PENGGUNAAN KATALIS ABU SEKAM PADI PADA REAKSI TRANSESTERIFIKASI MINYAK BIJI KAPUK (Ceiba Pentranda) MENJADI BIODIESEL Zahra Fona 1 *, Sariadi 1, Budiara Pahlawan 2 1 2 Alumni Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Lhokseumawe *Email: zahrafona@yahoo.com ABSTRAK Penelitian tentang penggunaan katalis abu sekam padi pada reaksi transesterifikasi minyak biji kapuk menjadi biodiesel telah dilakukan. Tujuan penelitian adalah menentukan pengaruh katalis abu sekam padi terhadap yield dan kualitas biodiesel dari minyak biji kapuk. Reaksi esterifikasi menggunakan metanol dengan rasio 6:1 dengan penambahan H 2 SO 4 sebanyak 1% dari berat minyak. Selanjutnya pada reaksi transesterifikasi, ester direaksikan dengan metanol pada perbandingan 1: 6, dan penambahan katalis dengan variasi 2%, 7% dan 12%. Temperatur reaksi 65 o C dengan waktu reaksi 1 jam, 2 jam, dan 3 jam. Hasil penelitian menunjukkan penggunaan katalis abu sekam padi sebanyak 7%, waktu reaksi 2 jam memberikan yield terbesar yaitu 83%. Penambahan waktu reaksi sampai 3 jam tidak memberikan pengaruh signifikan terhadap yield biodiesel. Densitas dan viskositas biodiesel, yaitu berturut-turut 0,86 g/ml, dan 2,45 mm 2, sudah memenuhi standar SNI. Berdasarkan uji nilai kalor, biodiesel dari penelitian ini belum memenuhi standar SNI-04-7128-2006. Kata kunci: Biodiesel, minyak biji kapuk, abu sekam padi, esterifikasi, transesterifikasi. ABSTRACT Research on the application of rice husk ash as the catalyst in the biodiesel production from cotton seed oil has been performed. It aimed to determine the effect of the catalyst concentration and the temperature of transesterification reaction on the yield and quality of biodiesel. The esterification of cotton seed oil was carried out by reacting methanol and oil with the ratio 6:1 with the addition of 1% H 2 SO 4 of the oil mass (v/w). Ester resulting from the esterification reaction proceed in the transesterification step. Where in this process, oil and methanol in the ratio of 1:6 was reacted and 2%, 7% and 12% rice husk ash catalyst was added. The reaction time 1 hour, 2 hours and 3 hours and temperature of 65 o C were applied. Finally, the result showed that the highest yield of biodiesel was obtained using 7% rice husk ash catalyst with 2 hours of reaction time. More reaction time did not significantly influent the yield of the biodiesel. According to the characteristics, particularly viscosity and density of the biodiesel, it was in accordance with the SNI, where 0,86 g / ml, 2.45 mm 2 were achieved. On the other hand, caloric value of the biodiesel did not meet the SNI-04-7128-2006. Keywords: Biodiesel, cotton seed, rice husk ash, esterification and transesterification. 1
PENDAHULUAN Biodiesel telah menjadi topik penelitian sejak lama karena memiliki potensi besar sebagai alternatif bahan bakar BBM. Penelitian tentang pembuatan biodiesel dari berbagai sumber bahan alam telah banyak dilakukan. Metode dan variasi berbagai katalis juga telah banyak dilakukan. Namun demikian, metode yang efektif memproduksi biodisel masih menjadi pertimbangan untuk memproduksi secara besar-besaran, disamping ketergantungan pada energi fosil yang belum sepenuhnya tergantikan. Beberapa minyak nabati seperti minyak biji canola, minyak biji karet, minyak