Presentasi Tesis Studi Penggunaan Katalis Padat Pada Pembuatan Metil Ester Sulfonat (MES) Dari Metil Ester Berbasis Minyak Sawit Oleh Ariani Nrp. 2309 201 001 Pembimbing Prof. Dr. Ir. Suprapto, DEA Program Magister Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2011
1. Latar Belakang Terkait isu lingkungan, surfaktan berbasis bahan alami lebih fokus dikembangkan MES merupakan surfaktan anionik. Kelebihannya bersifat terbarukan, lebih bersih, dan ramah lingkungan. Data BPS (2009), impor surfaktan (anionik, kationik, dan nonionik) mencapai 26.76 ribu ton dengan nilai sekitar US $ 53.57 juta. Aplikasi Enhanced Oil Recovery (EOR) di pertambangan minyak bumi, maka penelitian surfaktan MES perlu dilakukan. Proses sulfonasi metil ester menjadi metil ester sulfonat telah dilakukan tanpa katalis membutuhkan waktu reaksi cukup lama (± 5 jam)
2. Tujuan penelitian Mengetahui yield dan konversi metil ester dari minyak sawit dapat menghasilkan metil ester sulfonat (MES) menggunakan beberapa jenis katalis padat pada berbagai kondisi operasi.
3. Manfaat Penelitian Memberi sumbangan pengetahuan, khususnya pengembangan metil ester menjadi metil ester sulfonat sebagai produk surfaktan yang tidak berdampak terhadap lingkungan. Memberi nilai tambah pada metil ester (biodiesel) menjadi produk surfaktan yang kebutuhannya cukup banyak. Diperoleh cara mengkonversi metil ester (biodiesel) menjadi metil ester sulfonat (surfaktan).
4. Tinjauan Pustaka Reaksi Sulfonasi Metil Ester (Tano, 2003)
Reaksi Metanolisis (Tano, 2003)
Reaksi Penetralan Dengan NaOH (Tano, 2003)
5. Surfaktan Berdasarkan jumlah konsumsi dunia : surfaktan anionik 50% surfaktan nonionik 45% surfaktan kationik 4% surfaktan amfoterik 1% (Watkins, 2001).
6. Sifat metil ester sulfonat (MES) Golongan surfaktan anionik Bermuatan negatif pada gugus hidrofiliknya Zat yang disintesis dari bahan metil ester melalui proses sulfonasi. Dihasilkan dari minyak sawit dan tallow. (MacArthur et al. 2001) MES dengan rantai C16-C18 memiliki sifat lebih baik daripada surfaktan LAS atau AS (alkohol sulfat). Uji laboratorium memperlihatkan biodegradasi MES serupa sabun, namun lebih cepat dibanding LAS.
7. Penggunaan katalis 1. Al 2 O 3 Jenis katalis ini sering diaplikasikan dalam reaksi katalitik hidrokarbon.juga pada reaksi sulfonasi (Jens Hagen, 2006) 2. CaO Sifat CaO, cocok digunakan pada kondisi asam atau basa juga mempunyai sifat mereduksi.(jens Hagen, 2006) 3. TiO 2 Jenis katalis ini tergolong logam oksida, kebanyakan bersifat asam atau basa sesuai teori Bronsted - Lawry
