PEMBUATAN BIODIESEL DARI TREATED WASTE COOKING OIL (TWCO) DENGAN KATALIS ZEOLIT ALAM DAN CaO YANG BERASAL DARI CANGKANG TELUR AYAM: PENGARUH BERAT KATALIS DAN SUHU REAKSI SKRIPSI Oleh NIKE TARUNA 120405088 DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA SEPTEMBER 2016
PEMBUATAN BIODIESEL DARI TREATED WASTE COOKING OIL (TWCO) DENGAN KATALIS ZEOLIT ALAM DAN CaO YANG BERASAL DARI CANGKANG TELUR AYAM: PENGARUH BERAT KATALIS DAN SUHU REAKSI SKRIPSI Oleh NIKE TARUNA 120405088 SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA SEPTEMBER 2016
PRAKATA Puji dan syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul Pembuatan Biodiesel dari Treated Waste Cooking Oil (TWCO) dengan Katalis Zeolit Alam dan CaO yang Berasal dari Cangkang Telur Ayam: Pengaruh Berat Katalis dan Suhu Reaksi, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik. Melalui penelitian ini diperoleh hasil biodiesel dari minyak jelantah yang diberi pre-treatment menjadi treated waste cooking oil (TWCO) dengan reaksi transesterifikasi menggunakan paduan katalis heterogen zeolit alam dan CaO dari cangkang telur ayam. Selama pelaksanaan penelitian dan penulisan skripsi ini, penulis banyak memperoleh pengetahuan, arahan, dan bimbingan sehingga dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si. Selain itu, penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Tanoto Foundation atas bantuan dana beasiswa sehingga penulis mampu menyelesaikan studi tepat waktu. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, September 2016 Penulis Nike Taruna iii
DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada: 1. Orang tua tercinta, ibu Tan Hoei Siang atas kasih sayang, dukungan, dan doa yang tiada hentinya bagi penulis. 2. Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan ilmu dan arahan dalam pelaksanaan penelitian serta penyelesaian skripsi ini. 3. Ibu Ir. Renita Manurung, MT selaku Koordinator Penelitian Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 4. Bapak Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 5. Bapak Ir. Bambang Trisakti, MT dan Ibu Ir. Renita Manurung, MT yang turut memberikan arahan dan saran untuk kemajuan penelitian serta penyelesaian skripsi. 6. Seluruh staf pengajar dan pegawai Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 7. Meilia, selaku partner penelitian yang telah bekerja keras bersama penulis dalam penyelesaian penelitian ini. 8. Teman-teman mahasiswa Teknik Kimia angkatan 2012, yang telah memberikan banyak dukungan, semangat, dan membantu penyelesaian skripsi ini. 9. Rekan-rekan asisten Laboratorium Kimia Fisika, Departemen Teknik Kimia yang senantiasa memberikan dukungan dan semangat kepada penulis. 10. Seluruh staf Tanoto Foundation dan keluarga besar Tanoto Scholars Association Medan yang senantiasa memberikan dukungan dan semangat kepada penulis. iv
RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Nike Taruna NIM : 120405088 Tempat, tanggal lahir : Medan, 26 Februari 1995 Nama orang tua : Malik Halim (Alm.) dan Tan Hoei Siang Alamat orang tua : Jl. Karya Wisata Komp. Johor Indah Permai I Blok C No. 10, Medan Asal Sekolah: SD St. Ignatius Medan tahun 2000-2006 SMP Harapan Mandiri Medan tahun 2006-2009 SMA Harapan Mandiri Medan tahun 2009-2012 Pengalaman Kerja dan Organisasi: 1. Sekretaris Bidang Humas UKM Keluarga Mahasiswa Buddhis (KMB) USU tahun 2013 2. Asisten Laboratorium Kimia Fisika Departemen Teknik Kimia FT USU tahun 2014-2016 modul Kenaikan Titik Didih dan Kecepatan Reaksi 3. Bendahara Tanoto Scholars Association Medan Asosiasi Penerima Beasiswa Tanoto Foundation untuk Regional Medan periode 2015/2016 Prestasi akademik/non akademik yang pernah dicapai: 1. Penerima Beasiswa Tanoto Foundation National Champion Scholarship (Intake 2014) tahun 2014 2016 2. Peringkat 4 pada Case Study Competition Petroleum Integrated Days (PETROLIDA) 2016 in Conjunction with Asia-Pacific Student Conference (APSC) Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya (April 2016) v
ABSTRAK Biodiesel merupakan bahan bakar yang disusun oleh mono-alkil ester dari asam lemak rantai panjang yang diturunkan dari bahan baku terbarukan. Minyak jelantah merupakan bahan baku yang mudah diperoleh dan tersedia dalam jumlah besar. Penelitian ini memanfaatkan katalis heterogen. Katalis berupa paduan katalis CaO dengan zeolit alam digunakan dalam proses transesterifikasi. Limbah cangkang telur ayam dikalsinasi dengan suhu 1.000 C selama 2 jam. Zeolit alam digunakan sebagai penyangga tanpa diaktivasi. Transesterifikasi dilakukan dalam satu tahap, dimana kadar asam lemak bebas pada minyak jelantah diturunkan melalui pre-treatment menggunakan karbon aktif. Pada penelitian ini, digunakan perbandingan berat CaO terhadap zeolit alam sebesar 1 : 3. Di bawah kondisi terbaik, yield maksimum dari biodiesel adalah 87,40%, yang diperoleh dengan kondisi rasio molar TWCO : metanol sebesar 12 : 1, kecepatan pengadukan 700 rpm, waktu reaksi 3 jam, berat total katalis 8%, dan suhu reaksi 65 C. Kata kunci: Biodiesel, Kalsium Oksida, Loaded Catalyst, Treated Waste Cooking Oil, Zeolit Alam vi
ABSTRACT Biodiesel refers to type of renewable fuel composed of mono-alkyl ester of long chain fatty acid, which is typically produced by using renewable raw material. Waste cooking oil is an example of potential biodiesel resource and available in considerable quantity all over the world. This research is conducted by using heterogeneous catalyst, CaO supported by natural zeolite. CaO was derived from calcination process of waste egg shell in 1.000 C for 2 hours while natural zeolite was used without any treatment. Reaction was conducted in one step, while free fatty acid in waste cooking oil was decreased through pre-treatment step by using activated carbon. Weight ratio of CaO and natural zeolite used in this research is 1 : 3. Under the best condition, the maximum yield of 87,40%, biodiesel was obtained by using 12 : 1 molar ratio of methanol to TWCO at 65 C, for 3 hours, in the presence of 8%(wt) of loaded catalyst. Keywords: Biodiesel, Calcium Oxide, Loaded Catalyst, Treated Waste Cooking Oil, Natural Zeolite vii
DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN ii PRAKATA iii DEDIKASI iv RIWAYAT HIDUP PENULIS v ABSTRAK vi ABSTRACT vii DAFTAR ISI viii DAFTAR GAMBAR xi DAFTAR TABEL xiv DAFTAR LAMPIRAN xv DAFTAR SINGKATAN xvii DAFTAR SIMBOL xviii BAB I PENDAHULUAN 1 1.1 LATAR BELAKANG 1 1.2 PERUMUSAN MASALAH 6 1.3 TUJUAN PENELITIAN 6 1.4 MANFAAT PENELITIAN 6 1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 8 2.1 BIODIESEL 8 2.2 BAHAN BAKU 10 2.2.1 Minyak Jelantah 10 2.2.2 Zeolit 11 2.2.3 Kalsium Oksida (CaO) 12 2.3 PROSES PEMBUATAN BIODIESEL 13 2.3.1 Pre-Treatment dengan Menggunakan Karbon Aktif 13 2.3.2 Transesterifikasi 14 2.3.3 Pemurnian Biodiesel 16 viii
2.4 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI REAKSI TRANSESTERIFIKASI 18 2.4.1 Kandungan Air pada Minyak 18 2.4.2 Suhu Reaksi 18 2.4.3 Konsentrasi Katalis 18 2.4.4 Waktu Reaksi 19 2.4.5 Rasio Molar Alkohol dan Minyak 19 2.4.6 Kecepatan Pengadukan 19 2.5 ANALISIS EKONOMI 20 BAB III METODE PENELITIAN 21 3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN 21 3.2 BAHAN PERCOBAAN 21 3.3 PERALATAN PERCOBAAN 21 3.4 RANCANGAN PERCOBAAN 23 3.5 PROSEDUR PERCOBAAN 24 3.5.1 Tahap Pre-Treatment Minyak Jelantah 24 3.5.2 Tahap Persiapan Katalis 24 3.5.2.1 Persiapan Katalis Zeolit Alam 24 3.5.2.2 Persiapan Katalis CaO dari Cangkang Telur Ayam 24 3.5.3 Tahap Transesterifikasi 25 3.6 FLOWCHART PERCOBAAN 26 3.6.1 Tahap Pre-Treatment Minyak Jelantah 26 3.6.2 Tahap Persiapan Katalis 27 3.6.2.1 Persiapan Katalis Zeolit Alam 27 3.6.2.2 Persiapan Katalis CaO dari Cangkang Telur Ayam 28 3.6.3 Tahap Transesterifikasi TWCO 29 3.7 PROSEDUR ANALISIS 30 3.7.1 Analisis Gugus Fungsi 30 3.7.2 Analisis Kadar Free Fatty Acid 30 3.7.3 Analisis Kadar CaO 30 3.7.4 Analisis Morfologi dan Komposisi Unsur pada Katalis 31 3.7.5 Analisis Komposisi Bahan Baku dan Biodiesel 31 ix
3.7.6 Analisis Densitas dan Viskositas Kinematik 31 3.7.7 Analisis Titik Nyala 31 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 32 4.1 HASIL ANALISIS BAHAN BAKU 32 4.2 PRE-TREATMENT MINYAK JELANTAH 33 4.3 KATALIS ABU DARI LIMBAH CANGKANG TELUR AYAM 34 4.4 ZEOLIT ALAM 36 4.5 PADUAN KATALIS ZEOLIT ALAM/CaO 37 4.6 PROSES TRANSESTERIFIKASI 44 4.6.1 Pengaruh Berat Katalis terhadap Yield Biodiesel 44 4.6.2 Pengaruh Suhu Reaksi terhadap Yield Biodiesel 45 4.7 ANALISIS SIFAT FISIKA BIODIESEL 47 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 50 5.1 KESIMPULAN 50 5.2 SARAN 51 DAFTAR PUSTAKA 52 x
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Struktur Zeolit Alam 12 Gambar 2.2 Skema Reaksi Transesterifikasi dengan Menggunakan Metanol 14 Gambar 2.3 Tahapan Reaksi Transesterifikasi 15 Gambar 3.1 Rangkaian Peralatan Pembuatan Biodiesel dengan Proses Transesterifikasi 22 Gambar 3.2 Flowchart Percobaan Tahap Pre-Treatment Minyak Jelantah 26 Gambar 3.3 Flowchart Percobaan Tahap Persiapan Katalis Zeolit Alam 27 Gambar 3.4 Flowchart Percobaan Tahap Persiapan Katalis CaO dari Cangkang Telur Ayam 29 Gambar 3.5 Flowchart Percobaan Tahap Transesterifikasi TWCO 31 Gambar 4.1 Hasil Analisis SEM pada Cangkang Telur (a) Sebelum Kalsinasi dengan Perbesaran 2.500 Kali (b) Setelah Kalsinasi dengan Perbesaran 2.500 Kali 35 Gambar 4.2 Hasil Analisis SEM pada Zeolit Alam dengan Perbesaran 1.000 Kali 36 Gambar 4.3 Hasil Analisis FTIR Zeolit Alam Tanpa Aktivasi dan Zeolit Alam Teraktivasi 37 Gambar 4.4 Perbandingan Penggunaan Katalis CaO