/g TBN mg KOH/g 0.41 Indeks bias 25 ºC Bilangan penyabunan mg KOH/g Kadar air % Bilangan Iod g/ 100 g Oksiran (% / 100 g) Bilangan Hidroksil 0 6, Komposisi Kimia Asam Kaprilat Asam Laurat Asam Miristat Asam Palmitat Asam Stearat Asam Oleat Asam Linoleat Asam Linolenat 0.081

50 132 Perubahan sifat kimia terjadi karena adanya beberapa tahapan proses. Pada proses epoksidasi mengakibatkan terjadinya perubahan bilangan iod, karena adanya pengurangan ikatan rangkap membentuk ikatan siklik oksigen oksiran. Berkurangnya jumlah ikatan rangkap minyak jarak pagar pada tahap epoksidasi adalah dari 108 (g/100g) menjadi 2.9 (g/100g), pada tahap hidroksilasi terhadap epoksi, bilangan iod berkurang menjadi 1.77 (g/100g). Pengurangan ikatan rangkap minyak meningkatkan stabilitas oksidasi dan termal minyak sebagai pelumas dasar (Wu et al. 2000). Perubahan sifat kimia minyak jarak pagar karena proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi berpengaruh terhadap beberapa sifat fisik minyak, yaitu viskositas, indeks viskositas, dan titik tuang. Pengujian viskositas 40 C dan titik tuang menggunakan metoda standard ASTM D-445 dan ASTM D-97. Pada penelitian minyak kedelai dinyatakan bahwa titik tuang hasil asetilasi poliol terendah dibandingkan dengan prosesproses sebelumnya atau sebelum diproses (Hwang & Erhan 2005, Adhvaryu et al. 2005). Proses epoksidasi dilakukan untuk mengurangi ikatan rangkap, hidroksilasi dilakukan untuk mengubah gugus oksiran dari epoksi yang bersifat tidak stabil, dan asetilasi digunakan untuk mengubah gugus OH pada minyak menjadi OR. Kelemahan utama dari minyak nabati adalah ketidakstabilan termal-oksidasi dan rendahnya sifat alir pada suhu rendah. Minyak nabati mempunyai kecenderungan membentuk struktur kristal makro pada suhu rendah melalui penumpukan pada bagian tulang belakang triasilgliserol. Beberapa kristal makro membatasi kemudahan aliran sistem karena hilangnya energi kinetik tiap-tiap molekul (Adhvaryu et al. 2005). Titik tuang minyak jarak pagar adalah 0 C, sedangkan titik tuang epoksi minyak jarak pagar adalah 3 C. Stabilitas termal dan oksidasi epoksi minyak jarak pagar tercapai karena hilangnya atau berkurangnya jumlah ketidakjenuhan, tetapi sifat alir pada suhu rendahnya kurang baik dibandingkan minyak jarak pagar, dengan demikian membatasi penggunaannya pada suhu rendah. Penggabungan ikatan dengan panjang tertentu pada atom karbon hasil pembukaan cincin epoksi menurunkan titik tuang. Titik tuang poliol terasetilasi adalah -6 C. Modifikasi dapat meningkatkan stabilitas minyak sebagai pelumas dasar pada suhu rendah, misalnya tidak mengendap, meningkatkan kemampuan mengalir, dan mencegah pembekuan. Viskositas merupakan ciri pelumas yang paling penting. Nilai viskositas harus tinggi, untuk memberikan lapisan pelumasan yang cukup ketika terjadi friksi. Viskositas

51 133 larutan makromolekul sangat tergantung pada ukuran (berat molekul) dan bentuk (ikatan pada cabang) (Haus et al. 2003). Perubahan viskositas pada minyak jarak pagar, epoksi, poliol dan asetilasi poliol terjadi karena perubahan berat molekul karena perubahan struktur kimia selama proses dan jumlah mol pereaksi. Pelumas dasar hasil modifikasi minyak jarak ini akan digunakan sebagai pelumas mesin (engine oil), sehingga diperlukan standar sebagai pembanding. Society of Automotive Engineers (SAE), American Society for Testing Materials (ASTM), dan American Petroleum Institute (API) menetapkan batasan, teknik pengujian dan deskripsi kegunaan untuk pelumas mesin. Tabel 29 membandingkan sifat pelumas dasar. Tabel 29 Sifat Fisik Pelumas Mesin (Minyak Baru) dengan standar SAE Parameter SAE Asetilasi Poliol Asetilasi Poliol + SAE 20W- 20W (1 : 8) C, ASTM D Viskositas 40 C, CSt, Viskositas 100 C, CSt Indeks viskositas, Titik tuang C, Titik nyala C, TBNmg KOH/gr Handbook of Lubrication Vol 1 pg 15 dan SNI untuk pelumas mesin Tabel 29 menunjukkan bahwa dari hasil karakterisasi terhadap poliol terasetilasi sebagai pelumas dasar, terlihat bahwa poliol terasetilasi dapat digunakan sebagai pelumas dasar untuk mensubstitusi pelumas dasar mineral atau sintetis. Pada penggunaan pelumas dasar ini dapat dicampur dengan aditif atau pelumas komersial dengan perbandingan volum tertentu, pada pengujian digunakan pelumas SAE 20W-50. Hasil pencampuran dengan pelumas (+aditif) menunjukkan indeks viskositas turun, titik tuang menjadi lebih rendah, TBN naik dibandingkan poliol terasetilasi. Data ini menunjukkan bahwa dengan mencampur beberapa % volum minyak nabati yang dimodifikasi pada mineral oil, maka bisa digunakan sebagai pelumas dengan spesifikasi yang diinginkan.

