Optimalisasi Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan Katalis Zeolit Bentonit
OPTIMALISASI REAKSI EPOKSIDASI METIL ESTER
JARAK PAGAR DENGAN KATALIS BENTONIT
ADE ABDUL WAHID
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
2
ABSTRAK
ADE ABDUL WAHID. Optimalisasi Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan
Katalis Bentonit. Dibimbing oleh TUN TEDJA IRAWADI dan PURWANTININGSIH
SUGITA.
Jarak pagar merupakan tanaman penghasil minyak yang sangat potensial. Minyak
jarak pagar dapat dibuat menjadi metil ester (MEJP). Diversifikasi metil ester dapat
dilakukan dengan memanfaatkannya sebagai pemlastis untuk menggantikan pemlastis
dari kelompok ftalat. Pemlastis dapat dibuat dengan mengepoksidasi MEJP menggunakan
campuran asam asetat, toluena, hidrogen peroksida, dan bentonit (1, 2, 3%), lalu
dipanaskan pada suhu 50, 60, dan 70 oC dan waktu 12, 24, dan 36 jam. Senyawa epoksida
yang didapat kemudian dianalisis bilangan oksirananya dan dioptimalisasi dengan
perangkat lunak Modde 5. Setelah itu, dilakukan validasi dengan cara melakukan reaksi
epoksidasi pada kondisi optimum.
Sampel MEJP memiliki nilai bilangan oksirana dan bilangan iodin sebesar 0.04%
dan 96.15 g I/100 g sementara MEJP epoksida memiliki nilai bilangan oksirana dan
bilangan iodin berturut–turut sebesar 1.12% dan 72.22 g I/100 g. Optimalisasi dengan
menggunakan perangkat lunak Modde 5 menghasilkan keadaan optimum pada kondisi
waktu 36 jam, suhu 70 oC, dan konsentrasi bentonit 3% dengan nilai bilangan oksirana
1.11%. Hasil validasi prediksi kondisi optimum reaksi epoksidasi tersebut menunjukkan
bahwa pada jam ke-36 diperoleh bilangan oksirana yang paling tinggi. Hasil ini diperkuat
dengan spektrum FTIR yang menunjukan kenaikan transmitans pada gugus C=C.
ABSTRACT
ADE ABDUL WAHID. Optimalization of Methyl Ester Epoxidation Reaction Using
Bentonite Catalyst. Supervised by TUN TEDJA IRAWADI and PURWANTININGSIH
SUGITA.
Jatropha curcas L. is very potential oil–producing plant. Jatrophas oil can be
converted into methyl ester (JME). Methyl ester diversification can be performed by
using it as a plasticizer to substitute plasticizer from phtalate group. Plasticizer can be
produced by epoxidizing JME with a mixture of acetic acid, toluene, hydrogen peroxide,
and bentonite (1, 2, and 3%) and then heat it at 50, 60, and 70 oC for 12, 24, and 36 hours.
The epoxide produced can be later analyzed for its oxirane number and optimized with
Modde 5 software. Validation can be subsequently performed by epoxidation on the
optimum condition.
The JME sample had oxirane and iodine numbers of 0.04% and 96.15 g I/100 g,
while the JME epoxide had oxirane and iodine number of 1.12% and 72.22 g I/100 g,
respectively. Optimization using Modde 5 software gave optimum condition at 36 hours,
and 70 oC, with bentonite concentration of 3%, resulting oxirane number of 1.11%. The
validation result of that epoxidations optimum condition showed that the highest oxirane
number was obtained after 36 hours. This result was confirmed with the fourier transform
infrared spectrum showing transmitance increase of C=C functional group.
3
OPTIMALISASI REAKSI EPOKSIDASI METIL ESTER
JARAK PAGAR DENGAN KATALIS BENTONIT
ADE ABDUL WAHID
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
4
: Optimalisasi Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan Katalis
Bentonit.