8. Metode Penelitian Penyiapan katalis padat Perancangan peralatan proses Trial dan running pada proses sulfonasi dengan dan tanpa katalis pada beberapa kondisi operasi, proses metanolisis serta proses penetralan Perhitungan konversi dan yield Analisa produk (kualitatif dan kuantitatif)
9. Percobaan Metil ester NaHSO 3 Proses sulfonasi Variabel : Jenis katalis : T reaksi = 90 & 105 o C ; t reaksi =3 & 4,5 jam ; rasio mol reaktan 1:1,3 1:1,5 Proses metanolisis. Metanol 35% vol. T reaksi = 55 o C t reaksi = 90 menit Proses penetralan Larutan NaOH 45% ph = 8-9 T reaksi = 40 o C Analisa MES FTIR, GC
Susunan Peralatan : Keterangan gambar : 1.motor pengaduk 2. pengaduk 3. termometer 4. refluk kondenser 5. termometer kontroller 6. head distill 7. parafin bath 8. labu leher empat 9. pengaduk turbin 10. parafin 11. pengontrol pemanas bath
10.Variabel percobaan Proses sulfonasi Jenis katalis : Al 2 O 3 ;CaO; TiO 2 Suhu reaksi : 90 & 105 o C Waktu reaksi : 3 & 4.5 jam Rasio mol reaktan : 1:1,3 1:1,5
11. Hasil yang diperoleh 11.1 Hasil analisa metil ester (bahan baku) Bahan baku yang digunakan adalah metil ester berbasis minyak sawit yang diperoleh dari pemasok di Sidoarjo. Hasil analisa metil ester GCMS ditunjukkan pada kromatogram dan tabel berikut
Tabel : Analisa metil ester minyak sawit (GCMS) Peak R.Time I.Time F. Time Area % Area Height Name Component Mr Area x Mr 1 15.740 15.700 15.842 692,615 0.13 214,124 C 13 H 26 O 2 214 0.28 2 19.215 19.158 19.342 7,176,496 1.30 2,402,660 C 15 H 30 O 2 242 3.15 3 22.068 22.017 22.183 869,059 0.16 213,470 C 17 H 32 O 2 268 0.43 4 22.548 22.283 22.833 222,787,972 40.29 22,063,134 C 17 H 34 O 2 270 108.78 5 23.818 23.750 23.917 599,965 0.11 155,871 C 18 H 36 O 2 284 0.31 6 25.096 24.717 25.192 280,145,514 50.66 20,811,090 C 19 H 36 O 2 296 149.95 7 25.284 25.192 25.408 32,681,711 5.91 9,111,348 C 19 H 38 O 2 298 17.61 8 25.482 25.408 25.625 1,301,296 0.24 242,033 C 18 H 34 O 2 282 0.68 9 26.057 25.983 26.158 666,640 0.12 188,238 C 19 H 34 O 2 294 0.35 10 27.275 27.208 27.425 594,472 0.11 124,700 C 20 H 34 O 2 306 0.34 11 27.486 27.425 27.550 1,095,316 0.20 358,841 C 21 H 40 O 2 324 0.65 12 27.787 27.708 27.883 3,143,956 0.57 1,041,445 C 21 H 42 O 2 326 1.86 13 30.170 30.092 30.250 588,259 0.10 188,687 C 23 H 46 O 2 354 0.35 14 32.378 32.308 32.458 604,132 0.10 198,147 C 25 H 50 O 2 382 0.38 552,947,403 100.00 57,313,788 285.12 Hasil diatas menunjukkan komponen terbesar : C 17 H 34 O 2 40,29%; C 19 H 36 O 2-50,66% ; C 19 H 38 O 2 5,91% dan Mr rata-rata sebesar : 285,12
11.2 Karakteristik katalis. Karakteristik katalis padat dianalisa menggunakan XRD (X Ray Difraction). Hasil analisa difraktogram disajikan pada gambar berikut. Gambar : Difraktogram katalis Al 2 O 3 Nilai peak tertinggi 71.60 cts (lampiran)