52 134 Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR dan pengujian struktur kimia menggunakan NMR Minyak. Minyak jarak pagar mempunyai bilangan iod sebesar , hal ini menunjukkan bahwa minyak nabati ini termasuk jenis minyak setengah mengering, minyak ini sesuai jika digunakan sebagai pelumas. Besarnya bilangan iod menunjukkan besarnya ikatan C=C pada minyak jarak pagar, hal ini dapat menurunkan stabilitas termal dan stabilitas oksidasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar. Hasil pengujian gugus fungsi menggunakan FTIR pada Gambar 64 terlihat adanya ikatan rangkap C=C, sesuai dengan standar bahwa ikatan C=C terdapat pada bilangan gelombang (cm -1 ) Gambar 64 Hasil pengujian gugus fungsi pada minyak jarak pagar menggunakan FTIR Hasil pengujian struktur kimia menggunakan NMR pada minyak jarak pagar yang disajikan pada Gambar 65, menunjukkan bahwa adanya gugus C=C pada δ ppm. Gambar 65 Hasil pengujian struktur kimia pada minyak jarak pagar menggunakan NMR

53 135 Epoksi minyak jarak pagar. Penghilangan ketidakjenuhan minyak jarak pagar dengan mengubahnya menjadi epoksi, dari Tabel 28 data bilangan iod menunjukkan penurunan dari 108 menjadi 1.72, hasil ini dapat meningkatkan stabilitas termal dan oksidasi dari minyak. Ikatan rangkap mempercepat degradasi (Erhan & Adhvaryu 2005). Pada Tabel 28 densitas dan viskositas epoksi minyak jarak pagar lebih besar dibandingkan dengan minyaknya, hal ini disebabkan karena berat molekul, polaritas, dan gaya intermolekular. Epoksi minyak mempunyai berat molekul tinggi dan struktur yang lebih polar dibandingkan dengan minyaknya, akibatnya interaksi antar molekul menjadi lebih kuat (Wu & Zhang 2000). Perubahan molekul minyak jarak pagar terlihat pada Gambar 66. Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR adalah terjadi penurunan intensitas gelombang cm -1. Tampak adanya epoksi (cm -1 ) dan gugus OH (cm -1 ), gugus oksiran mengalami pembukaan cincin oksiran. Gambar 66 Hasil pengujian gugus fungsi pada epoksi minyak jarak pagar menggunakan FTIR. Hasil pengujian struktur kimia menggunakan NMR pada epoksi jarak pagar pada Gambar 67, menunjukkan bahwa gugus C=C mengalami pergeseran, sehingga terlihat gugus epoksi pada δ ppm

54 136 Gambar 67 Hasil pengujian struktur kimia epoksi jarak pagar menggunakan NMR Poliol. Hasil pengujian sifat fisika kimia poliol (metanol) pada Tabel 28 menunjukkan perubahan dibandingkan dengan data sifat sifat epoksi karena terjadinya perubahan struktur molekul. Gugus oksiran pada epoksi mengalami pembukaan cincin karena reaksi hidroksilasi dengan alkohol, hal ini tampak pada Gambar 68 dimana gugus hidroksil (-OH) pada panjang gelombang (cm -1 ) mengalami kenaikan intensitas, dan berkurangnya gugus oksiran dengan panjang gelombang (cm -1 ). Sudah tampak gugus (-OR) pada hasil hidroksilasi dengan panjang (cm -1 ) Gambar 68 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR. Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR yang disajikan pada Gambar 69, menunjukkan bahwa gugus epoksi mengalami pergeseran sehingga terlihat gugus dihidroksi pada δ

55 137 Gambar 69 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR Asetilasi Poliol. Hasil pengujian sifat fisika kimia poliol terasetilasi pada Tabel 28 menunjukkan perubahan poliol teasetilasi dibandingkan dengan sifat sifat poliol karena terjadinya perubahan struktur molekul. Gugus hidroksil pada poliol mengalami pengurangan karena reaksi asetilasi pada gugus OH membentuk -OR, hal ini tampak pada Gambar 70, dimana intensitas gugus hidroksil (-OH) pada panjang gelombang (cm -1 ) mengalami penurunan. Gugus OR tampak pada (cm -1 ). Gambar 70 Hasil pengujian gugus fungsi pada poliol jarak pagar menggunakan FTIR. Hasil pengujian struktur nimia pada asetilasi poliol jarak pagar menggunakan NMR yang disajikan pada Gambar 71, menunjukkan bahwa gugus OR pada δ

56 138 Gambar 71 Hasil pengujian struktur kimia poliol jarak pagar menggunakan NMR Pengujian Kinerja Kestabilan Oksidasi. Oksidasi merupakan faktor utama yang membatasi umur pemakaian pelumas. Banyak faktor yang dapat mempercepat terjadinya oksidasi pelumas, diantaranya komposisi pelumas, suhu, katalis, dan lain-lain. Akibat terjadinya oksidasi pada pelumas dasar adalah terbentuknya asam dan lumpur oksidasi, yang akan berpengaruh terhadap fungsi pelumasan. Asam organik yang terbentuk dapat dideteksi dengan menganalisis bilangan asam total, dimana besarnya konsentrasi asam diukur berdasarkan volume basa yang dibutuhkan untuk menetralisir asam yang ada di dalam minyak tersebut. Pengujian stabilisasi oksidasi minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya pada penelitian ini menggunakan prosedur pemanasan terhadap contoh pelumas dasar sampai dengan 100 C dengan aliran udara 0.5 l /menit. Contoh diambil pada periode waktu 0 menit, 30 menit, sampai dengan 120 menit. Analisis yang dilakukan adalah viskositas pada 40 C dan bilangan asam. Skema rangkaian alat dan foto alat dapat dilihat pada Gambar 72 dan Lampiran 18.