dan Paduan Katalis Zeolit Alam/CaO 40 Gambar 4.5 Hasil Analisis SEM (a) Zeolit Alam (b) Abu Cangkang Telur (c) Paduan Katalis Zeolit Alam/CaO dari Abu Cangkang Telur Ayam dengan Perbesaran 1.000 Kali 41 Gambar 4.6 Hasil Analisis FTIR Paduan Katalis Zeolit Alam/CaO 42 Gambar 4.7 Hasil Analisis EDX pada Paduan Katalis Zeolit Alam/CaO 43 Gambar 4.8 Hubungan antara Berat Katalis dengan Yield Biodiesel pada Kondisi Rasio Molar TWCO terhadap Metanol 1 : 12, Waktu Reaksi 3 Jam, dan Kecepatan Pengadukan 700 rpm 44 xi
Gambar 4.9 Hubungan antara Suhu Reaksi dengan Yield Biodiesel pada Kondisi Rasio TWCO terhadap Metanol 1 : 12, Waktu Reaksi 3 Jam, dan Kecepatan Pengadukan 700 rpm 46 Gambar L4.1 Hasil Analisis GC Komposisi Minyak Jelantah 71 Gambar L4.2 Hasil Analisis GC Komposisi Treated Waste Cooking Oil (TWCO) 72 Gambar L4.3 Hasil Analisis AAS Kadar CaO pada Abu Cangkang Telur Hasil Kalsinasi pada Suhu 1.000 C Selama 2 Jam 73 Gambar L4.4 Hasil Analisis SEM Morfologi Cangkang Telur Ayam dengan Perbesaran 2.500 Kali 74 Gambar L4.5 Hasil Analisis SEM Morfologi Abu Cangkang Telur Ayam Hasil Kalsinasi dengan Perbesaran 2.500 Kali 74 Gambar L4.6 Hasil Analisis SEM Morfologi Abu Cangkang Telur Ayam Hasil Kalsinasi dengan Perbesaran 24.000 Kali 75 Gambar L4.7 Hasil Analisis FTIR Zeolit Alam Tanpa Aktivasi dan Teraktivasi 76 Gambar L4.8 Hasil Analisis SEM Morfologi Zeolit Alam dengan Perbesaran 1.000 Kali 77 Gambar L4.9 Hasil Analisis FTIR Paduan Katalis Zeolit Alam dan CaO dari Limbah Cangkang Telur Ayam 78 Gambar L4.10 Hasil Analisis SEM-EDX Paduan Katalis Zeolit Alam dan CaO dari Limbah Cangkang Telur Ayam 79 Gambar L4.11 Hasil Analisis GC pada Kemurnian Biodiesel dengan Variabel Berat Katalis 8%, Rasio Molar TWCO : Metanol 1 : 12, Waktu Reaksi 3 Jam, dan Suhu Reaksi 65 C 80 Gambar L5.1 Foto Minyak Jelantah 81 Gambar L5.2 Foto Pre-Treatment Minyak Jelantah 81 Gambar L5.3 Foto Treated Waste Cooking Oil (TWCO) 81 Gambar L5.4 Foto Cangkang Telur Ayam Sebelum Kalsinasi 82 Gambar L5.5 Foto Abu Cangkang Telur Ayam Hasil Kalsinasi 82 Gambar L5.6 Foto Zeolit Alam Tanpa Aktivasi 82 Gambar L5.7 Foto Zeolit Alam Teraktivasi 83 xii
Gambar L5.8 Foto Rangkaian Peralatan Proses Transesterifikasi 83 Gambar L5.9 Foto Pemisahan Katalis dan Produk Transesterifikasi 83 Gambar L5.10 Foto Pemisahan Metil Ester dengan Corong Pemisah 84 Gambar L5.11 Foto Pencucian Biodiesel 84 Gambar L5.12 Foto Produk Akhir Biodiesel 84 Gambar L5.13 Foto Analisis Densitas Biodiesel 85 Gambar L5.14 Foto Kalibrasi Analisis Viskositas Biodiesel 85 xiii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel dari Minyak Jelantah 3 Tabel 1.2 Penelitian-penelitian Terdahulu tentang Pembuatan Biodiesel dengan Menggunakan Katalis Kalsium Oksida 4 Tabel 2.1 Standar Biodiesel Berdasarkan ASTM D 6751/09, EN 14214/03, dan Pr EN 14214/09 9 Tabel 2.2 Komposisi Asam Lemak pada Minyak Jelantah 10 Tabel 2.3 Dampak Negatif Kontaminan dalam Biodiesel 17 Tabel 3.1 Rancangan Percobaan Tahap Transesterifikasi 23 Tabel 4.1 Komposisi Asam Lemak dari Minyak Jelantah 32 Tabel 4.2 Komposisi Asam Lemak dari TWCO 33 Tabel 4.3 Komposisi Katalis Abu dari Limbah Cangkang Telur Ayam 35 Tabel 4.4 