biji bunga matahari, minyak sawit, minyak jelantah, minyak biji kapas dan lain-lain dapat digunakan sebagai bahan baku biodiesel (Prihandana dkk., 2006; Farid, 2010; Vicente, dkk., 2005; Lee dkk., 2007; Ramadhas, 2005). Pada penelitian ini minyak biji kapuk (Ceiba Pentandra) digunakan sebagai bahan baku pembuatan biodiesel. Pembuatan biodiesel dilakukan dengan metode esterifikasi dan transesterifikasi. Transesterifikasi adalah reaksi minyak tanaman (trigliserida) dengan alkohol menggunakan katalis asam atau basa sehingga menghasilkan biodiesel dan gliserol. Pada proses transesterifikasi, katalis homogen yang sering digunakan adalah NaOH, KOH dan H 2 SO 4. Penggunaan katalis homogen dalam proses pembuatan biodiesel memiliki beberapa kerugian, diantaranya katalis tersebut tidak dapat digunakan kembali atau tidak dapat diregenerasi kembali, karena katalis bercampur dengan minyak dan methanol, maka dalam proses pemisahan katalis dari produk lebih kompleks. Penggunaan katalis ini juga tidak ramah lingkungan karena membutuhkan banyak air untuk proses pemisahannya. Berdasarkan kenyataan diatas maka dikembangkan penggunaan katalis padat (solid catalyst) dalam proses produksi biodiesel. Beberapa penelitian tentang pembuatan biodiesel menggunakan katalis padat telah dilakukan oleh Mulyani (2011) yang menggunakan abu sekam padi sebagai katalis dalam pembuatan biodiesel dari ampas kopi. Yield biodiesel yang diperoleh dalam penelitian tersebut adalah 49,18%. Pada penelitian reaksi tansesterifikasi stearin menjadi biodiesel menggunakan katalis abu serbuk batang kelapa oleh B. Haryanto (2005) diperoleh yield sebanyak 76%. Pada tahun 2006, Susilowati melakukan penelitian pembuatan biodiesel dari minyak biji kapuk dengan katalis zeolit, diperoleh yield sebanyak 1,76%. Reaksi transesterifikasi minyak biji kapuk menghasilkan biodiesel dengan katalis CaO telah dilakukan oleh N. Santoso, dkk (2011). Pad a penelitian tersebut, katalis CaO yang digunakan sebanyak 7% dari berat minyak dengan perolehan rendemen 88,62%. Berdasarkan literatur tersebut, katalis padat lebih disukai karena beberapa kelebihan yang telah disebutkan sebelumnya. Pada penelitian ini abu sekam padi digunakan sebagai katalis pada reaksi transesterifikasi minyak biji kapuk menjadi biodiesel. Abu sekam padi merupakan limbah dari pabrik penggilingan padi yang kurang dimanfaatkan sehingga merupakan katalis yang murah dan mudah didapatkan di Aceh Utara. 2
Biodiesel atau metil ester dari minyak biji kapuk memiliki sifat yang mendekati minyak solar ditinjau dari viskositas, titik nyala, dan angka cetane. Oleh karena itu, biodiesel dari minyak biji kapuk berpotensi menggantikan minyak solar sebagai bahan bakar mesin diesel. Sesuai penelitian R.Handoyono, dkk (2007), dengan emisi CO, HC, dan NO x yang lebih kecil dibandingkan dengan emisi minyak solar. Pada penelitian ini diuji pengaruh persentase katalis abu sekam padi terhadap yield dan kualitas biodiesel. Selain itu, waktu reaksi transesterifikasi juga divariasikan untuk mendapatkan waktu yang optimal menghasilkan biodiesel. METODE PENELITIAN Bahan dan Alat Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah biji kapuk yang diambil dari perkebunan masyarakat di Aceh Utara. Metanol, etanol, H 2 SO 4, H 3 PO 4, dan aquades diperoleh dari