30
Susunan alat selengkapnya dapat dilihat pada gambar 3.1.
Keterangan: 1.
Tabung gas N
2
O 5. Flowmeter
2. Indikator tekanan
6. Termostat 3.
Reaktor 7. Penampung produk
4. Katalis
8. GC-TCD
3.4.2. Bahan-bahan
a. Gas N
2
b. Gas N
2
O 99,5 c.
Nitrogen cair d.
Katalis 1,5 ; 2,5 dan 3,5 Cr
2
O
3
Zeolit e.
Katalis 1,5 ; 2,5 dan 3,5 Co
3
O
4
Zeolit
3.5. Prosedur Kerja
3.5.1. Karakterisasi Katalis
a. Penentuan Sifat-sifat Permukaan Metode BET
8 1
2 7
3 4
Gambar 3.1. Rangkaian Alat Uji Aktivitas Reaksi Dekomposisi Gas N
2
O
6 5
31
Analisa diawali dengan preparasi sampel dengan memasukkan sejumlah katalis pada tempat sampel kemudian dilakukan degassing selama 3 jam
pada suhu 250
o
C dan laju alir gas N
2
5 gelembungdetik. Selanjutnya dilakukan pengukuran serta analisis sampel dengan cara adsorpsi dan
desorpsi gas N
2
pada suhu 77 K. b.
Metode Difraksi Sinar-X Sejumlah sampel dihaluskan dengan ukuran 50
μm kemudian dikeringkan pada suhu 120
o
C selama 3 jam dan ditempatkan pada plat sampel. Spektrum direkam pada daerah sudut 2
θ = 3,01
o
sampai 69,99
o
dengan interval pencatatan 0,2
o
2 θ1 detik. Kondisi pengoperasian pada 40 kV dan 30 mA
dengan radiasi CuK α λ
1
= 1,54060 Ǻ dan λ
2
= 1,54443 Ǻ.
3.5.2. Uji Aktivitas Katalis
1. Dialirkan gas nitrogen ke dalam rangkaian alat selama ± 5 menit.
2. Dimasukkan 1 gram katalis Cr
2
O
3
Zeolit yang telah dikeringkan pada suhu 200
o
C selama 2 jam ke dalam reaktor dengan konsentrasi katalis sesuai variabel.
3. Diatur suhu reaksi dalam reaktor dengan suhu sesuai variabel, hingga
dicapai suhu konstan. 4.
Dialirkan gas N
2
O ke dalam reaktor dengan laju alir sesuai variabel dan biarkan selama 30 menit.
5. Ditampung gas produk dari hasil dekomposisi gas N
2
O dalam topler selama 15 menit hingga kondisi telah dianggap steady state.
6. Dicatat persentase gas produk gas N
2
secara diskontinu sesuai hasil analisis GC-TCD.
32
7. Proses ini diulang dengan memvariasikan konsentrasi katalis, suhu reaksi
dan laju alir gas N
2
O sesuai variabel. 8.
Ulangi ketujuh langkah di atas untuk katalis
Co
3
O
4
Zeolit
.
3.6. Analisis Data
Data konstanta BET dari metode BET digunakan untuk menentukan energi adsorpsi dengan persamaan 2.21.
Data difraktogram sinar X digunakan untuk menganalisis komposisi mineral spesi oksida dalam katalis dengan persamaan 2.22 dan ukuran partikel
logam pada katalis dengan persamaan 2.24. Data khromatogram digunakan untuk menentukan konsentrasi sampel
dengan cara mensubstitusikan area sampel pada persamaan kurva standar yang telah dibuat. Data konsentrasi sampel ini dapat digunakan untuk mengetahui
pengaruh suhu reaksi, laju alir dan jenis katalis terhadap laju dengan membuat grafik hubungan antara suhu reaksi dengan laju reaksi dekomposisi gas N
2
O pada variasi laju alir gas N
2
O untuk katalis Cr
2
O
3
Zeolit dan Co
3
O
4
Zeolit. Adapun analisis laju reaksi dalam penelitian ini meliputi perhitungan laju
reaksi dekomposisi N
2
O dari hasil eksperimen data dan simulasi komputer. Perhitungan laju reaksi dari hasil eksperimen meliputi perhitungan
konversi dan laju molar gas N
2
O dari persamaan gas ideal. Persamaan-persamaan yang digunakan adalah Teraoka et al., 1998:
IN 2
OUT 2
O] [N
] [N
X =
3.1
33
T R.