57 139 Keterangan : 1,2 Kran 5 Labu berisi contoh minyak, logam dilengkapi dengan termometer 3 Manometer 6 Statif 4 Kompresor 7 Labu untuk penampungan gas buangan Gambar 72 Rangkaian alat pengujian stabilitas oksidasi Hasil pengujian kestabilan oksidasi berupa data perubahan viskositas dan bilangan asam pada kondisi suhu 100 C selama 90 menit dapat dilihat pada Gambar 73 dan Viskositas, cp t, menit Visk M JP Visk M JP+AO Visk EJP Visk PJP Visk APJP Gambar 73 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap viskositas pelumas dasar. Viskositas adalah sifat pelumas yang sangat penting, dapat mempengaruhi ketebalan film dan keausan dari permukaan logam. Viskositas juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi golongan dari masing-masing pelumas dan untuk monitoring

58 140 perubahan yang terjadi pada pelumas selama pemakaian. Peningkatan viskositas minyak menunjukkan adanya kerusakan minyak, antara lain disebabkan oleh oksidasi, polimerisasi oksidasi dan polimerisasi hasil degradasi senyawa peroksida. Viskositas minyak yang semakin meningkat merupakan indikasi terjadinya polimerisasi sebagai tahap akhir dari oksidasi minyak. Kecenderungan peningkatan viskositas minyak disebabkan adanya degradasi trigliserida akibat oksidasi. Oksidasi tingkat lanjutan menyebabkan polimerisasi yang menghasilkan senyawa berbobot molekul tinggi. Senyawa-senyawa polimer tersebut selain meningkatkan bobot jenis juga meningkatkan viskositas minyak (Hendrawati 2001). Sedangkan penurunan viskositas biasanya menunjukkan adanya pengenceran oleh minyak yang lebih rendah viskositasnya (Karina 2005). Hasil analisis viskositas pada pengujian kestabilan oksidasi minyak jarak pagar dan modifikasinya dapat dilihat pada Tabel L19.1 pada Lampiran 19. Pada Gambar 73 terlihat perbandingan perubahan viskositas pada minyak jarak pagar dan minyak jarak pagar + antioksidan, menunjukkan bahwa dengan penambahan antioksidan maka kestabilan viskositas minyak menjadi lebih baik. Pengubahan struktur minyak menjadi epoksi, poliol, dan asetilasi poliol mengakibatkan kenaikan viskositas dibandingkan dengan minyak jarak pagar, hal ini disebabkan karena terjadinya perubahan bobot molekul pada minyak. Hasil pengujian analisis keragaman pada percobaan kestabilan oksidasi dengan pengamatan viskositas ini, bisa dilihat pada Lampiran 19 (L 19.3). Tabel ANOVA menunjukkan Pr> F bernilai <0.0001, artinya model repeated measurement tersebut berbeda nyata, sehingga perlu dikaji lebih lanjut. Hal ini didukung oleh besarnya R %. Untuk kelima perlakuan, ulangan perlakuan, waktu, dan interaksi perlakuan*waktu berbeda nyata. Data viskositas MJP dan hasil modifikasi terakhir Poliol terasetilasi (APJP) diregresikan. Pada Lampiran 19 (L19.3) besarnya kemiringan untuk data MJP ( ) lebih besar dibandingkan dengan kemiringan untuk regresi data APJP (-3.695), hal ini menunjukkan bahwa perubahan viskositas MJP lebih besar dibandingkan dengan APJP (kestabilan oksidasi APJP lebih besar dibandingkan dengan MJP). Hasil pengujian terhadap perubahan bilangan asam dapat dilihat pada Gambar 74.

59 141 Bilangan Asam waktu, menit M inyak Jarak Pagar M inyak Jarak Pagar + Anti Oksidan Epoksi Jarak Pagar Poliol Jarak Pagar Asetilasi Poliol JP Gambar 74 Hasil pengujian kestabilan oksidasi terhadap bilangan asam pelumas dasar. Data Pengaruh waktu oksidasi terhadap perubahan bilangan asam dapat dilihat pada Lampiran 19 (Tabel L19.2). Hasil analisis bilangan asam pada pengujian kestabilan oksidasi minyak jarak pagar dan modifikasinya dapat dilihat pada Lampiran 19 (L19.4). Dari Gambar 80 terlihat bahwa kenaikan bilangan asam minyak jarak pagar lebih tinggi dibandingkan dengan hasil modifikasinya, hal ini menunjukkan bahwa selama periode oksidasi terjadi degradasi minyak yang menyebabkan terbentuknya asam lemak rantai pendek hasil penguraian senyawa peroksida dan asam lemak bebas sebagai hasil reaksi hidrolisis karena adanya air. Perubahan bilangan asam Asetilasi Poliol minyak jarak pagar paling kecil dibandingkan dengan pelumas dasar lainnya, hal ini disebabkan karena dengan pengubahan menjadi asetilasi poliol struktur kimia molekulnya menjadi lebih stabil karena ikatan rangkap menjadi sangat kecil atau tidak ada sama sekali, kemungkinan terbentuknya asam lemak rantai pendek menjadi lebih kecil. Perubahan bilangan asam minyak jarak pagar + antioksidan kecil, hal ini menunjukkan bahwa antioksidan ini efektif dalam menghambat reaksi oksidasi. Hasil Pengujian analisis keragaman pada percobaan kestabilan oksidasi dengan pengamatan bilangan asam bisa dilihat pada Lampiran 19 (L19.4). Tabel ANOVA menunjukkan Pr > F bernilai < , artinya model repeated measurement tersebut berbeda nyata, sehingga perlu dikaji lebih lanjut. Hal ini didukung oleh besarnya R %. Untuk kelima perlakuan, waktu, dan interaksi perlakuan*waktu berbeda nyata. Data bilangan asam MJP dan hasil modifikasi terakhir Poliol terasetilasi (APJP) diregresikan. Pada