Laboratorium Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe. Peralatan penelitian terdiri dari crusher, alat ekstraksi leaching, reaktor berpengaduk, alat distilasi, viscometer Oswald, dan bomb kalorimeter tipe K88890, yang terdapat di Laboratorium Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe. Variabel penelitian ini meliputi persentase katalis abu sekam padi dan waktu reaksi transesterifikasi. Persentase katalis abu sekam padi 2%, 7%, dan 12% dari berat minyak biji kapuk. Katalis abu sekam padi dikalsinasi sebelum digunakan. Reaksi transesterifikasi dilangsungkan pada temperatur 65 o C selama 1, 2, dan 3 jam. Langkah kerja penelitian adalah mula-mula ekstraksi minyak dari biji kapuk menggunakan pelarut etanol. Minyak yang diperoleh didegumming dengan penambahan H 3 PO 4. Selanjutnya minyak ditambahkan dengan metanol dengan perbandingan 6:1 serta 1% H 2 SO 4 dan direaksikan pada temperatur 65 o C selama 1 jam. Ester yang diperoleh dipisahkan dari gliserol kemudian digunakan untuk reaksi transesterifikasi dengan perbandingan minyak dengan metanol 1:6. Penambahan katalis dilakukan ke dalam reaktor dan waktu reaksi divariasikan 1, 2, dan 3 jam. Hasil reaksi berupa metil ester dianalisa. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe mulai bulan Maret sampai Juli 2014. Pada penelitian ini, biji kapuk randu ( Ceiba Pentranda) yang diambil dari kebun masyarakat di daerah Aceh Utara, diekstraksi menggunakan pelarut etanol. Minyak yang diperoleh diproses terlebih dahulu untuk menghilangkan gum. Minyak biji kapuk kemudian direaksikan secara esterifikasi dan transesterifikasi untuk menghasilkan biodiesel. Kalsinasi Abu Sekam Padi Kalsinasi merupakan suatu bentuk perlakuan panas pada suhu tinggi ( R. D. Herhady, dkk, 2007). Kalsinasi bertujuan untuk penghilangan kandungan air kristal atau inherent moisture pada abu sekam padi. Temperatur yang digunakan pada proses ini lebih tinggi dibandingkan proses pengeringan tetapi tidak melebihi temperatur leleh abu sekam padi serta tanpa penambahan reagen. Kalsinasi sering disebut juga dengan dekomposisi termal. 3
Kalsinasi abu sekam padi dilakukan pada temperatur 500 o C. Hasil kalsinasi langsung digunakan sebagai katalis pada reaksi transesterifikasi minyak biji kapuk menjadi biodiesel. Kalsinasi abu sekam padi menghasilkan silikat sebanyak 15% dari berat sekam padi. Hasil uji laboratorium menunjukkan bahwa silikat yang dihasilkan dari abu sekam padi mempunyai potensi sebagai katalis untuk reaksi perengkahan dan aromatisasi (D. Anggoro (2005). Untuk reaksi transesterifikasi minyak sawit menjadi biodiesel menggunakan katalis CaO, C. Ngamcharussrivichai, dkk (2010) juga melakukan kalsinasi CaCO 3 pada temperatur 800 o C. Temperatur kalsinasi sangat mempengaruhi sifat fisika-kimia katalis tersebut berdasarkan uji adsorpsi-desorpsi N 2, SEM, TGA, dan XRD, serta meningkatkan performan transesterifikasi dari katalis yang dihasilkan. Kalsinasi dolomit pada suhu 800 o C terbukti telah meningkatkan oksida aktif dari katalis. Ekstraksi Minyak Biji Kapuk Ekstraksi minyak dari biji kapuk dilakukan dengan menggunakan alat ekstraksi leaching. Sebanyak 5 kg bahan baku dimasukkan ke dalam alat dan 30 liter etanol sebagai pelarut. Proses ekstraksi dilakukan pada keadaan vakum pada tekanan 1,2 bar. Berdasarkan