F P.
F
N2O V,
N2O
= 3.2
W X
. F
r -
N2O N2O
=
3.3 Keterangan:
[N
2
O]
IN
= fraksi mol gas N
2
O sebelum reaksi, X = konversi gas N
2
O, [N
2
]
OUT
= fraksi mol gas N
2
setelah reaksi, P = tekanan total gas, atm
F
N2O
= laju molar gas N
2
O, moljam T = suhu reaksi, K
F
V,N2O
= laju volumetris gas N
2
O, Ljam W = berat katalis, g R
= tetapan gas, 0,082053L.atmmol.K -r
N2O
= laju reaksi gas N
2
O, moljamg
Perhitungan laju reaksi dari hasil simulasi komputer dilakukan dengan cara optimasi data eksperimen dan perkiraan harga tetapan-tetapan awal metode trial-
and-error terhadap persamaan model kinetika mekanisme Langmuir-
Hinshelwood, Eley-Rideal dan Power Rate Law yang telah diajukan dengan program komputer QuickBasic metode Hooke-Jeeves 4 variabel, hingga diperoleh
harga tetapan-tetapan akhir dan Sum of Square Error SSE untuk tiap model. Dasar dalam optimasi adalah minimasi fungsi SSE yang merupakan kuadrat dari
selisih antara laju hasil perhitungan komputer dengan laju hasil eksperimen. Model kinetika yang memiliki harga SSE terkecil itulah yang merupakan model
kinetika terpilih Sediawan, 1997. Penentuan persamaan tetapan-tetapan untuk model kinetika terpilih dan
tetapan laju serta orde reaksi untuk model Power Rate Law dilakukan dengan cara optimasi seperti di atas hingga diperoleh harga tetapan-tetapan akhir dan SSE
untuk tiap suhu. Tetapan-tetapan yang diperoleh digunakan untuk menentukan nilai Ea, A,
ΔH dan ΔS dengan mengubah nilai tetapan ke dalam bentuk persamaan Arrhenius dengan persamaan 2.14 dan Van’t Hoff dengan persamaan
34
2.15 yaitu dengan membuat grafik hubungan antara ln tetapan-tetapan ordinat dan 1T absis menggunakan metode regresi linear hingga diperoleh harga slope,
intersep dan rerata ralat. Dasar dalam optimasi adalah minimasi rerata ralat yang merupakan selisih antara tetapan hasil perhitungan dan tetapan hasil eksperimen
dibagi dengan tetapan hasil eksperimen. Persamaan yang memiliki harga rerata ralat kecil itulah yang dapat digunakan untuk menentukan nilai Ea, A,
ΔH dan ΔS. Adapun model kinetika yang diajukan pada penelitian ini adalah :
Model 1. Mekanisme Langmuir-Hinshelwood 1
i. Katalis Cr
2
O
3
Zeolit
1 -
1 1
k k
K =
3 -
3 3
k k
K =
ii. Katalis Co
3
O
4
Zeolit
1 -
1 1
k k
K =
3 -
3 3
k k
K =
Adsorpsi N
2
O ke permukaan katalis: Z Cr
2
O
3sf
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
k
2 1
Z Cr
3+ 2sf
+ 2 N
2
O
g
Z Cr
4+
N
2
O
- 2sf
k
2 -1
Z Cr
4+
N
2
O
- 2sf
k
2 2
Z Cr
4+
O
- 2sf
+ 2 N
2g
k
3
Z Cr
4+
O
- 2sf
Z Cr
3+ 2sf
+ O
2g
k
-3
Z Cr
2
O
3sf
+ 2 N
2
O
g
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
+ 2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
k
2 1
Z Co
2+ 2sf
+ 2 N
2
O
g
Z Co
3+
N
2
O
- 2sf