60 142 Lampiran 19 (L19.4) besarnya kemiringan untuk data MJP (1.016) lebih besar dibandingkan dengan kemiringan untuk data APJP (0.3331), hal ini menunjukkan bahwa perubahan bilangan asam MJP lebih besar dibandingkan dengan APJP (kestabilan oksidasi APJP lebih besar dibandingkan dengan MJP. Analisis penggunaan pelumas dasar. Modifikasi minyak nabati secara kimiawi menghasilkan pelumas dasar sintetis. Pengaruh modifikasi minyak jarak pagar terhadap indeks viskositas dilihat pada Tabel 30. Tabel 30 Indeks viskositas pada suhu 100 C No Pelumas dasar Indeks Viskositas, cst 1 MJP EJP PJP dengan metanol 44 4 PJP dengan butanol Asetilasi Poliol 130 Perubahan struktur kimia minyak jarak pagar dapat mempengaruhi besarnya indeks viskositas. Indeks viskositas adalah hasil pengukuran viskositas kinematik pada suhu 40 C dan 100 C, sehingga semakin tinggi indeks viskositas, maka viskositas semakin stabil. Indeks viskositas minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya tinggi, sehingga memenuhi persyaratan spesifikasi pelumas dasar. Indeks Viskositas di atas 80 termasuk pada kelompok Indeks Viskositas Tinggi. Berdasarkan Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk pelumas, beberapa alternatif penggunaan pelumas dasar ini termasuk: 1 SAE Viskositas rangkap atau Pelumas Multi Grade setara dengan SAE 5W Minyak roda gigi dan / atau fluida hidraulik, dengan melihat pada data Tabel 28 hasil uji viskositas 40 C pada asetilasi poliol yaitu dengan rata-rata sebesar cst, maka pelumas dasar ini dapat dicampur dengan aditif sehingga setara dengan SAE 40, SAE 90, SAE 80W-90. Atau untuk keperluan industri dapat digunakan setara dengan ISO VG 46. Aditif yang ditambahkan adalah aditif tekanan ekstrim (Zn, Ca). Kandungan air harus rendah (<1%). Pengujian yang dilakukan adalah Four Ball Test.

61 143 3 Minyak mesin, dari data viskositas 40 C pencampuran pelumas dasar ini dan SAE 40W-90, maka menghasilkan pelumas setara dengan SAE 15W-40. Aditif yang ditambahkan adalah anti aus, apabila TBN rendah perlu ditambahkan aditif. Kadar air harus rendah (<0.1%). Uji yang harus dilakukan adalah anti korosi. Pencampuran pelumas dasar dan aditif. Untuk mendapatkan pelumas dengan kualitas tinggi dilakukan pencampuran antara pelumas dasar yang berasal dari minyak bumi (petroleum), pelumas dasar sintetis (asetilasi poliol minyak jarak pagar) dan aditif. Pelumas petroleum untuk keperluan ini menggunakan pelumas komersial. Pengujian terhadap pelumas komersial sebelum pencampuran dilakukan untuk mengetahui komposisi aditif, setelah dicampur, komposisi aditif diuji kembali untuk mengetahui penurunan kualitasnya, sehingga dapat diketahui kekurangan aditif yang harus ditambahkan. Prosedur pencampuran bahan aditif dapat dilihat pada Gambar 75 dan 76. Minyak Mentah Aditif Pelumas dasar Petroleum Produk Gambar 75 Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum) dan aditif (Paramins 1993) Minyak Mentah Pelumas dasar Petroleum Produk Aditif Pelumas dasar sintetis (Modifikasi MJP) Gambar 76 Komponen Pelumas : pelumas dasar (petroleum & sintetis) dan aditif (Pengembangan dari Paramins 1993). Pengujian kinerja pada mesin otomotif Tahapan ini dilakukan untuk mengevaluasi kinerja formula pelumas sintetis pada mesin otomotif setelah digunakan selama 100 jam. Pengujian kinerja pelumas dilakukan dengan mencampurkan pelumas dasar dari minyak jarak pagar dengan pelumas komersial

62 144 dengan perbandingan tertentu. Pengujian dilakukan terhadap campuran pelumas sebelum digunakan dan sesudah digunakan selama waktu tertentu disajikan pada Tabel 31 : Tabel 31 Pengujian kinerja berbagai % campuran pelumas dasar dan pelumas komersial pada mesin otomotif (motor 2 tak) selama 100 jam NO. PARAMETER KOMERSIAL Asetilasi Poliol : KOMERSIAL (1 : 8) Asetilasi Poliol : KOMERSIAL (1 : 4) BATAS PENGGANTIAN 1. TBN : New Used Min 2 2. Viskositas 40 New Used Viskositas 100 New Used Maks ± 20% Nominal 4. Indeks Viskositas Kandungan Air < Maks 0,2 6. Pour Point (-12 C) (-18 C) (-12 C) 7. Flash Point 210 C (204 C) (210 C) 8. Analisis Logam New Used New Used New Used Al Cr Cu Fe Pb Si 1 <1 < <1 <1 1 1, <1 < Maks 20 Maks 20 Maks 50 Maks 100 Maks 50 Maks 20 Pada Tabel 31 dapat dilihat besarnya perubahan kandungan logam antara pelumas baru dan bekas setelah 100 jam pemakaian. Pada komposisi campuran pelumas nabati : pelumas komersial = 1 : 4 perubahan kandungan logam sebelum dan sesudah pemakaian paling kecil dibandingkan dengan komposisi campuran nabati : pelumas komersial = 1 : 8 dan 100 % pelumas komersial, hal ini menunjukkan bahwa dengan penambahan pelumas nabati pada pelumas komersial dapat meningkatkan ketahanan pelumas.

63 145 Diagram blok Proses Diagram Blok proses untuk tiga tahap proses ini dapat dilihat pada Gambar 77, 78, dan 79.