Nama : Ade Abdul Wahid
NIM : G44202037
Judul
Menyetujui:
Pembimbing I
Pembimbing II
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS
NIP 130 536 664
Dr. Purwantiningsih Sugita, MS
NIP 131 779 513
Mengetahui:
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS
NIP 131 473 999
5
PRAKATA
Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya
Penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Karya ilmiah ini berjudul Optimalisasi
Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan Katalis Bentonit yang dilaksanakan
pada bulan April 2006 sampai dengan April 2007 di Laboratorium Kimia Organik dan
Kimia Fisik IPB.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu
terselesaikannya karya ilmiah ini, di antaranya Ibu Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS
dan Ibu Dr. Purwantiningsih Sugita, MS selaku pembimbing yang telah banyak
memberikan masukan dan pengarahan kepada penulis, juga kepada Bapak Drs. Ahmad
Sjahriza dan Ibu Henny Purwaningsih, MSi serta Kak Budi Arifin, SSi, atas diskusidiskusi berharga yang berkaitan dengan penelitian ini. Penulis juga mengucapkan terima
kasih kepada Program Hibah Kompetisi A2 selaku penyedia dana. Tidak lupa pula
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Pak Sabur, Ibu Yeni, Ibu Aah, dan temanteman seperjuangan: Wahyu, Joko, Tedi, dan Tria serta rekan-rekan satu Laboratorium
Tuti, Rida, Steven, Obie, Tri, Tesar, Budhi, Amel dan Marudut. Ungkapan terima kasih
juga Penulis haturkan kepada Bapak, Mamah, keluarga, kimia 39 serta teman-teman
Badepoel atas doa dan semangat yang diberikan.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Juni 2007
Ade Abdul Wahid
6
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Garut pada tanggal 9 Juli 1984 sebagai anak ketiga dari tiga
bersaudara dari pasangan Endang Sudjana dan Enung Nurjannah. Tahun 2002, Penulis
lulus dari SMU Negeri 1 Ujung Batu, dan pada tahun yang sama masuk Institut Pertanian
Bogor (IPB) melalui Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) pada Departemen Kimia,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, IPB. Tahun 2005, Penulis mengikuti
kegiatan Praktik Lapangan di Balai Penelitian Teknologi Karet (BPTK), dengan judul
Karakterisasi Nilai Viskositas dan Kadar Nitrogen Lateks Depolimerisasi.
Selama mengikuti perkuliahan, Penulis juga pernah menjadi asisten praktikum
Kimia Lingkungan pada tahun ajaran 2005–2006, Kimia Organik, dan Kimia Pangan
pada tahun ajaran 2006–2007.
7
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ................................................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ ix
PENDAHULUAN . ..............................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA
Jarak Pagar ..................................................................................................
Pemlastis ...................................................................................................
Epoksidasi ..................................................................................................
Katalis Bentonit ..........................................................................................
1
2
2
2
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat ...........................................................................................
Metode Penelitian .......................................................................................
2
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Bahan Baku ..................................................................................
Optimasi Reaksi Epoksidasi........................................................................
3
3
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ....................................................................................................
Saran ...........................................................................................................
5
6
DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................
6
LAMPIRAN .......................................................................................................
8
8
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Kandungan asam lemak minyak jarak pagar..........................................................................1
2 Pengaruh variasi waktu epoksidasi terhadap bilangan oksirana.............................................4
3 Pengaruh variasi suhu epoksidasi terhadap bilangan oksirana ...............................................4
4 Pengaruh variasi konsentrasi bentonit terhadap bilangan oksirana ........................................4
5 Kondisi optimum reaksi epoksidasi .......................................................................................5
6 Perubahan bilangan oksirana dan iodin selama 36 jam epoksidasi pada suhu 70 oC .............5
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Buah jarak pagar ...................................................................................................................1
2 Salah satu struktur minyak dari biji jarak pagar ....................................................................1
3 Reaksi pembukaan cincin epoksida........................................................................................2
4 Struktur bentonit.....................................................................................................................2
5 Radas epoksidasi ....................................................................................................................3
6 Reaksi pembukaan cincin oksirana ........................................................................................4
9
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Mekanisme reaksi epoksidasi.................................................................................................9
2 Bagan alir penelitian.............................................................................................................10
3 Analisis kimia minyak jarak pagar.......................................................................................11
4 Prosedur aktivasi katalis bentonit.........................................................................................12
5 Bilangan iodin dan oksirana MEJPE....................................................................................13
6 Kurva 3 dimensi hubungan suhu dan konsentrasi katalis bentonit pada berbagai waktu 12
jam (a), 24 jam (b), dan 36 jam (c) terhadap bilangan oksirana. ..........................................14
7 Kurva 3 dimensi hubungan waktu dan konsentrasi katalis bentonit pada berbagai suhu
reaksi 50 oC (a), 60 oC (b), dan 70 oC (c) terhadap bilangan oksirana..................................15
8 Kurva 3 dimensi hubungan waktu dan suhu reaksi pada berbagai konsentrasi katalis
bentonit: 1% (a), 2% (b), dan 3% (c) terhadap bilangan oksirana.. ......................................16
9 Spektrum FTIR MEJP..........................................................................................................17
10 Spektrum FTIR MEJPE dengan katalis bentonit..................................................................18
11 Kurva hubungan bilangan oksirana dan iodin terhadap waktu reaksi pada suhu 70 oC. ......19
12 Hasil uji Anova dan koefisien kuadratik. .............................................................................20
10
PENDAHULUAN
Biji jarak pagar memiliki kandungan
minyak yang tinggi. Selain itu, tanaman jarak
pagar dapat tumbuh di lahan kritis yang
kekurangan air. Selama ini, pemanfaatan
minyak jarak pagar diarahkan untuk membuat
bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan
dan terbarukan, yaitu sebagai turunan metil
esternya, atau yang lebih dikenal dengan nama
biodesel.
Metil ester jarak pagar (MEJP) dapat
dibuat melalui dua tahap, yaitu esterifikasi dan
transesterifikasi.