k
2 -1
Z Co
3+
N
2
O
- 2sf
k
2 2
Z Co
3+
O
- 2sf
+ 2 N
2g
k
3
Z Co
3+
O
- 2sf
Z Co
2+ 2sf
+ O
2g
k
-3
2 N
2
O
g
2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
35
-r
N2OS 2
= – k
2 1
. P
2 N2O
. θ
2 v
+ k
2 -1
. θ
2 N2O
= – k
2 1
. P
2 N2O
. θ
2 v
– θ
2 N2O
K
2 1
-r
N2OS
= – k
1
. P
N2O
. θ
v
– θ
N2O
K
1
Dalam keadaan setimbang : -r
N2OS
= 0 – k
1
. P
N2O
. θ
v
– θ
N2O
K
1
= 0 k
1
. θ
N2O
K
1
= k
1
. P
N2O
. θ
v
θ
N2O
= K
1
. P
N2O
. θ
v
Desorpsi Os dari permukaan katalis: -r O
2
= – k
3
. θ
2 O
+ k
-3
. P
O2
. θ
2 v
= – k
3
. θ
2 O
– P
O2
. θ
2 v
K
3
Dalam keadaan setimbang : -r O
2
= 0 – k
3
. θ
2 O
– P
O2
. θ
2 v
K
3
= 0 k
3
. θ
2 O
= k
3
. P
O2
. θ
2 v
K
3
θ
2 O
= 1 K
3
. P
O2
. θ
2 v
θ
O
= 1 K
12 3
. P
12 O2
. θ
v
Jumlah situs aktif katalis: 1 =
θ
v
+ θ
N2O
+ θ
O
1 = θ
v
+ K
1
. P
N2O
. θ
v
+ 1 K
12 3
. P
12 O2
. θ
v
1 = θ
v
. 1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
12 3
. P
12 O2
θ
v
= 1 1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
12 3
. P
12 O2
Seolah-olah tahap yang paling lambat adalah reaksi permukaan: -r
N2O 2
= k
2 2
. θ
2 N2O
= k
2 2
. K
2 1
. P
2 N2O
. θ
2 v
= k
2 2
. K
2 1
. P
2 N2O
1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
12 3
. P
12 O2
2
-r
N2O
= k
2
. K
1
. P
N2O
1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
12 3
. P
12 O2
3.4 Vannice et al., 1996 dan Kapteijn et al., 1997
36
Model 2. Mekanisme Langmuir-Hinshelwood 2
i. Katalis Cr
2
O
3
Zeolit
2 -
2 2
k k
K =
ii. Katalis Co
3
O
4
Zeolit
2 -
2 2
k k
K =
Desorpsi Os dari permukaan katalis: -r O
2
= – k
2
. θ
2 O
+ k
-2
. P
O2
. θ
2 v
= – k
2
. θ
2 O
– P
O2
. θ
2 v
K
2
Dalam keadaan setimbang : -r O
2
= 0 – k
2
. θ
2 O
– P
O2
. θ
2 v
K
2
= 0 k
2
. θ
2 O
= k
2
. P
O2
. θ
2 v
K
2
θ
2 O
= 1 K
2
. P
O2
. θ
2 v
θ
O
= 1 K
12 2
. P
12 O2
. θ
v
Jumlah situs aktif katalis: 1 =
θ
v
+ θ
O
1 = θ
v
+ 1 K
12 2
. P
12 O2
. θ
v
1 = θ
v
1 + 1 K
12 2
. P
12 O2
θ
v
= 1 1 + 1 K
12 2
. P
12 O2
Seolah-olah tahap yang lambat adalah adsorpsi O: -r
N2O 2
= k
2 1
. P
2 N2O
. θ
2 v
Z Cr
2
O
3sf
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
k
2 1
Z Cr
3+ 2sf
+ 2 N
2
O
g
Z Cr
4+
O
- 2sf
+ 2 N
2g
k
2
Z Cr
4+
O
- 2sf
Z Cr
3+ 2sf
+ O
2g
k
-2
2 N
2
O
g
2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
k
2 1
Z Co
2+ 2sf
+ 2 N
2
O
g
Z Co
3+
O
- 2sf
+ 2 N
2g
k
2
Z Co
3+
O
- 2sf
Z Co
2+ 2sf
+ O
2g
k
-2
2 N
2
O
g
2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
37
= k
2 1
. P
2 N2O
. 1 + 1 K
12 2
. P
12 O2
2
-r
N2O
= k
1
. P
N2O
1 + 1 K
12 2
. P
12 O2
3.5 Kapteijn et al., 1996
Model 3. Mekanisme Eley-Rideal 1
i. Katalis Cr
2
O
3
Zeolit
1 -
1 1
k k
K =
3 -
3 3
k k
K =
ii. Katalis Co
3
O
4
Zeolit
1 -
1 1
k k
K =
3 -
3 3
k k
K =
Adsorpsi N
2
