BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Pentaeritritol adalah alkohol yang mempunyai empat gugus OH dan berbentuk kristal berwarna putih yang tidak berbau. Pentaeritritol merupakan produk intermediet, diproduksi terutama untuk sintesis alkid resin dan cat. Kegunaan pentaeritritol lainnya adalah untuk tinta, zat perekat/sealant, plasticizer, pernis, dan pelumas. Pada surface coating, penambahan pentaeritritol dapat meningkatkan viskositas, kekerasan, daya tahan, kecepatan pengeringan, dan memberikan sifat anti air. Hal tersebut menyebabkan pentaeritritol banyak digunakan di industri cat dan pernis. Cat yang mengandung pentaeritritol mempunyai kerekatan yang bagus dan tahan cuaca. Pertumbuhan industri pentaeritritol terutama disebabkan karena industri otomotif dan konstruksi yang semakin berkembang. Industri otomotif dan konstruksi membutuhkan cat dan pentaeritritol merupakan bahan baku cat. Pada tahun 2013, pentaeritritol yang digunakan sebagai bahan baku cat mencapai 37,7% dari 540.500 ton kapasitas dunia. Gambar 1.1. Kebutuhan Polipentaeritritol Berdasarkan Kegunaan Permintaan pasar terhadap pentaeritritol diprediksi mencapai 781.700 ton pada tahun 2020, dengan CAGR dari 2014 sampai 2020 sebesar 5,4%. Asia Pasifik, terutama negara yang industri otomotif dan konstruksinya sedang berkembang pesat seperti Cina, India, dan Indonesia, merupakan pasar Masudahtillah (12/333740/TK/40083) 1
pentaeritritol yang paling besar dengan kebutuhan 42,5% dari kebutuhan dunia. Di Indonesia sendiri belum terdapat pabrik pentaeritritol. Sampai saat ini, kebutuhan pentaeritritol di Indonesia dicukupi dengan mengimpor dari luar negeri. Dengan mendirikan pabrik pentaeritritol, diharapkan Indonesia dapat memenuhi sendiri kebutuhan dalam negeri dan melakukan ekspor ke negara-negara Asia Pasifik. Dengan demikian pertumbuhan ekonomi dan industri yang terkait meningkat. B. Tinjauan Pustaka Pentaeritritol adalah senyawa organik yang mempunyai lebih dari satu gugus OH (poliol). Sebagian besar produksi pentaeritritol di dunia digunakan sebagai bahan baku alkyd resin. Pentaeritritol pertama kali disintesis pada tahun 1891 oleh kimiawan berkebangsaan Jerman, Bernhard Tollens dan P. Wigand. Secara garis besar, pentaeritritol diproduksi dengan mereaksikan formaldehid dan asetaldehid dalam larutan basa alkali. Larutan basa dapat berupa NaOH, Ca(OH) 2, KOH, Ba(OH) 2, dan senyawa karbonat seperti Na 2 CO 3 dan K 2 CO 3. Namun, yang umum digunakan adalah Ca(OH) 2 dan NaOH. Beberapa reaksi samping terjadi saat sintesis pentaeritritol berlangsung dan menghasilkan produk samping, seperti dipentaeritritol dan polipentaeritritol. Hal tersebut menyebabkan banyak dilakukan modifikasi proses produksi pentaeritritol dengan tujuan memperbesar yield pentaeritritol. Akibatnya, terdapat banyak cara pembuatan pentaeritritol yang dapat dijumpai. Reaksi sintesis pentaeritritol terjadi dalam dua tahap, yaitu reaksi aldol dan reaksi Cannizzaro. 1. Crossed aldol reaction 3 CH 2 O + CH 3 CHO (HOCH 2 ) 3 C-CHO (1) Formaldehid bereaksi dengan asetaldehid membentuk trimetilol asetaldehid atau pentaeritrosa. Reaksi terjadi pada kisaran ph 10-11. Reaksi kondensasi aldol berjalan cepat pada suhu rendah. Reaksi ini dijalankan pada suhu 20-30 o C. Untuk memperbesar konversi, digunakan Masudahtillah (12/333740/TK/40083) 2
formaldehid berlebih. Formaldehid berlebih dapat berakibat dua hal. Pertama, jika terdapat formaldehid berlebih dalam alkali, akan terjadi reaksi Cannizzaro membentuk alkohol dan asam format. Adanya asam format menyebabkan ph turun dan sisa reaktan tidak dapat bereaksi lagi. Jumlah alkali harus cukup untuk membuat ph tetap tinggi, tetapi tidak sampai berlebih. Jika terdapat alkali berlebih, akan terjadi reaksi kondensasi membentuk dipentaeritritol. Kedua, jumlah formaldehid yang terlalu berlebihan dapat menyebabkan terjadinya reaksi samping antara formaldehid dan OH - dari basa membentuk metanol. 