Gambar : Difraktogram katalis CaO Nilai peak tertinggi 2679.44 cts (lampiran)
Gambar : Difraktogram katalis TiO 2 Nilai peak tertinggi 1550.85 cts (lampiran) Dari sifat kristal ketiga katalis menunjukkan secara berurutan dari yang terbesar : CaO TiO 2 Al 2 O 3
11.3 Yield MES (%) Didasarkan pada hasil kromatogram GC dari MES yang terbentuk, disajikan gambar berikut :
Tabel : %Yield MES (berdasarkan pengukuran total MES terbentuk) Rasio mol reaktan 1 : 1.3 1 : 1.4 1 : 1.5 Jenis Katalis Suhu reaksi, T o C 90 105 Waktu reaksi, t jam 3 4.5 3 4.5 Blanko 13.49 15.49 12.77 12.95 Al 2 O 3 13.04 13.90 13.62 15.01 CaO 48.92 52.59 43.64 52.75 TiO 2 45.19 48.42 29.95 35.79 Blanko 12.55 12.79 12.71 13.13 Al 2 O 3 13.05 14.07 12.97 14.22 CaO 29.46 48.91 45.77 53.99 TiO 2 45.19 47.98 28.87 53.85 Blanko 13.44 13.63 14.38 14.51 Al 2 O 3 15.35 15.80 14.33 14.91 CaO 56.73 59.13 56.73 53.36 TiO 2 31.47 42.35 46.42 53.83
Tabel : %Yield MES (berdasarkan pengukuran MES palmitat terbentuk) Ratio mol reaktan 1 : 1.3 1 : 1.4 1 : 1.5 Jenis Katalis Suhu reaksi, o C 90 105 Waktu reaksi, t jam 3 4.5 3 4.5 Blanko 3.31 3.95 2.36 2.66 Al 2 O 3 2.54 3.50 3.43 4.02 CaO 14.00 16.64 7.01 13.97 TiO 2 13.19 14.68 7.05 6.19 Blanko 1.75 2.79 1.79 2.90 Al 2 O 3 2.62 3.45 2.07 3.62 CaO 6.24 13.70 13.37 15.79 TiO 2 8.48 13.19 8.61 14.76 Blanko 3.38 3.39 3.66 3.76 Al 2 O 3 4.09 4.25 3.76 3.81 CaO 12.07 12.75 12.07 20.42 TiO 2 6.43 10.11 6.59 10.19
11.4 Konversi reaksi, X A Konversi reaksi dihitung berdasarkan reaksi sulfonasi pada kondisi: Suhu reaksi : 90 & 105 o C Waktu reaksi : 3,0 ; 3,5 ; 4,0 ; 4,5 ; 5,0 jam Jenis katalis : Al 2 O 3, CaO, TiO 2 Rasio mol reaktan : 1 : 1,4 Analisa dilakukan dengan menggunakan GC, dan diperoleh dari khromatogram sebagai berikut :
Software Version : 6.2.1.0.10940104 Date : 24/06/2011 4:28:21 PM Sample : 25 Data Acquisition Time : 24/06/2011 4:00:03 PM Instrument Name : HP 5900 Channel : A Rack/Vial : 0/0 Operator : JurTeknikkimia Sample Amount : 1.000000 Dilution Factor : 1.000000 Kondisi : (CaO; ratio 1:1.4; 5.0jam; 90 o C)
Konversi reaksi, XA (T:90oC) 75.00 70.00 Konversi reaksi, XA 65.00 60.00 55.00 50.00 45.00 40.00 35.00 30.00 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Waktu reaksi, t jam Blanko, T 90oC Al2O3, T 90oC CaO, T 90oC TiO2, T 90oC Grafik hubungan antara waktu reaksi vs konversi didasarkan reaksi sulfonasi T : 90 o C
Konversi reaksi, XA (T:105oC) 75.00 70.00 Konversi reaksi, XA 65.00 60.00 55.00 50.00 45.00 40.00 35.00 30.00 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Waktu reaksi, t jam Blanko, T 105oC Al2O3, T 105oC CaO, T 105oC TiO2, T 105oC Grafik hubungan antara waktu reaksi vs konversi didasarkan reaksi sulfonasi T : 105 o C