64 146 Di FILE DIAGRAM BLOK Animasi Tiap Reaktor Pola Aliran ChemCad, Kinetika, Grafik Perubahan Konversi Sistem Dinamik, reaktor 3, tergantung pada reaktor 1 & 2 DIAGRAM BLOK UNIT EPOKSIDASI Biji Jarak Tanpa Tempurung Air Biji Jarak Kering H2O2, As Asetat Kat H2SO4 Epoksi dan sisa asam Oven Press Reaktor Epoksidasi Dekantasi Sisa H2O2, As Asetat Kat H2SO4 Netralisasi Penyerapan sisa air Penyaringan Epoksi Na carbonat Na Sulfat Air + hasil penetralan Sisa Butanol, katalis bentonit 2 %, Poliol Sisa Butanol, Poliol DIAGRAM BLOK UNIT HIDROKSILASI Epoksi Reaktor Hidroksilasi Penyaringan

65 147 Butanol, katalis bentonit 2 % bentonit 2 % Pemisahan sisa butanol Poliol butanol DIAGRAM BLOK UNIT ESTERIFIKASI Poliol, sisa anhidrat Poliol Esterifikasi Penyaringan Netralisasi Asam asetat anh katalis bentonit 2 % bentonit 2 % Na carbonat Pencucian Dekantasi Ester Aquadest Hasil penetralan dan pencucian

66 148 Neraca massa di setiap alat Dari data laboratorium selanjutnya dilakukan perhitungan neraca massa pada setiap alat, data ini digunakan dalam perhitungan spesifikasi alat untuk keperluan optimasi dan menentukan kelayakan perancangan proses ditinjau secara finansial. Tabel neraca massa untuk kapasitas bahan baku 1kg di setiap alat pada proses epoksidasi, hidroksilasi dan asetilasi dapat dilihat pada tabel-tabel di bawah ini. Contoh perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 20 Neraca massa Proses Epoksidasi. Neraca massa di sekitar oven dapat dilihat pada Tabel 32 di bawah ini. Tabel 32 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengeringan (OV-1) Aliran Nomer Aliran Masuk (g) Keluar (g) Biji Jarak Basah H 2 O Biji Jarak Kering T O T A L Neraca massa di sekitar alat pres dapat dilihat pada Tabel 33 di bawah ini. Tabel 33 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pengepresan (PR-01) Aliran Nomer Aliran Masuk (g) Keluar (g) Biji Jarak Kering Minyak Jarak Bungkil T O T A L Neraca massa di sekitar reaktor epoksidasi dapat dilihat pada Tabel 34 di bawah ini. Tabel 34 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Epoksidasi Komponen Input (g) Output (g) MJP CH3COOH H2O H2SO EJP H2O Sub Total Total

67 149 Neraca massa di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 35 di bawah ini. Tabel 35 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi Komponen Input (g) Output (g) MJP H 2 O H 2 O CH 3 COOH NaHCO Na 2 SO CO H 2 SO EJP Sub Total Total Neraca massa di sekitar tangki dekantasi dapat dilihat pada Tabel 36 di bawah ini. Tabel 36 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Komponen Input (g) Output (g) MJP H 2 O H 2 O CH 3 COOH Na 2 SO EJP Sub Total Total Neraca massa Proses Hidroksilasi. Neraca massa dapat dilihat pada Tabel 37 Tabel 37 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Hidroksilasi Komponen Input (g) Output (g) MJP EJP Alkohol H 2 O Katalis bentonit Poliol Sub Total Total

68 150 Neraca massa di tangki dekantasi dapat dilihat pada Tabel 38 di bawah ini. Tabel 38 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Poliol Komponen Input (g) Output (g) MJP EJP Alkohol H 2 O Katalis bentonit Poliol Sub Total Total Neraca massa di pemisah sisa butanol dapat dilihat pada Tabel 39 di bawah ini. Tabel 39 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Sisa Butanol Komponen Input (g) Output (g) Alkohol H 2 O Poliol Sub Total Total Neraca Massa Proses Asetilasi. Neraca massa di reaktor asetilasi dapat dilihat pada Tabel 40 di bawah ini. Tabel 40 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Proses Asetilasi Komponen Input (g) Output (g) Poliol Asam Asetat Anh Kat Bentonit H 2 O Asetilasi poliol Sub Total Total

69 151 Neraca massa di pemisahan katalis dapat dilihat pada Tabel 41 di bawah ini. Tabel 41 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Pemisahan Katalis Komponen Input (g) Output (g) Poliol As Asetat Anh Kat Bentonit H 2 O Asetilasi poliol Sub Total Total Neraca massa di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 42 di bawah ini. Tabel 42 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Netralisasi Komponen Input (g) Output (g) Poliol Asam Asetat Anh Asetilasi poliol NaHCO H 2 O CH 3 COONa CH 3 COOH CO Sub Total Total Neraca massa ditangki dekantasi dapat dilihat pada Tabel 43 di bawah ini. Tabel 43 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada saat Dekantasi Komponen Input (g) Output (g) Poliol Asetilasi poliol H 2 O CH 3 COONa CH 3 COOH Sub Total Total

70 152 Neraca energi di setiap Alat Tabel neraca energi untuk kapasitas bahan baku 1kg di setiap alat pada proses epoksidasi, hidroksilasi dan asetilasi dapat dilihat pada tabel-tabel di bawah ini dan perhitungan lengkap terdapat pada Lampiran 21. Neraca energi Proses Epoksidasi. Neraca energi di pemanas bahan dapat dilihat pada Tabel 44 di bawah ini. Tabel 44 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-01) Komponen Panas Masuk, J Panas Keluar, J Komponen Masuk HE-01 Q Komponen Keluar HE-01 Total Neraca energi di pemanas bahan dapat dilihat pada Tabel 45 di bawah ini. Tabel 45 Neraca Energi di Pemanas bahan sebelum Proses Epoksidasi (HE-02) Komponen Panas Masuk (J) Panas Keluar (J) Komponen masuk HE-02 Q Komponen Keluar HE-02 Total Neraca energi di reaktor epoksidasi dapat dilihat pada Tabel 46 di bawah ini. Tabel 46 Neraca Energi pada saat Proses Epoksidasi Komponen Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) MJP CH 3 COOH H 2 O EJP H 2 O Panas Reaksi Panas yang diserap pendingin (Qc)