O ke permukaan katalis: -r
N2OS
= – k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
-1
. θ
N2O
= – k
1
. P
N2O
. θ
v
– θ
N2O
K
1
Dalam keadaan setimbang : -r
N2OS
= 0 – k
1
. P
N2O
. θ
v
– θ
N2O
K
1
= 0 k
1
. θ
N2O
K
1
= k
1
. P
N2O
. θ
v
θ
N2O
= K
1
. P
N2O
. θ
v
Desorpsi O
2
s dari permukaan katalis: Z Cr
2
O
3sf
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
k
1
Z Cr
3+ sf
+ N
2
O
g
Z Cr
4+
N
2
O
- sf
k
-1
Z Cr
4+
N
2
O
- sf
+ N
2
O
g
k
2
Z Cr
4+
O
2 -
sf
+ 2 N
2g
k
3
Z Cr
4+
O
2 -
sf
Z Cr
3+ sf
+ O
2g
k
-3
Z Cr
2
O
3sf
+ 2 N
2
O
g
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
+ 2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
k
1
Z Co
2+ sf
+ N
2
O
g
Z Co
3+
N
2
O
- sf
k
-1
Z Co
3+
N
2
O
- sf
+ N
2
O
g
k
2
Z Co
3+
O
2 -
sf
+ 2 N
2g
k
3
Z Co
3+
O
2 -
sf
Z Co
2+ sf
+ O
2g
k
-3
2 N
2
O
g
2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
38
-r O
2
= – k
3
. θ
O2
+ k
-3
. P
O2
. θ
v
= – k
3
. θ
O2
– P
O2
. θ
v
K
3
Dalam keadaan setimbang : -r O
2
= 0 – k
3
. θ
O2
– P
O2
. θ
v
K
3
= 0 k
3
. θ
O2
= k
3
. P
O2
. θ
v
K
3
θ
O2
= 1 K
3
. P
O2
. θ
v
Jumlah situs aktif katalis: 1 =
θ
v
+ θ
N2O
+ θ
O2
1 = θ
v
+ K
1
. P
N2O
. θ
v
+ 1 K
3
. P
O2
. θ
v
1 = θ
v
. 1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
3
. P
O2
θ
v
= 1 1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
3
. P
O2
Seolah-olah tahap yang paling lambat adalah reaksi permukaan: -r
N2O
= k
2
. P
N2O
. θ
N2O
= k
2
. P
N2O
. K
1
. P
N2O
. θ
v
= k
2
. K
1
. P
2 N2O
. 1 + K
1
. P
N2O
+ 1 K
3
. P
O2
3.6 Teraoka et al., 1998
Model 4. Mekanisme Eley-Rideal 2
i. Katalis Cr
2
O
3
Zeolit
3 -
3 3
k k
K =
ii. Katalis Co
3
O
4
Zeolit
3 -
3 3
k k
K =
Z Cr
2
O
3sf
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
k
1
Z Cr
3+ sf
+ N
2
O
g
Z Cr
4+
O
- sf
+ N
2g
k
2
Z Cr
4+
O
- sf
+ N
2
O
g
Z Cr
4+
O
2 -
sf
+ N
2g
k
3
Z Cr
4+
O
2 -
sf
Z Cr
3+ sf
+ O
2g
k
-3
Z Cr
2
O
3sf
+ 2 N
2
O
g
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
+ 2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
k
1
Z Co
2+ sf
+ N
2
O
g
Z Co
3+
O
- sf
+ N
2g
k
2
Z Co
3+
O
- sf
+ N
2
O
g
Z Co
3+
O
2 -
sf
+ N
2g
k
3
Z Co
3+
O
2 -
sf
Z Co
2+ sf
+ O
2g
k
-3
2 N
2
O
g
2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
39
Adsorpsi O dan Desorpsi Os ke dan dari permukaan katalis: -r Os = – k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
Dalam keadaan tetap : - r Os = 0 – k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
= 0 k
1
. P
N2O
. θ
v
= k
2
. P
N2O
. θ
O
θ
v
= k
2
k
1
. θ
O
Adsorpsi O
2
dan Desorpsi O
2
s ke dan dari permukaan katalis: - r O
2
s = – k
2
. P
N2O
. θ
O
+ k
3
. θ
O2
– k
-3
. P
O2
. θ
v
= k
3
. θ
O2
– k
2
. P
N2O
. θ
O
– k
3
K
3
. P
O2
. k
2
k
1
. θ
O
= k
3
. θ
O2
– k
3.