hasil ekstraksi diperoleh rendemen minyak biji kapuk 5,5%. Sedangkan menurut penelitian Berry K (1979), kandungan minyak yang terdapat pada biji kapuk sebesar 28%. Bahkan, pada penelitian I.Kristia dan R. Rachmanto (2011), didapatkan kadar minyak yang jauh lebih besar yaitu 40%. Perbedaan ini dapat disebabkan oleh beberapa hal: (1) jenis pelarut yang digunakan, (2) proses ekstraksi yang dilakukan berbeda dengan penelitian ini, (3) ukuran biji kapuk yang kurang halus, sehingga luas kontak antara bahan baku yang akan diekstrak dengan pelarut yang digunakan terlalu kecil. Sehingga pada peneltian selanjutnya perlu dicari metode ekstraksi dan pelarut yang cocok sehingga dapat dihasilkan rendemen minyak yang lebih banyak seperti yang diperlihatkan pada Tabel 1 berikut: Tabel 1. Rendemen dan Karakteristik Biodiesel Hasil Reaksi Transesterifikasi dengan berat katalis 7% dari berat minyak Viskositas Waktu Densitas (g/ml) Yield (mm 2 Nilai Kalor (kal/g) /s) Reaksi (%) (Jam) Hasil Hasil Pen Hasil Pen SNI Pen SNI SNI 1 80 0,85 2,42 5120 2 83 0,86 0,85-2,3 0,89 2,45 6,0 5129 9062 3 81 0,87 3,38 6768 4
Jenis pelarut yang digunakan kurang efektif mengikat kandungan minyak yang terdapat pada biji kapuk. Sehingga untuk penelitian selanjutnya perlu dilakukan pengayakan guna memastikan ukuran partikel serta menggunakan pelarut lain yang non polar agar minyak dapat ekstraksi dengan maksimal. Minyak biji kapuk yang dihasilkan dimurnikan menggunakan H3PO4 untuk menghilangkan getah. Proses ini disebut degumming. Minyak yang telah dimurnikan masih memiliki kandungan getah yang ditandai dengan warna minyak yang kecoklatan dan bau agak menyengat. Reaksi Esterifikasi dan Transesterifikasi Minyak yang telah dimurnikan kemudian direaksikan dengan metanol dengan perbandingan 1:6 dan menggunakan H2SO4 sebanyak 1% dari minyak. reaksi ini disebut reaksi esterifikasi. Reaksi ini akan menghasilkan ester dengan air, dimana ester yang dihasilkan akan digunakan untuk proses tranesterifikasi. Proses esterifikasi dilakukan pada temperatur 65 oc selama 1 jam dengan volume minyak yang 50 ml. Setelah 1 jam pemanasan, terbentuk dua lapisan yang berbeda densitas dan warnanya. Komponen yang terbentuk adalah air dan ester dengan warna kuning kecoklatan dan cokelat kehitaman. Komponen ester kemudian diambil dan direaksikan dengan metanol. Proses ini disebut dengan reaksi transesterifikasi. Reaksi transesterifikasi atau sering disebut dengan reaksi metanolisis adalah reaksi antara minyak dengan metanol yang akan menghasilkan metil ester dan gliserol. Yield ester yang dihasilkan dari reaksi esterifikasi adalah 80% dari minyak biji kapuk. Sehingga untuk melanjutkan ke reaksi transesterifikasi volume dan berat bahan baku utama telah berkurang. Sehingga metanol yang digunakan untuk proses transesterifikasi sebanyak 258 ml dan dengan katalis 7% yaitu 2,53 gr. Biodiesel yang dihasilkan dari proses transesterifikasi menggunakan katalis abu sekam padi adalah 30 ml (80%-83%). Menurut penelitian Nidya Santoso dan Ferdi Prandana (2011), pada pembuatan biodiesel dari minyak biji kapuk menggunakan katalis CaO, didapatkan rendemen biodiesel 88,576%. Sedangkan pada penelitian Wahyuni, dkk (2009), penggunaan abu sekam padi sebagai katalis pada reaksi transesterifikasi minyak jelantah, diperoleh