71 153 Neraca energi di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 47 di bawah ini. Tabel 47 Neraca Energi pada saat Netraliser Komponen Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) MJP CH 3 COOH H 2 O EJP H 2 O H 2 SO NaHCO CO Na 2 SO Panas Reaksi Panas Yang dibutuhkan Neraca energi Proses Hidroksilasi. Neraca energi di sekitar alat pres dapat dilihat pada Tabel 48 di bawah ini. Tabel 48 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Hidroksilasi (HE-03) Komponen Panas Masuk, J Panas Keluar, J Komponen Masuk HE Q Komponen Keluar HE Total Neraca energi di reaktor hidroksilasi dapat dilihat pada Tabel 49 di bawah ini. Tabel 49 Neraca Energi pada saat Proses Hidroksilasi Komponen Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) MJP EJP Alkohol H 2 O Katalis Bentonit Poliol Panas Reaksi Panas yang diberikan pemanas (Qh)

72 154 Neraca energi di pemisah alkohol dapat dilihat pada Tabel 50 di bawah ini. Tabel 50 Neraca Energi pada saat Pemisahan Alkohol Komponen Masuk (kal) Keluar (kal) Aliran 18 Aliran 20 Aliran 21 Alkohol H 2 O Poliol Sub Total Total Neraca energi di pendinginan produk poliol dapat dilihat pada Tabel 51 di bawah ini. Tabel 51 Neraca Energi pada saat Pendinginan Produk Poliol Komponen Panas Masuk, kal Panas keluar, kal Poliol H 2 O Panas yang dilepaskan T O T A L Neraca energi Proses Asetilasi. Neraca energi di pemanas sebelum masuk reactor asetilasi dapat dilihat pada Tabel 52 di bawah ini. Tabel 52 Neraca Energi di Pemanas sebelum Proses Asetilasi Komponen Panas Masuk, J Panas Keluar, J Komponen Masuk HE Q Komponen Keluar HE Total Neraca energi di reaktor aetilasi dapat dilihat pada Tabel 53 di bawah ini. Tabel 53 Neraca Energi pada saat Proses Asetilasi Komponen Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) Poliol As Asetat Anh Kat Bentonit H 2 O Asetilasi poliol Panas reaksi Panas pemanas (Qh)

73 155 Neraca energi di tangki netralisasi dapat dilihat pada Tabel 54 di bawah ini. Tabel 54 Neraca Energi pada saat Netralisasi Komponen Panas Masuk (kal) Panas Keluar (kal) Poliol As Asetat Anhidrat H 2 O NaHCO Asetilasi poliol CO Na(CH 3 CO) Panas Reaksi Panas Yang dibutuhkan Neraca energi di sekitar alat pres dapat dilihat pada Tabel 55 di bawah ini. Tabel 55 Neraca Energi pada saat Pendinginan produk asetilasi poliol Komponen Panas masuk, kal Panas keluar, kal Asetilasi poliol Air Panas dilepaskan T O T A L Integrasi Proses Integrasi proses pada modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar dengan proses yang terpilih yaitu epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dengan kondisi operasi yang optimum dapat dilihat pada blok diagram yang disajikan pada Gambar 77, 78, 79, dan PEFD (Process Engineering Flow Diagram) pada Gambar 80 dapat menghasilkan produk sesuai dengan kriteria yang diinginkan. Simulasi proses berdasarkan parameter kinetika dan laju reaksi dari hasil pengolahan data-data laboratorium dilakukan dengan menggunakan program hysis. Hasil simulasi ini digunakan untuk mengetahui kelayakan proses secara teknis dan disajikan pada Gambar 81. Data hasil penelitian Mulyana et al 2003 digunakan sebagai perbandingan jalur proses dan disajikan pada Gambar 82. Berdasarkan hasil simulasi menggunakan program hysis, maka jalur proses yang dipilih dinyatakan layak secara teknis, hal ini ditunjukkan dengan spesifikasi produk yang sesuai dengan yang diinginkan dan kebutuhan energi selama proses lebih rendah dibandingkan dengan jalur proses lain.

74 Gambar 80 PEFD Modifikasi Minyak Jarak Pagar 156

75 157 Gambar 81 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses epoksidasi-hidroksilasi-asetilasi

76 158 Gambar 82 Hasil simulasi proses menggunakan program Hysis pada jalur proses esterifikasi-epoksidasi-hidroksilasi

77 159 Optimasi Kapasitas Produksi Pelumas Dasar Kapasitas produksi tergantung pada beberapa faktor, yaitu jumlah jam operasi perhari, perminggu, perbulan atau pertahun; beban alat; ketersediaan bahan. Pada tahapan ini akan dilakukan optimasi untuk menentukan kapasitas produksi ekonomis. Model Persamaan Biaya Produksi total (c T ) per unit produksi didapatkan dari hasil perhitungan pada neraca massa, neraca energi, alat, dan analisis Finansial. Model untuk biaya variabel per unit produksi dihitung dari data hasil simulasi. Penyusunan model dengan metoda kuadrat terkecil regresi polinomial menghasilkan: vc = x x x Besarnya R 2 =96.9% Model untuk biaya tetap per unit produksi adalah : fc = Model untuk Biaya total per unit produksi adalah : Keterangan : c T = vc c T = x x x / x fc x c T vc fc = Kapasitas Produksi = Biaya produksi total per unit produksi = Biaya variabel per unit produksi =Biaya tetap per unit produksi Optimasi kapasitas produksi dilakukan untuk mendapatkan biaya total per-satuan produksi minimum. Penyelesaian optimasi ini menggunakan beberapa hasil perhitungan/ persamaan neraca massa, neraca energi, spesifikasi alat, dan lain sebagainya. Metoda optimasi yang digunakan adalah analitis