Esterifikasi
merupakan
proses pembentukan metil ester dari asam
lemak bebas sedangkan transesterifikasi
merupakan pembentukan metil ester dari
trigliserida. Diversifikasi produk MEJP
diperlukan
untuk
meningkatkan
nilai
tambahnya, salah satunya ialah sebagai
pemlastis.
Pemlastis dapat dibuat salah satunya
dengan reaksi epoksidasi dari minyak nabati.
Saat ini minyak nabati yang banyak
digunakan dalam industri pemlastis masih
didominasi oleh minyak biji bunga matahari,
minyak kelapa sawit, dan minyak kedelai
(Chou & Lee 1997; Supriyadi 1992; Hazimah
et al. 2000).
Reaksi epoksidasi penting dalam sintesis
senyawa organik karena epoksida yang
terbentuk merupakan zat antara yang dapat
dikonversi menjadi beraneka ragam produk
(Solomons 1980). Metode epoksidasi yang
bersih dan efisien menurut Rios (2003) adalah
dengan asam perkarboksilat, yang dapat
dipercepat dengan menggunakan katalis. Pada
penelitian ini katalis yang digunakan adalah
bentonit.
Bentonit merupakan sejenis tanah liat yang
mengandung mineral montmorilonit. Bentonit
Indonesia umumnya digunakan untuk
penjernihan minyak kelapa sawit (Soedjoko &
Adrianto 1987). Pemilihan bentonit sebagai
katalis adalah karena sifatnya yang ramah
lingkungan jika dibandingkan dengan H2SO4.
Selain itu, bentonit merupakan katalis
heterogen sehingga dapat dengan mudah
dipisahkan dari hasil reaksi.
Penelitian
ini
bertujuan
untuk
mendapatkan kondisi (suhu, waktu, dan
konsentrasi
bentonit)
optimum
untuk
menghasilkan senyawa epoksida dari MEJP.
Parameter yang diukur meliputi bilangan
oksirana dan bilangan iodin.
TINJAUAN PUSTAKA
Jarak Pagar
Jarak pagar (Jatropha curcas L.)
diklasifikasikan
ke
dalam
divisi
Spermatophyta, subdivisi Angiospermae,
kelas Dicotyledone, ordo Euphorbiales, famili
Euphorbiceae, genus Jatropha, spesies curcas
(Heyne 1987). Jarak pagar merupakan pohon
perdu yang besar dengan tinggi sekitar 2 m.
Daunnya bertekstur kasar dan bertajuk
majemuk, terutama pada pohon yang sudah
tua. Biji jarak pagar yang masih muda
berwarna hijau muda, berubah kekuningan
setelah tua, dan mencapai kadar minyak
optimum setelah menjadi kehitaman (Gambar
1).
Gambar 1 Buah jarak pagar.
Biji jarak pagar mengandung 35–45%
trigliserida, baik yang tersusun dari asam
lemak jenuh seperti asam stearat maupun
asam lemak takjenuh seperti asam oleat
maupun linoleat. Kandungan asam lemak
pada minyak jarak pagar ditampilkan pada
Tabel 1.
Gambar 2 Salah satu struktur minyak dari biji
jarak pagar (Manurung 2005).
Tabel 1 Kandungan asam lemak minyak jarak
pagar
Asam lemak
Komposisi (%)
Palmitat (16:0)
14.1–15.3
Stearat (18:0)
3.7–9.8
Oleat (18:1)
34.3–45.8
Linoleat (18:2)
29.0–44.2
Linolenat (18:3)
0–0.3
Sumber: Gubitz et al. (1998).
11
Pemlastis
Katalis Bentonit
Pemlastis merupakan bahan yang jika
ditambahkan pada polimer akan mengurangi
gaya antarmolekul dalam rantai polimer
tersebut. Dengan cara ini pemlastis
meningkatkan fleksibilitas dan pemanjangan
yang membuat polimer lebih mudah
dikerjakan (Ahmad et al. 1987). Jenis-jenis
pemlastis antara lain ftalat, adipat, trimelitat,
maleat, benzoat; minyak nabati terepoksidasi,
sulfonamida, fosfat, dan glikol atau polieter.
Pertimbangan dalam memilih pemlastis
salah satunya adalah kompatibilitas (Ahmad et
al. 1987). Kompatibilitas berkaitan dengan
kemampuan pemlastis untuk berikatan dengan
polimer. Untuk pemlastis jenis minyak nabati
terepoksidasi, kompatibilitas dapat diperbaiki
dengan
meningkatkan
kandungan
epoksidanya.