biodiesel 43,44%. Lamanya reaksi juga mempengaruhi rendemen biodiesel. Namun demikian, penambahan waktu reaksi sampai 3 jam tidak berpengaruh signifikan terhadap rendemen biodiesel. Dengan kata lain, waktu reaksi 2 jam sudah memberikan rendemen biodiesel yang optimal. Hal ini sedikit berseberangan dengan penelitian C. Ngamcharussrivichai, dkk (2010), bahwa dengan waktu reaksi 3 jam didapatkan metil ester dengan yield paling banyak, yaitu sampai 98%. Pada penelitian tersebut, digunakan perbandingan mol metanol terhadap minyak 30.Sementara pada penelitian ini, perbandingan minyak dengan metanol adalah 1:6, lebih sedikit metanol yang digunakan menyebabkan reaksi lebih cepat selesai. Karakteristik biodiesel yang meliputi densitas dan viskositas 5
masing-masing telah sesuai dengan standar SNI. Densitas biodiesel yang dihasilkan dari proses transesterifikasi menggunakan 7% katalis abu sekam padi adalah 0,87 g/ml (waktu reaksi 3 jam) dan pada reaksi 2 jam adalah 0,86 g/ml, sedangkan pada waktu reaksi 1 jam, densitasnya 0,85 g/ml. Selanjutnya, viskositas biodiesel yang dihasilkan dari proses yang sama, dengan waktu reaksi 1 jam, 2 jam dan 3. SIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan yaitu penggunaan katalis abu sekam padi sebanyak 7% dan waktu reaksi transesterifikasi 2 jam memberikan rendemen dan kualitas biodisel yang optimal. Yield biodiesel maksimum diperoleh dengan perlakuan yang sama dengan di atas adalah 83%. DAFTAR PUSTAKA N.P. Frederic. (2013), Pembuatan Biodiesel dari Minyak Biji Kapok dengan Proses Esterifikasi dan Transesterifikasi. J. Teknologi Kimia dan Industri, vo.2, no.2. h. 262-266. R. Handoyo; A.A. Anggraini; S. Anwar, (2007), Biodiesel dari Minyak Biji Kapuk. J. Enjiring Pertanian, vol. V, no. 1. B. Haryanto. (2005), Abu Serbuk Batang Kelapa Sebagai Katalis Proses Esterifikasi Stearin. J. Sistem Teknik Industri, vol.6, no.5. D. D. Anggoro, (2005), Aktivitas dan Permodelan Katalis Silikat dari Abu Sekam Padi untuk Konversi Heksana. J. Reaktor, vol.9, no.1. F. Maulana, (2011), Penggunaan Katalis NaOH dalam Proses Transesterifikasi Minyak Kemiri Menjadi Biodiesel. J. Rekayasa Kimia dan Lingkungan, vol.8, no.2, h.73-78. Mulyani, (2009), Pemanfaatan Abu Sekam Padi Sebagai Katalis Pembuatan Biodiesel dari Kulit Kopi. Semarang. Ramadhas, A.S., S. Jayaraj and C. Muraleedharan, (2005), Biodiesel production from FFA rubber seed oil. New Delhi. R. D. Herhady, R.Sukarsono, dan B. Masduki, (2007), Pengaruh Suhu Kalsinasi Dalam Tungku Jenis Fluidized BED terhadap Sifat Fisis Kernel U3O8. J. Kimia Indonesia. Vol. 2 (1 ), h. 37-4. N. Santoso dan F. Ferdi. Pembuatan Biodiesel dari minyak kapuk randu (Cieba Pentandra) melalui proses tranesterifikasi dengan menggunakan CaO sebagai katalis. http://digilib.its.ac.id/its-paper- 23021130001999/23912. Diakses: 27 Desember 2014. 6
Susilowati, (2006), Biodiesel Dari Minyak Biji Kapuk Dengan Katalis Zeolit. Surabaya. J. Teknik Kimia, vol.1 no.1. Vicente, G., Martinez, M., Aracil, J, (2006), A comparative study of vegetable oils for biodiesel production in Spain. J. Energy & Fuels, 20, h. 394-398. C. Ngamcharussrivichai, P. Nunthasanti, S. Tanachai, K. Bunyakiat. (2010), Biodiesel Production through Transesterification Over Natural Calcium. J. Fuel Processing Technology 91: 1509-141. 7
8