Verifikasi produk MES Rumus bangun : Analisa kualitatif digunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR) menunjukkan ikatan atau gugus yang terbentuk didalam komponen produk, yang disajikan pada spektrum dan tabel berikut :
90 %T 75 60 45 30 15 0 4000 A-1 3500 3000 2500 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 1/cm 3446.56 2921.96 2852.52 1743.53 3008.75 1639.38 1627.81 1558.38 1461.94 1440.73 1421.44 1365.51 1170.71 1236.29 1305.72 1095.49 613.32 541.96 437.81 719.40 989.41 Tabel : Hasil analisa FTIR sampel produk A-1 (Suhu reaksi sulfonasi, T = 90 o C, waktu reaksi, t = 3 jam, mol ratio reaktan 1 : 1.3, tanpa katalis)
Tabel : Hasil analisa FTIR sampel produk A-1 (Suhu reaksi sulfonasi, T = 90 o C, waktu reaksi, t = 3 jam, mol ratio reaktan 1 : 1.3, tanpa katalis) Corr. No Peak Intensity Base (H) Base (L) Area % Area Total % Wave Int. Area average 1 437.81 21.036 1.825 449.38 414.67 22.909 4.22 65.51 1,198.17 Ester 2 541.96 22.470 0.159 588.96 538.10 19.709 3.63 3 613.32 22.584 2.896 632.61 605.61 16.055 2.96 4 719.40 29.743 1.515 912.27 711.68 73.216 13.48 5 989.41 52.755 4.888 999.06 958.56 9.919 1.83 Bond component (aliphatic C-O scretching) 6 1,095.49 29.047 12.452 1,126.35 999.06 47.958 8.83 7 1,170.71 34.262 5.765 1,226.64 1,157.21 25.577 4.71 8 1,236.29 55.315 1.081 1,271.00 1,226.64 11.011 2.03 9 1,305.72 58.929 0.125 1,307.85 1,288.36 4.345 0.80 10 1,365.51 54.276 1.125 1,369.37 1,332.72 9.073 1.67 11 1,421.44 43.995 1.767 1,427.73 1,413.72 4.701 0.87 12 1,440.73 42.850 2.821 1,452.30 1,427.23 8.915 1.64 13 1,461.94 41.265 8.962 1,485.09 1,452.30 10.160 1.87 14 1,558.38 22.654 23.217 1,583.45 1,515.94 29.288 5.39 15 1,627.81 26.620 1.739 1,631.67 1,585.38 22.040 4.06 16 1,639.38 26.357 3.127 1,695.31 1,633.59 28.207 5.19 17 1,743.53 36.573 32.303 1,789.82 1,724.24 12.676 2.33 18 2,852.52 22.373 24.712 2,879.52 2,882.80 38.488 7.09 17.23 2,927.74 Carboxylic 19 2,921.96 15.334 18.636 2,948.96 2,879.52 41.580 7.66 acid (O-H 20 3,008.75 40.879 2.902 3,022.35 2,985.60 13.512 2.49 scretching) 21 3,446.56 10.064 0.213 3,542.99 3,442.70 93.732 17.26 17.26 3,446.56 SO 3 -Na 543.071 100.00
Tabel : % gugus ester atau aliphatic C-O scretching terkandung dalam produk metil ester sulfonat (MES). Ratio mol reaktan 1 : 1.3 1 : 1.4 1 : 1.5 Jenis Katalis Suhu reaksi, T o C 90 105 Waktu reaksi, t jam 3 4.5 3 4.5 Blanko 65.51 65.51 66.78 72.86 Al 2 O 3 72.87 76.71 70.86 77.42 Blanko 66.48 70.07 66.48 65.37 Al 2 O 3 74.32 71.83 74.54 87.79 Blanko 54.41 68.89 45.82 68.89 Al 2 O 3 72.55 83.21 83.11 85.57 (Sumber : Hasil analisa FTIR yang dihitung berdasarkan wave length rata rata dan % area).