Epoksidasi
Pada dasarnya ada empat teknologi untuk
menghasilkan epoksida dari alkena (ikatan tak
jenuh C═C pada rantai asam lemak) (Rios
2003). Pertama ialah epoksidasi dengan asam
perkarboksilat. Cara ini umum digunakan
untuk industri, dan dapat dikatalisis oleh asam
atau enzim. Cara kedua ialah epoksidasi
dengan peroksida organik dan anorganik,
termasuk epoksidasi alkali dan nitril dengan
hidrogen peroksida serta epoksidasi berkatalis
logam transisi. Ketiga, epoksidasi dengan
halohidrin, menggunakan asam hipohalit
(HOX) dan garamnya sebagai medium untuk
epoksidasi alkena dengan ikatan rangkap yang
tuna elektron, dan yang keempat ialah
epoksidasi dengan molekul oksigen. Dari
keempat metodologi tersebut, yang sering
digunakan ialah metodologi pertama dan
kedua karena bersih dan efisien. Mekanisme
reaksi epoksidasi dapat dilihat pada Lampiran
1.
Banyaknya epoksida yang terbentuk dapat
diuji dengan bilangan oksirana. Penentuan
bilangan oksirana dilakukan dengan cara
titrasi langsung. Senyawa oksirana akan
bereaksi dengan HBr sebagai titran, sehingga
cincin epoksi akan terbuka dan kandungan
oksigen oksirana dapat dihitung. Reaksinya
dapat dilihat pada Gambar 3.
C
C
O
+ H
Br
C
C
OH
Br
Gambar 3 Reaksi pembukaan cincin epoksi.
Bentonit adalah tanah liat yang
mengandung mineral-mineral esensial dari
kelompok mineral liat smektit dengan sifatsifat yang ditentukan oleh mineral yang
berjumlah
paling
banyak,
yaitu
montmorilonit. Bentonit dibedakan menjadi
bentonit yang mudah mengembang dan yang
tidak dapat mengembang. Bentonit yang
mudah mengembang adalah bentonit natrium
(Na–bentonit)
yang
digunakan
dalam
pengeboran minyak dan gas bumi, dalam
industri minyak sawit, serta dalam industri
farmasi. Bentonit kalsium (Ca–bentonit) dan
bentonit magnesium (Mg–bentonit), yaitu
bentonit yang tidak dapat mengembang,
digunakan dalam industri besi baja serta
dalam industri kimia sebagai katalis, zat
pemutih, zat penyerap, dan pengisi. Nabentonit mudah mengembang apabila
mengadsorpsi air, dan dapat mencapai 15 kali
lebih besar dari volume asalnya (Sumardi
1982). Nilai pH bentonit natrium dalam air
adalah 8.5–9.8 sedangkan bentonit kalsium
adalah 4–7 (Rukiyah & Supriyatna 1991).
Bentonit memiliki kemampuan menjerap dan
mempertukarkan kation-kation, seperti K+,
Na+, Ca2+, dan Mg2+. Kemampuan itu muncul
karena adanya muatan negatif pada
permukaan spesifik mineral. Bentonit
mengandung
kurang
lebih
85%
montmorilonit, sedangkan sisanya adalah
campuran dari beberapa komponen lain
seperti beidelit dan sponit.
Gambar 4 Struktur bentonit.
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan antara lain oven,
lempeng pemanas, saringan vakum, alat-alat
kaca, dan perangkat spektrofotometer
inframerah transformasi fourier (FTIR tipe
Shimadzu 8400).
Bahan-bahan yang akan digunakan adalah
MEJP dari BPPT Serpong, katalis bentonit
12
(PT Bentonit Alam Raya Cibinong),
CH3COOH, toluena, Na2S2O3, NaHCO3, H2O2
35% (dalam air), KOH, indikator fenolftalein,
HCl 0.5 N, NaOH 0.01 N, kloroform, iodin
murni, larutan brom KI 10%, Na2S2O3 0.1 N,
larutan HBr, natrium sulfat anhidrat, dan
indikator amilum 1%.
Metode Penelitian
Tahapan yang dilakukan dalam penelitian
meliputi analisis bahan baku dan optimalisasi
reaksi epoksidasi. Analisis bahan baku
meliputi bilangan oksirana dan bilangan iodin.
Optimalisasi dilakukan dengan meragamkan
suhu dan waktu reaksi serta konsentrasi
katalis. Bagan alir penelitian dapat dilihat
pada Lampiran 2.
Analisis Bahan Baku
Analisis kimia MEJP meliputi bilangan
oksirana dan bilangan iodin. Metode
selengkapnya dapat dilihat di Lampiran 3.
Optimalisasi Reaksi Epoksidasi (modifikasi
Rios 2003)
Sebanyak 10 gram MEJP dicampur
dengan 0.8 mL asam asetat dan 2.9 mL
toluena
sebagai
pelarut,
kemudian
ditambahkan katalis bentonit (1, 2, dan 3%)
yang sebelumnya telah diaktivasi. Prosedur
aktivasi diberikan pada Lampiran 4. Setelah
itu, 5.78 gram H2O2 35% dalam air
ditambahkan tetes demi tetes dari corong
pisah sambil diaduk dengan suhu dijaga
konstan pada 50, 60, dan 70 oC dengan terus
diaduk kuat. Setelah 12, 24, dan 36 jam, fase
minyak dinetralkan dengan NaHCO3 lalu
dicuci berulang kali dengan akuades. Bilangan
oksirana, bilangan iodin, dan spektrum FTIRnya dianalisis.