2. Reaksi Cannizzaro CH 2 O + (HOCH 2 ) 3 C-CHO + OH - (HOCH 2 ) 4 C + HCOO - (2) Trimetilol asetaldehid direduksi menjadi pentaeritritol dan formaldehid dioksidasi menjadi asam format. Reaksi terjadi pada ph 9. Reaksi Cannizzaro berjalan lambat pada suhu rendah. Oleh karena itu, suhu reaksi perlu dinaikkan setelah semua asetaldehid habis bereaksi pada tahap sebelumnya. Reaksi ini dijalankan pada suhu 40-60 o C. Kedua reaksi di atas dipengaruhi oleh suhu, ph, waktu tinggal dalam reaktor, konsentrasi dan jumlah reaktan, serta cara reaktan ditambahkan ke dalam reaktor. Reaksi sintesis pentaeritritol dihentikan jika terjadi kenaikan suhu reaksi secara spontan, larutan berwarna kuning atau kecoklatan, dan aldehid sudah habis bereaksi. Setelah keluar dari reaktor, larutan hasil reaksi dinetralkan dengan menggunakan asam, dipisahkan dari senyawa-senyawa volatil, dilakukan kristalisasi lalu filtrasi, dan pentaeritritol dipungut sebagai produk. Berikut ini adalah daftar produsen pentaeritritol dan deskripsi proses yang digunakan dalam memproduksi pentaeritritol. 1. Produsen: Hubei Yihua Chemical Industry Co., Ltd. Larutan alkali 15-50% (w/v) dan larutan asetaldehid 60-99% (w/v) ditambahkan ke dalam larutan formaldehid 10-25% (w/v) dan direaksikan pada suhu 25-45 o C. Alkali ditambahkan 2-10 menit sebelum asetaldehid. Larutan alkali berupa NaOH 30-50%. Rasio mol formaldehid: asetaldehid: Masudahtillah (12/333740/TK/40083) 3
alkali sebesar 4,2-10,2: 1: 1,05-1,25. Reaksi dijalankan selama 30-100 menit dengan tekanan operasi sebesar 0,2 MPa. Panas reaksi diambil menggunakan pendingin. Suhu akhir reaksi diatur pada kisaran 45-70 o C. Setelah reaksi, larutan dinetralkan hingga mencapai ph 5,5-6,5 dengan asam format. Yield yang diperoleh sebesar 91,1-92,4% berdasarkan konversi asetaldehid dengan konsentrasi pentaeritritol 95-99%. 2. Produsen: Celanese Corporation of America Semua reaktan (formaldehid, NaOH, dan asetaldehid) dicampur menjadi satu pada suhu 15-40 o C. Proses pencampuran dilakukan selama <2 menit. Reaksi dijalankan selama 45-240 menit pada suhu 45-75 o C. Reaksi berjalan secara adiabatis, tidak ada pendingin. Rasio mol asetaldehid: formaldehid: NaOH sebesar 1: 10-20: 1,0-1,3. Asam ditambahkan ke dalam campuran hasil reaksi setelah reaksi selesai untuk menurunkan ph menjadi 6,5-7,5. Asam yang digunakan dapat berupa asam asetat, asam format, HCl atau H 2 SO 4. Yield yang diperoleh sebesar 62,5-92% berdasarkan konversi asetaldehid. 3. Produsen: Heyden Chemical Corporation Larutan formaldehid 17-30% ditambahkan ke dalam 50% NaOH pada suhu <30 o C. Asetaldehid murni ditambahkan ke dalam campuran formaldehid-naoh sedikit demi sedikit selama selang waktu tertentu. Umpan asetaldehid dapat berupa cairan atau uap. Posisi umpan asetaldehid diatur agar berada di bawah permukaan campuran formaldehid-naoh. Rasio mol formaldehid: NaOH: asetaldehid sebesar 4,5: 1,5: 1. Setelah asetaldehid selesai ditambahkan, suhu reaksi diatur pada kisaran 20-30 o C. Panas reaksi diambil menggunakan pendingin. Reaksi dibiarkan berjalan selama 3-4 jam. Setelah reaksi dianggap selesai, suhu campuran dinaikkan hingga 60 o C selama 1-2 jam untuk menurunkan kadar aldehid menjadi 0,1%. Yield yang diperoleh sebesar 86-93% berdasarkan konversi asetaldehid. Masudahtillah (12/333740/TK/40083) 4
4. Produsen: Union Chimique Belge Formaldehid direaksikan dengan asetaldehid dalam larutan basa menggunakan katalis. Basa yang digunakan adalah senyawa hidroksida dari alkali atau alkali tanah, sedangkan katalis dapat berupa 2,2 -azo-bisisobutil nitril, cumene hidroperoksida, 1,1 -azo-bis-1-sikloheksan nitril, 2,3-butadion, dan campuran benzoil peroksida dan 2,2 -azo-bis-isobutil nitril. Suhu reaksi diatur pada kisaran 15-40 o C. Rasio mol asetaldehid: formaldehid: alkali sebesar 1: 4-5,5: 1-3 dengan katalis sebesar 0,05-5%w total aldehid. Konsentrasi pentaeritritol yang diperoleh sebesar 80-90%. Proses yang dipilih adalah proses yang sama dengan yang digunakan Hubei Yihua Chemical Industry Co., Ltd. Di antara keempat proses yang telah disebutkan, proses milik Hubei Yihua Chemical adalah yang paling baru. Ketiga proses yang lain dipatenkan pada tahun 1960 dan sebelumnya. Dikhawatirkan jika memilih proses yang lama, teknologinya tidak akan cukup mampu untuk memenuhi kapasitas pabrik yang diharapkan. Untuk memperoleh yield yang sama, waktu reaksi yang diperlukan proses Hubei Yihua Chemical lebih sedikit dibanding lainnya yang dapat mencapai lebih dari 2 jam. Pada pabrik pentaeritritol ini, umpan masuk reaktor pada suhu 25 o C dan tekanan 3 atm. Reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis sehingga dihasilkan panas reaksi. Panas tersebut diambil menggunakan pendingin di luar reaktor. Suhu reaksi dijaga agar tidak melebihi 50 o C. Rasio formaldehid: asetaldehid: NaOH yang digunakan adalah 5: 1: 1,25. Masudahtillah (12/333740/TK/40083) 5