Tabel : % gugus SO 3 -Na terkandung dalam produk MES Ratio mol reaktan Jenis Katalis Suhu reaksi, T o C 90 105 Waktu reaksi, t jam 3 4.5 3 4.5 1 : 1.3 1 : 1.4 1 : 1.5 Blanko 17.16 10.82 1.61 1.61 Al 2 O 3 2.51 3.30 4.94 3.11 Blanko 17.26 9.36 2.86 3.71 Al 2 O 3 12.50 1.38 9.47 8.89 Blanko 1.05 1.05 2.74 1.68 Al 2 O 3 1.05 9.18 2.74 2.98 Sumber : Hasil perhitungan spectrogram FTIR pada panjang gelombang rata rata sesuai gugus fungsi
Karakteristik produk MES : Nilai IFT terendah : 10.22 dyne / cm (Suhu reaksi 90 o C, waktu reaksi 4.5 jam, rasio mol reaktan 1 : 1.4; katalis CaO), ph MES : 8 Uji kinerja dari produk MES : Daya deterjensi terbaik sebesar 0,48 A; pada katalis CaO, suhu reaksi 90 o C, waktu reaksi 4,5 jam, rasio mol reaktan 1:1,4 Kestabilan emulsi (%) tertinggi sebesar 88,34% ; pada katalis CaO, suhu reaksi 105 o C, waktu reaksi 4,5 jam, rasio mol reaktan 1:1,5
Gambar : Produk MES (Suhu reaksi 90 o C, waktu reaksi 4.5 jam, katalis Al 2 O 3, mol ratio reaktan 1 : 1.4
Gambar : Produk MES pada berbagai variabel
Sekian & Terima kasih
L - 1 Tabel : Komposisi Asam Lemak Minyak Kelapa Sawit Asam Miristat Asam Palmitat Asam Stearat Asam Oleat Asam Linoleat Asam Lemak Jumlah (%) 1,1 2,5 40.0 46.0 3,6 4,7 30.0 45.0 7.0 11.0 (Ketaren,1986)
L - 2 Konversi reaksi dihitung menggunakan persamaan mol. metil. ester. yg. bereaksi Konversi. reaksi x100% mol. metil. ester. feed Yield metil ester sulfonat (MES) dihitung menggunakan persamaan Yield mol. MES. yg. terbentuk mol. metil. ester. feed x100 % Selektivitas MES dihitung menggunakan persamaan Selektivit as mol. MES. yg. terbentuk mol. metil. ester. yg. bereaksi x100%
L-3 : FTIR Spectroscopy Spektrum inframerah dihasilkan dari trasmisi cahaya yang melewati sampel, pengukuran intensitas cahaya dengan detektor dibandingkan dengan intensitas tanpa sampel sebagai fungsi panjang gelombang. Spektrum inframerah yang diperoleh kemudian diplot sebagai intensitas fungsi energi, panjang gelombang (μm) atau bilangan gelombang (cm -1 ) (Marcott,C, 1986). Gambar : Skema alat spektroskopi IR Gambar diatas menggambarkan skema sederhana peralatan spektroskopi IR. Bagian alat spektroskopi IR adalah (1) Sumber Inframerah, (2) Pembagi Berkas (Beam Spliter), (3) KacaPemantul, (4) Sensor Inframerah, (5) Sampel, (6) Display. Analisis gugus fungsi suatu sampel dilakukan dengan membandingkan pita absorbsi yang terbentuk pada spektrum inframerah menggunakan tabel korelasi dan menggunakan spektrum senyawa pembanding (yang sudah diketahui) (Anam, C. dkk, 2007).
L-4 Properties metil ester sulfonat (MES) A. ph (BSI, 1996) ph larutan contoh ditentukan dengan potensiometri menggunakan elektroda gelas dan ph-meter komersial. B. Tegangan permukaan (metode DuNouy) Menentukan tegangan permukaan larutan surfaktan digunakan Tensiometer du Nouy. Peralatan yang akan digunakan dibersihkan lebih dahulu. Wadah yang digunakan terbuat dari gelas dengan diameter 6 cm. C. Tegangan Antarmuka (metode DuNuoy) Metode penentuan tegangan antarmuka sama dengan pengukuran tegangan permukaan. Untuk pengukuran cairan yang mengandung dua fase yang berbeda, yaitu fase larut dalam air (aqueous) dan fase tidak larut dalam air (nonaqueous). D. Stabilitas Emulsi (modifikasi ASTM D 1436, 2000) Stabilitas emulsi diukur antara air dan xylene. Xylene dan air dicampur dengan perbandingan 6 : 4. Campuran tersebut dikocok selama 5 menit menggunakan vortex mixer. Pemisahan emulsi antar xylene dan air diukur berdasarkan lamanya pemisahan antar fasa. E. Daya Deterjensi Daya deterjensi dilakukan untuk mengetahui kemampuan surfaktan dalam membersihkan kotoran berlemak. Potongan kain putih yang digunakan berukuran seragam dan larutan pengotor dibuat dari larutan kecap 1%. Kain dimasukkan ke dalam larutan pengotor, kemudian dibiarkan selama 30 menit. Setelah diangkat, potongan kain yang telah dikotori tersebut kemudian ditiriskan selama 1 jam.
Bentuk visual dari MES yang dihasilkan