Data hasil analisis bilangan oksirana dan
bilangan iodin diolah dalam perangkat lunak
Modde 5. Kondisi optimum yang diperoleh
kemudian divalidasi. Validasi dilakukan pada
kondisi konsentrasi bentonit dan suhu tetap
sedangkan
waktu
reaksi
divariasikan.
Rangkaian radas epoksidasi yang digunakan
dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Radas epoksidasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Bahan Baku
Analisis MEJP awal dilakukan untuk
mengetahui pengaruh proses epoksidasi yang
dilakukan pada penelitian ini. Hasil analisis
bilangan oksirana dan bilangan iodin berturutturut sebesar 0.04% dan 96.15 g I/100 g.
Optimalisasi Reaksi Epoksidasi
Data hasil analisis bilangan oksirana dan
bilangan iodin produk epoksidasi terdapat
pada Lampiran 5. Pengolahan data tersebut
dengan
perangkat
lunak
Modde
5.
menghasilkan kurva–kurva 3 dimensi yang
ditampilkan di Lampiran 6–8.
Kurva pada Lampiran 6 menggambarkan
hubungan suhu dengan konsentrasi bentonit
pada berbagai waktu terhadap bilangan
oksirana. Dapat disimpulkan bahwa semakin
lama epoksidasi dilakukan semakin tinggi
bilangan oksirana yang dihasilkan (Tabel 2).
Kenaikan bilangan oksirana diduga karena
akan semakin banyak waktu bagi pereaksi
untuk mengubah ikatan C=C pada MEJP
menjadi epoksida. Hasil penelitian Haya
(1991) dan Koto (1992) menyebutkan bahwa
waktu epoksidasi optimum ialah 14 jam
dengan bilangan oksirana berturut-turut
sebesar 1.90% dan 3.49%.
13
Tabel 2 Pengaruh variasi waktu reaksi
epoksidasi
terhadap
bilangan
oksirana MEJP epoksida.
Bilangan Oksirana (%)
Waktu
(Jam)
Minimum
Maksimum
0.58–0.59
12
0.43–0.45
0.82–0.85
24
0.54–0.57
1.07–1.11
36
0.64–0.68
Tabel 4 Pengaruh variasi konsentrasi bentonit
terhadap bilangan oksirana MEJP
epoksida.
[Ben]
Bilangan Oksirana (%)
(%)
Minimum
Maksimum
1.04–1.10
1
0.44–0.50
1.05–1.11
2
0.47–0.53
1.06–1.11
3
0.50–0.55
Kurva 3 dimensi hubungan waktu dengan
konsentrasi bentonit pada berbagai suhu
terhadap bilangan oksirana ditampilkan di
Lampiran 7. Dapat disimpulkan bahwa suhu
yang semakin tinggi meningkatkan bilangan
oksirana (Tabel 3). Kenaikan suhu akan
meningkatkan pengikatan oksigen pada ikatan
rangkap. Pengikatan oksigen ini sangat
berpengaruh terhadap konversi gugus
takjenuh dalam minyak menjadi senyawa
epoksi (Eckey 1954). Menurut Wood &
Termini (1958), proses epoksidasi biasanya
dilakukan pada suhu 65–75 oC. Suhu yang
lebih rendah akan memperpanjang waktu
epoksidasi dan menurunkan efisiensinya.
Sementara berdasarkan hasil penelitian Haya
(1991), proses epoksidasi pada suhu 100–105
o
C menghasilkan senyawa epoksi dengan
bilangan oksirana yang tinggi.
Bentonit merupakan katalis heterogen.
Keuntungan penggunaan katalis heterogen
yaitu, mudah dipisahkan dari hasil reaksi dan
bersifat ramah lingkungan. Nilai bilangan
oksirana jika digunakan bentonit sebagai
katalis lebih rendah dibandingkan dengan
menggunakan katalis amberlit yang memiliki
nilai 3.61% (Suharto 2007). Sementara jika
dibandingkan dengan katalis zeolit yang
memiliki nilai optimum bilangan oksirana
sebesar 0.62%, katalis bentonit menghasilkan
bilangan oksirana yang lebih tinggi (Diana
2007). Akan tetapi, jika dibandingkan dengan
katalis homogen seperti H2SO4 yang memiliki
bilangan oksirana sebesar 4.02% (Sary 2007),
epoksidasi dengan katalis bentonit kurang
berhasil. Hal ini disebabkan ion H+ dari
H2SO4 dapat bergerak bebas sehingga bekerja
lebih optimum.
Selain bilangan oksirana, parameter lain
yang dianalisis adalah bilangan iodin. Pada
kondisi optimum reaksi epoksidasi dihasilkan
bilangan iodin sebesar 72.22 g I/100 g.