{k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
}. θ
O
Dalam keadaan setimbang : - r O
2
s = 0 k
3
. θ
O2
– k
3.
{k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
. θ
O
= 0 k
3
. θ
O2
= k
3.
{k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
}. θ
O
θ
O2
= {k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
}. θ
O
Jumlah situs aktif katalis: 1 =
θ
v
+ θ
O
+ θ
O2
1 = 0 + θ
O
+ {k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
}. θ
O
1 = θ
O
. {1+ k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
} θ
O
= 1 {1+ k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
} Seolah-olah tahap yang lambat adalah adsorpsi O dan O
2
: -r
N2O
= k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
= k
1
. P
N2O
. k
2
k
1
. θ
O
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
= 2 k
2
. P
N2O
. θ
O
= 2 k
2
. P
N2O
{1+ k
2
k
3
. P
N2O
+ k
2
k
1
. K
3
. P
O2
} 3.7 Kapteijn et al., 1997
Model 5. Mekanisme Eley-Rideal 3
i. Katalis Cr
2
O
3
Zeolit Z Cr
2
O
3sf
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
k
1
Z Cr
3+ sf
+ N
2
O
g
Z Cr
4+
O
- sf
+ N
2g
k
2
Z Cr
4+
O
- sf
+ N
2
O
g
Z Cr
3+ sf
+ N
2g
+ O
2g
Z Cr
2
O
3sf
+ 2 N
2
O
g
Z Cr
3+ 2sf
+ 3 O
2- sf
+ 2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
40
ii. Katalis Co
3
O
4
Zeolit
Adsorpsi O dan Desorpsi Os ke dan dari permukaan katalis: -r Os = – k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
Dalam keadaan tetap : - r Os = 0 – k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
= 0 k
2
. P
N2O
. θ
O
= k
1
. P
N2O
. θ
v
θ
O
= k
1
k
2
. θ
v
Jumlah situs aktif katalis: 1 =
θ
v
+ θ
O
1 = θ
v
+ k
1
k
2
. θ
v
1 = θ
v
. {1 + k
1
k
2
} θv = 1 {1 + k
1
k
2
} Seolah-olah laju reaksi semua tahap adalah sama:
-r
N2O
= k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. θ
O
= k
1
. P
N2O
. θ
v
+ k
2
. P
N2O
. k
1
k
2
. θ
v
= 2 k
1
. P
N2O
. θ
v
= 2 k
1
. P
N2O
{1 + k
1
k
2
} 3.8 Kapteijn et al., 1996 dan Kapteijn et al., 1997
Model 6. Power Rate Law
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
-r
N2O
= k. P
a N2O
. P
b O2
3.9 Vannice et al., 1995 dan Kapteijn et al., 1996
Keterangan: Z
= zeolit s
= katalis Cr
2
O
3
Zeolit dan Co
3
O
4
Zeolit k
1
Z Co
2+ sf
+ N
2
O
g
Z Co
3+
O
- sf
+ N
2g
k
2
Z Co
3+
O
- sf
+ N
2
O
g
Z Co
2+ sf
+ N
2g
+ O
2g
2 N
2
O
g
2 N
2g
+ O
2g
N
2
O
g
N
2g
+ ½ O
2g
41
a, b = orde reaksi
θ
v
= fraksi penutupan katalis tak terisi molekul gas θ
O, O2 N2O
= fraksi penutupan katalis terisi molekul gas k
= tetapan laju reaksi gas N
2
O k
1, 2 3
= tetapan laju reaksi ke kanan k
-1, -2 -3
= tetapan laju reaksi ke kiri K
1,2 3
= tetapan setimbang adsorpsidesorpsi P
O2 N2O
= tekanan parsial gas r
Os, O2s N2OS
= laju reaksi gas teradsorpsi r
O2 N2O
= laju reaksi gas tidak teradsorpsi
42
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