78 160 Perhitungan lengkap optimasi kapasitas produksi dapat dilihat pada Lampiran 22. Hasil optimasi didapatkan kapasitas optimum adalah x = ton/tahun. x = kapasitas optimum untuk mendapatkan biaya minimum per satuan produksi Berikut ini grafik biaya variabel dan biaya total fungsi kapasitas produksi vc, juta rupiah x, kapasitas, ton/th Gambar 83 Biaya variabel fungsi kapasitas produksi tc, juta Rp x, kapasitas, ton/th Gambar 84 Kurva total biaya fungsi kapasitas produksi. Dari Gambar 83 dan 84 terlihat bahwa pada satu kondisi tertentu, dengan naiknya kapasitas produksi maka biaya variabel dan biaya total produksi akan menunjukkan kecenderungan turun sampai dengan kapasitas tertentu ( ton/tahun).

79 161 Analisis Kelayakan Finansial Hasil Perancangan Proses pada Kapasitas Optimum Analisis finansial dilakukan untuk mengetahui tingkat profitabilitas pada produksi pelumas dasar dari minyak jarak pagar. Untuk itu disusun komponen biaya untuk keperluan analisis finansial produksi pelumas dasar minyak jarak pagar pada kapasitas optimum ( ton/tahun). Penilaian kelayakan dilakukan dengan menggunakan kriteria kelayakan investasi, yakni (1) NPV (net present value), (2) IRR (internal rate of return), (3) Net B/C (Net Benefit-Cost), (4) PBP (Pay Back Period). Analisis finansial produksi pelumas dasar dari minyak jarak pagar didasarkan pada beberapa asumsi dasar sesuai dengan kondisi aktual pada saat analisis. Disamping itu analisis juga didasarkan pada standar norma yang telah baku digunakan pada industri, hasil perhitungan yang telah dilakukan pada aspek lain serta peraturan pemerintah yang berlaku. Asumsi dasar yang digunakan pada perhitungan analisis finansial ini adalah : 1. Umur ekonomis pabrik ditetapkan selama 11 tahun, 1 tahun pertama merupakan masa persiapan dan konstruksi, sedangkan 10 tahun berikutnya adalah periode produksi. Operasi pada tahun ke-1 sampai dengan tahun ke-10 tetap. 2. Harga-harga yang digunakan adalah harga pada bulan Juni 2007 dan diasumsikan konstan selama periode pengkajian. 3. Dalam satu tahun ditetapkan sebanyak 240 hari kerja dan setiap hari digunakan satu batch 4. Harga bahan baku dan produk tidak mengalami kenaikan 5. Digunakan kurs mata uang dollar Amerika (US$) terhadap rupiah Rp9 000,- 6. Besarnya biaya penyusutan dihitung dengan metoda garis lurus (straight line method). 7. Pajak Penghasilan dihitung berdasarkan pada UU No. 10 tahun 1994 adalah 10% untuk pendapatan 10 juta pertama, 40% untuk pendapatan sampai dengan 40 juta pertama dan 30% untuk pendapatan lebih dari 40 juta pertama.

80 162 Biaya Investasi Biaya investasi adalah biaya-biaya yang dikeluarkan untuk keperluan suatu investasi. Dalam analisis pendirian industri pelumas dasar dari minyak jarak pagar ini, biaya yang dikeluarkan meliputi hal-hal di bawah ini : Modal Tetap. Modal tetap merupakan modal awal yang dikeluarkan untuk pembelian barang-barang, yaitu berupa tanah, bangunan dan infrastrukturnya, peralatan, pemasangan alat, alat instrumentasi dan kontrol, sistem pemipaan, peralatan listrik, dan fasilitas lainnya. Total investasi meliputi Investasi Langsung yaitu biaya pembelian peralatan, pemasangan alat, alat instrumentasi dan kontrol, sistem pemipaan, peralatan listrik, pembelian tanah, bangunan dan fasilitas lain. Biaya investasi tidak langsung meliputi engineering dan supervisi, biaya konstruksi dan kontingensi. Besarnya Modal Tetap adalah sebesar Rp ,- Modal Kerja. Modal kerja menunjukkan modal awal yang dibutuhkan untuk menjalankan pabrik sesuai dengan rencana produksi, antara lain uang muka, biaya tenaga kerja, biaya bahan baku, biaya overhead. Besarnya Modal Kerja adalah sebesar Rp ,- Dana investasi untuk proyek ini tidak sepenuhnya berasal dari modal sendiri, tetapi memanfaatkan pinjaman bank. Angsuran pinjaman diasumsikan sama untuk setiap tahunnya dan dibayar selama 6 tahun. Besarnya pinjaman ke bank adalah Rp ,- dan besarnya modal sendiri adalah Rp ,- Biaya Produksi Biaya produksi setiap tahun meliputi biaya produksi langsung, biaya produksi tidak langsung, biaya produksi tetap dan general expense. Biaya produksi langsung meliputi biaya bahan baku, tenaga kerja, supervisi, pemeliharaan, plant supplies, utilitas. Biaya produksi tidak langsung meliputi payroll overhead, biaya laboratorium, pengeluaran pabrik, dan biaya pengemasan. Biaya produksi tetap meliputi pajak bumi dan bangunan,