Terlihat penurunan bilangan iodin dari MEJP
awal yang nilai bilangan iodinnya 96.15 g
I/100 g. Penurunan ini terjadi karena
hilangnya ikatan rangkap dan telah
terbentuknya epoksida. Epoksida yang
terbentuk mudah mengalami pembukaan
cincin
menghasilkan
bermacam-macam
produk (Gambar 6). Pembukaan cincin dapat
terjadi pada suasana asam (Campanella &
Baltanas 2005).
Tabel
Suhu
(oC)
50
60
70
3
Pengaruh variasi suhu reaksi
epoksidasi terhadap bilangan
oksirana MEJP epoksida.
Bilangan Oksirana (%)
Minimum
Maksimum
0.44–0.46
0.65–0.67
0.50–0.53
0.86–0.89
0.55–0.61
1.06–1.11
Lampiran 8 menunjukan kurva 3 dimensi
hubungan suhu dan waktu pada berbagai
konsentrasi bentonit terhadap bilangan
oksirana. Dapat disimpulkan bahwa kenaikan
konsentrasi bentonit (1–3%) cenderung tidak
berpengaruh terhadap bilangan oksirana
(Tabel 4). Konsentrasi bentonit yang
digunakan diduga terlalu kecil jika
dibandingkan dengan hasil penelitian lainnya,
misalnya yang dilakukan oleh Petrovic et al.
(2001) yang konsentrasinya mencapai 25%.
Prinsip kerja bentonit pada reaksi epoksidasi
ini adalah dengan cara menyediakan luas
permukaan dan kemasaman permukaan. Luas
permukaan dan kemasaman permukaan
bentonit dapat ditingkatkan dengan cara
aktivasi.
OH OCOCH3
CH3COOH
H2O
O
R1
C
H
C
H
R1
C C R2
H H
OH OH
R1
C
H
O
C
H
R1
C
C R2
H2
R2
H+
R2
OH OOH
H2O2
R1
C
H
C
H
R2
Gambar 6 Reaksi pembukaan cincin oksirana
(Petrovic et al. 2001).
14
Produk epoksidasi juga diidentifikasi
gugus fungsinya dengan menggunakan FTIR.
Spektrum MEJP epoksida memiliki puncakpuncak serapan yang sama seperti pada MEJP.
Adapun puncak-puncak yang dimiliki
meliputi gugus C=O ester pada 1743.5 cm-1;
gugus C=C pada 1654.8 cm-1; dan gugus C–O
pada bilangan gelombang 1018.3, 1118.6,
1168.8, 1195.8, dan 1245.9 cm-1 (Lampiran 9
& 10). Perbedaan kedua spektrum hanya pada
% transmitans (%T) C=C. MEJP memiliki %T
77% sedangkan untuk MEJPE sebesar 79%.
Kenaikan %T menandai berkurangnya jumlah
gugus C=C yang menyerap pada daerah
inframerah. Kemiripan spektrum antara MEJP
dan MEJPE diduga karena tidak semua ikatan
C=C menjadi epoksida.
Tabel 5 menunjukkan data optimum dari
tiga peubah terhadap bilangan oksirana. Nilai
ini didapat dengan menggunakan perangkat
lunak Modde 5. Kondisi optimum yang
diperoleh adalah pada waktu reaksi 36 jam,
suhu 70 oC, dan konsentrasi bentonit 3%
dengan bilangan oksirana sebesar 1.11%.
Tabel 5 Kondisi optimum reaksi epoksidasi
Validasi dilakukan pada kondisi suhu dan
konsentrasi bentonit optimum. Pengambilan
dilakukan setiap 6 jam kemudian dianalisis
bilangan oksirana dan bilangan iodinnya.
Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Tabel
6, sedangkan kurva bilangan oksirana dan
bilangan iod dapat dilihat pada Lampiran 11.
Terlihat bahwa kenaikan bilangan oksirana
diikuti dengan penurunan bilangan iodin.
Selain itu, bilangan oksirana optimum dicapai
pada waktu 36 jam, yaitu sebesar 2.37%.
Dengan demikian, prediksi kondisi optimum
yang menghasilkan bilangan oksirana
optimum dengan menggunakan perangkat
lunak Modde 5 (Tabel 5) dapat dikatakan
sahih. Namun, keterulangan nilai bilangan
oksirana masih perlu diuji kembali, dan
dilakukan dengan waktu reaksi lebih lama.
Tabel 6 Pengaruh hubungan variasi waktu
terhadap bilangan oksirana pada
suhu 70 oC
Jam Bilangan oksirana
Bilangan Iod
Ke(%)
(g I/100 g)
81.09
0
0.04
72.72
6
0.61
64.84
1.09
12
58.99
1.50
18
1.88
51.11
24
2.12
45.57
30
2.37
39.64
36
Hasil analisis keragaman atau Anova
(Lampiran 12) menghasilkan persamaan
pengaruh suhu reaksi, konsentrasi katalis
bentonit, waktu epoksidasi, dan interaksi di
antara mereka terhadap bilangan oksirana.