Perbandingan Karakteristik Komponen Biodiesel Menggunakan Zeolit Alam Tanpa Aktivasi dan Zeolit Alam Teraktivasi 38 Tabel 4.5 Perbandingan Karakteristik Komponen Biodiesel Menggunakan Zeolit Alam dan CaO dari Limbah Cangkang Telur Ayam sebagai Katalis Tunggal 39 Tabel 4.6 Hasil Analisis Densitas, Viskositas dan Kadar Ester pada Biodiesel 47 Tabel 4.7 Perbandingan Sifat Fisika Biodiesel Hasil Penelitian dengan Standar Biodiesel di Indonesia, Amerika Serikta, dan Eropa 48 Tabel L1.1 Komposisi Asam Lemak Minyak Jelantah 60 Tabel L1.2 Komposisi Trigliserida Minyak Jelantah 60 Tabel L1.3 Komposisi Asam Lemak Treated Waste Cooking Oil (TWCO) 61 Tabel L1.4 Komposisi Trigliserida Treated Waste Cooking Oil (TWCO) 61 Tabel L2.1 Hasil Analisis Densitas Biodiesel 63 Tabel L2.2 Hasil Analisis Viskositas Kinematik Biodiesel 64 Tabel L2.3 Data Pengaruh Berat Katalis terhadap Yield Biodiesel 65 Tabel L2.4 Data Pengaruh Suhu Reaksi terhadap Yield Biodiesel 66 xiv
DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN 1 DATA BAHAN BAKU 60 L1.1 KOMPOSISI ASAM LEMAK MINYAK JELANTAH 60 L1.2 KOMPOSISI TRIGLISERIDA MINYAK JELANTAH 60 L1.3 KOMPOSISI ASAM LEMAK TREATED WASTE COOKING OIL (TWCO) 61 L1.4 KOMPOSISI TRIGLISERIDA TREATED WASTE COOKING OIL (TWCO) 61 L1.5 KADAR FREE FATTY ACID (FFA) PADA BAHAN BAKU 62 LAMPIRAN 2 DATA PENELITIAN 63 L2.1 DATA DENSITAS BIODIESEL 63 L2.2 DATA VISKOSITAS KINEMATIK BIODIESEL 64 L2.3 DATA YIELD BIODIESEL 65 LAMPIRAN 3 CONTOH PERHITUNGAN 67 L3.1 PERHITUNGAN KADAR FREE FATTY ACID (FFA) BAHAN BAKU 67 L3.1.1 Perhitungan Kadar Free Fatty Acid (FFA) Minyak Jelantah 67 L3.1.2 Perhitungan Kadar Free Fatty Acid (FFA) Treated Waste Cooking Oil (TWCO) 67 L3.2 PERHITUNGAN KEBUTUHAN METANOL 68 L3.3 PERHITUNGAN KEBUTUHAN KATALIS 69 L3.4 PERHITUNGAN DENSITAS BIODIESEL 69 L3.5 PERHITUNGAN VISKOSITAS KINEMATIK BIODIESEL 70 xv
L3.6 PERHITUNGAN YIELD BIODIESEL 70 LAMPIRAN 4 HASIL ANALISIS 71 L4.1 HASIL ANALISIS KOMPOSISI BAHAN BAKU 71 L4.2 HASIL ANALISIS KATALIS 73 L4.2.1 Katalis CaO dari Limbah Cangkang Telur Ayam 73 L4.2.2 Penyangga Katalis dari Zeolit Alam 76 L4.2.3 Paduan Katalis Zeolit Alam dan CaO dari Limbah Cangkang Telur Ayam 78 L4.3 HASIL ANALISIS KOMPOSISI BIODIESEL 80 LAMPIRAN 5 DOKUMENTASI PENELITIAN 81 L5.1 FOTO PERSIAPAN BAHAN BAKU PENELITIAN 81 L5.2 FOTO PERSIAPAN KATALIS 82 L5.3 FOTO PROSES ESTERIFIKASI TRANSESTERIFIKASI 83 xvi
DAFTAR SINGKATAN AAS ASTM BM CaO cst DG EDX FAME FFA FTIR GC MG PXRD rpm SEM SNI TG TWCO Atomic Absorption Spectrophotometry American Standard Testing Method Berat Molekul Kalsium Oksida centistokes Digliserida Energy Dispersive X-ray Spectroscopy Fatty Acid Methyl Ester Free Fatty Acid Fourier Transform Infrared Spectroscopy Gas Chromatography Monogliserida Powder X-Ray Diffraction rotary per minute Scanning Electron Microscope Standar Nasional Indonesia Trigliserida Treated Waste Cooking Oil xvii
DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Dimensi N Normalitas larutan NaOH N V Volume larutan NaOH terpakai ml M Berat molekul asam lemak bahan baku gr/mol T Suhu C m Berat Sampel gram ρ Massa Jenis kg/m 3 sg Specific Gravity t Waktu alir s k Konstanta Alir kg/m.s 2 xviii