81 163 asuransi, dan depresiasi. General expense meliputi biaya administrasi, biaya penjualan, riset dan pengembangan, bunga dan cicilan bank. Depresiasi atau penyusutan adalah penurunan nilai dari suatu benda akibat dari pertambahan umur pemakaian. Hal yang mengakibatkan penyusutan antara lain adalah adanya bagian yang rusak atau aus karena lamanya pemakaian sehingga benda tersebut tidak berfungsi semaksimal tahun-tahun awal pemakaian. Penyusutan dihitung sebagai biaya tetap menggunakan garis lurus. Biaya overhead tetap meliputi biaya tenaga kerja tidak langsung, asuransi dan biaya pemeliharaan Biaya produksi tidak tetap adalah biaya yang jumlahnya berubah, tergantung pada volume penjualan. Biaya ini meliputi biaya pemakaian bahan baku, biaya tenaga kerja langsung, biaya angkut, dan biaya overhead. Biaya tidak tetap meliputi elemen-elemen biaya bahan baku dan tenaga kerja. Harga penjualan produk Harga jual asetilasi poliol diestimasi dari harga pelumas dasar ester sintetis dipasaran dan dalam kajian ini ditetapkan dengan harga Rp80 000,-/kg. Perhitungan penetapan harga pelumas dasar berdasarkan pada harga produk yang akan digunakan sebagai campuran dengan petroleum (misal parafinik dengan harga Rp10 000,-/kg). Penggunaan campuran pelumas dasar minyak jarak pagar dan pelumas komersial adalah 1: 4 (volume) Proyeksi Laba-Rugi Proyeksi laba-rugi berguna untuk menggambarkan jumlah keuangan pada perioda tertentu selama umur industri. Perhitungan laba rugi untuk industri pelumas dasar minyak jarak pagar kapasitas optimum diuraikan pada Lampiran 23 (L23.1). Laba bersih tetap karena kapasitas produksi tetap pada kapasitas optimum selama 10 th. Angsuran pinjaman yang harus dilunasi selama enam tahun turut menpengaruhi pendapatan bersih dari proyek ini. Setelah tahun ke-7 laba bersih menjadi stabil. Hal ini dipengaruhi oleh angsuran pinjaman yang telah selesai masa pembayarannya. Pajak penghasilan dikenakan mulai tahun pertama. Pengenaan pajak dilakukan apabila laba kotor (laba sebelum pajak) dalam perioda tahunan pada proyek telah

82 164 memperoleh keuntungan (bernilai positif). Pajak Penghasilan dihitung berdasarkan pada UU No. 10 tahun 1994 adalah 10% untuk pendapatan 10 juta pertama, 40% untuk pendapatan sampai dengan 40 juta pertama dan 30% untuk pendapatan lebih dari 40 juta pertama. Arus Kas Penerimaan dan Pengeluaran (Cash Flow). Arus kas adalah penerimaan dan pengeluaran kas tahunan yang menunjukkan transaksi uang tunai yang berlangsung selama periode kajian. Arus kas masuk meliputi laba bersih, nilai penyusutan dan nilai sisa modal tetap. Proyeksi arus kas dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.2.). Kriteria Investasi Berdasarkan arus kas proyek yang telah dibuat, maka kriteria penilaian investasi dapat ditentukan, yang meliputi penilaian Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR), Net Benefit Cost (Net B/C), dan Payback Period (PBP). Net Present Value (NPV). Merupakan selisih antara present value arus keuntungan dengan present value arus biaya, merupakan nilai sejumlah uang saat ini, keuntungan atau net cash flow yang akan diterima pada masa yang akan datang. Apabila NPV 0, maka proyek dapat dijalankan, jika NPV 0, maka proyek ditolak, berarti proyek tersebut mengembalikan persis seperti modal. Besarnya NPV adalah Rp ,- (Lampiran 23 (L23.3.)). Internal Rate of Return (IRR). Merupakan tingkat keuntungan senyatanya yang akan diperoleh investor dari investasi proyek mereka. Merupakan discount rate social (i) yang membuat NPV proyek sama dengan nol. Jika IRR I, maka proyek layak untuk dijalankan. Besarnya IRR adalah 25.09% dan perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.3.). Net Benefit Cost (Net B/C). Merupakan angka perbandingan antara jumlah present value yang positif (sebagai pembilang) dengan jumlah present value yang negatif (sebagai

83 165 penyebut). Besarnya Net B/C adalah 1.36, dan perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.3). Payback Period (PBP). Metoda Payback Period memberikan gambaran pada investor seberapa cepat proyek ini mengembalikan investasi yang tertanam. Satuan yang digunakan adalah waktu. Semakin pendek PBP, proyek menjadi semakin menarik. Besarnya PBP adalah 3.62 tahun dan perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 23 (L23.3.). Hasil Analisis sensitifitas Hasil analisis sensitifitas menunjukkan bahwa harga bahan pembantu dan harga jual produk merupakan parameter yang sangat berpengaruh terhadap hasil analisis kelayakan finansial pada rancangan proses yang dipilih. Hasil perhitungan dapat dlihat pada Lampiran 23 (L23.4.). Berdasarkan hasil analisis kelayakan finansial dan analisis sensitivitas, maka jalur proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi dinyatakan layak secara financial. Kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar Berdasarkan hasil karakterisasi, identifikasi, dan uji kinerja produk, serta simulasi proses, maka jalur proses modifikasi minyak jarak pagar melalui epoksidasi, hidroksilasi, dan esterifikasi dinyatakan layak secara teknis untuk menghasilkan produk yang bisa digunakan sebagai pelumas dasar dengan karakteristik sesuai dengan yang diinginkan. Berdasarkan kriteria kelayakan analisis finansial dan analisis sensitivitas, jalur proses yang dipilih dinyatakan layak secara finansial untuk diproduksi skala optimum.