Persamaan yang didapat adalah
Y= 0.699511 + 0.0157278a + 0.18025b
+ 0.139994c – 0.006875ab
–0.00542496ac + 0.087725bc
dengan
= konsentrasi bentonit
a
b
= waktu reaksi
c
= suhu reaksi
ab = interaksi konsentrasi bentonit dengan
ac
waktu reaksi
bc = interaksi konsentrasi bentonit dengan
suhu reaksi
= interaksi waktu reaksi dengan suhu
reaksi
dengan nilai R2 dan Q2 berturut-turut adalah
0.654 dan 0.351 Linearitas dari optimalisasi
tergolong rendah (0.654
JARAK PAGAR DENGAN KATALIS BENTONIT
ADE ABDUL WAHID
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
2
ABSTRAK
ADE ABDUL WAHID. Optimalisasi Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan
Katalis Bentonit. Dibimbing oleh TUN TEDJA IRAWADI dan PURWANTININGSIH
SUGITA.
Jarak pagar merupakan tanaman penghasil minyak yang sangat potensial. Minyak
jarak pagar dapat dibuat menjadi metil ester (MEJP). Diversifikasi metil ester dapat
dilakukan dengan memanfaatkannya sebagai pemlastis untuk menggantikan pemlastis
dari kelompok ftalat. Pemlastis dapat dibuat dengan mengepoksidasi MEJP menggunakan
campuran asam asetat, toluena, hidrogen peroksida, dan bentonit (1, 2, 3%), lalu
dipanaskan pada suhu 50, 60, dan 70 oC dan waktu 12, 24, dan 36 jam. Senyawa epoksida
yang didapat kemudian dianalisis bilangan oksirananya dan dioptimalisasi dengan
perangkat lunak Modde 5. Setelah itu, dilakukan validasi dengan cara melakukan reaksi
epoksidasi pada kondisi optimum.
Sampel MEJP memiliki nilai bilangan oksirana dan bilangan iodin sebesar 0.04%
dan 96.15 g I/100 g sementara MEJP epoksida memiliki nilai bilangan oksirana dan
bilangan iodin berturut–turut sebesar 1.12% dan 72.22 g I/100 g. Optimalisasi dengan
menggunakan perangkat lunak Modde 5 menghasilkan keadaan optimum pada kondisi
waktu 36 jam, suhu 70 oC, dan konsentrasi bentonit 3% dengan nilai bilangan oksirana
1.11%. Hasil validasi prediksi kondisi optimum reaksi epoksidasi tersebut menunjukkan
bahwa pada jam ke-36 diperoleh bilangan oksirana yang paling tinggi. Hasil ini diperkuat
dengan spektrum FTIR yang menunjukan kenaikan transmitans pada gugus C=C.
ABSTRACT
ADE ABDUL WAHID. Optimalization of Methyl Ester Epoxidation Reaction Using
Bentonite Catalyst. Supervised by TUN TEDJA IRAWADI and PURWANTININGSIH
SUGITA.
Jatropha curcas L. is very potential oil–producing plant. Jatrophas oil can be
converted into methyl ester (JME). Methyl ester diversification can be performed by
using it as a plasticizer to substitute plasticizer from phtalate group. Plasticizer can be
produced by epoxidizing JME with a mixture of acetic acid, toluene, hydrogen peroxide,
and bentonite (1, 2, and 3%) and then heat it at 50, 60, and 70 oC for 12, 24, and 36 hours.
The epoxide produced can be later analyzed for its oxirane number and optimized with
Modde 5 software. Validation can be subsequently performed by epoxidation on the
optimum condition.
The JME sample had oxirane and iodine numbers of 0.04% and 96.15 g I/100 g,
while the JME epoxide had oxirane and iodine number of 1.12% and 72.22 g I/100 g,
respectively. Optimization using Modde 5 software gave optimum condition at 36 hours,
and 70 oC, with bentonite concentration of 3%, resulting oxirane number of 1.11%. The
validation result of that epoxidations optimum condition showed that the highest oxirane
number was obtained after 36 hours. This result was confirmed with the fourier transform
infrared spectrum showing transmitance increase of C=C functional group.
3
OPTIMALISASI REAKSI EPOKSIDASI METIL ESTER
JARAK PAGAR DENGAN KATALIS BENTONIT
ADE ABDUL WAHID
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2007
4
: Optimalisasi Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan Katalis
Bentonit.
Nama : Ade Abdul Wahid
NIM : G44202037
Judul
Menyetujui:
Pembimbing I
Pembimbing II
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS
NIP 130 536 664
Dr. Purwantiningsih Sugita, MS
NIP 131 779 513
Mengetahui:
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS
NIP 131 473 999
5
PRAKATA
Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya
Penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Karya ilmiah ini berjudul Optimalisasi
Reaksi Epoksidasi Metil Ester Jarak Pagar dengan Katalis Bentonit yang dilaksanakan
pada bulan April 2006 sampai dengan April 2007 di Laboratorium Kimia Organik dan
Kimia Fisik IPB.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu
terselesaikannya karya ilmiah ini, di antaranya Ibu Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS
dan Ibu Dr. Purwantiningsih Sugita, MS selaku pembimbing yang telah banyak
memberikan masukan dan pengarahan kepada penulis, juga kepada Bapak Drs. Ahmad
Sjahriza dan Ibu Henny Purwaningsih, MSi serta Kak Budi Arifin, SSi, atas diskusidiskusi berharga yang berkaitan dengan penelitian ini. Penulis juga mengucapkan terima
kasih kepada Program Hibah Kompetisi A2 selaku penyedia dana. Tidak lupa pula
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Pak Sabur, Ibu Yeni, Ibu Aah, dan temanteman seperjuangan: Wahyu, Joko, Tedi, dan Tria serta rekan-rekan satu Laboratorium
Tuti, Rida, Steven, Obie, Tri, Tesar, Budhi, Amel dan Marudut. Ungkapan terima kasih
juga Penulis haturkan kepada Bapak, Mamah, keluarga, kimia 39 serta teman-teman
Badepoel atas doa dan semangat yang diberikan.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Juni 2007
Ade Abdul Wahid
6
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Garut pada tanggal 9 Juli 1984 sebagai anak ketiga dari tiga
bersaudara dari pasangan Endang Sudjana dan Enung Nurjannah. Tahun 2002, Penulis
lulus dari SMU Negeri 1 Ujung Batu, dan pada tahun yang sama masuk Institut Pertanian
Bogor (IPB) melalui Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) pada Departemen Kimia,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, IPB. Tahun 2005, Penulis mengikuti
kegiatan Praktik Lapangan di Balai Penelitian Teknologi Karet (BPTK), dengan judul
Karakterisasi Nilai Viskositas dan Kadar Nitrogen Lateks Depolimerisasi.
Selama mengikuti perkuliahan, Penulis juga pernah menjadi asisten praktikum
Kimia Lingkungan pada tahun ajaran 2005–2006, Kimia Organik, dan Kimia Pangan
pada tahun ajaran 2006–2007.
7
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ................................................................................................ viii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... viii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................ ix
PENDAHULUAN . ..............................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA
Jarak Pagar ..................................................................................................
Pemlastis ...................................................................................................
Epoksidasi ..................................................................................................
Katalis Bentonit ..........................................................................................
1
2
2
2
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat ...........................................................................................
Metode Penelitian .......................................................................................
2
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Bahan Baku ..................................................................................
Optimasi Reaksi Epoksidasi........................................................................
3
3
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ....................................................................................................
Saran ...........................................................................................................
5
6
DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................
6
LAMPIRAN .......................................................................................................
8
8
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Kandungan asam lemak minyak jarak pagar..........................................................................1
2 Pengaruh variasi waktu epoksidasi terhadap bilangan oksirana.............................................4
3 Pengaruh variasi suhu epoksidasi terhadap bilangan oksirana ...............................................4
4 Pengaruh variasi konsentrasi bentonit terhadap bilangan oksirana ........................................4
5 Kondisi optimum reaksi epoksidasi .......................................................................................5
6 Perubahan bilangan oksirana dan iodin selama 36 jam epoksidasi pada suhu 70 oC .............5
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1 Buah jarak pagar ...................................................................................................................1
2 Salah satu struktur minyak dari biji jarak pagar ....................................................................1
3 Reaksi pembukaan cincin epoksida........................................................................................2
4 Struktur bentonit.....................................................................................................................2
5 Radas epoksidasi ....................................................................................................................3
6 Reaksi pembukaan cincin oksirana ........................................................................................4
9
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Mekanisme reaksi epoksidasi.................................................................................................9
2 Bagan alir penelitian.............................................................................................................10
3 Analisis kimia minyak jarak pagar.......................................................................................11
4 Prosedur aktivasi katalis bentonit.........................................................................................12
5 Bilangan iodin dan oksirana MEJPE....................................................................................13
6 Kurva 3 dimensi hubungan suhu dan konsentrasi katalis bentonit pada berbagai waktu 12
jam (a), 24 jam (b), dan 36 jam (c) terhadap bilangan oksirana. ..........................................14
7 Kurva 3 dimensi hubungan waktu dan konsentrasi katalis bentonit pada berbagai suhu
reaksi 50 oC (a), 60 oC (b), dan 70 oC (c) terhadap bilangan oksirana..................................15
8 Kurva 3 dimensi hubungan waktu dan suhu reaksi pada berbagai konsentrasi katalis
bentonit: 1% (a), 2% (b), dan 3% (c) terhadap bilangan oksirana.. ......................................16
9 Spektrum FTIR MEJP..........................................................................................................17
10 Spektrum FTIR MEJPE dengan katalis bentonit..................................................................18
11 Kurva hubungan bilangan oksirana dan iodin terhadap waktu reaksi pada suhu 70 oC. ......19
12 Hasil uji Anova dan koefisien kuadratik. .............................................................................20
10
PENDAHULUAN
Biji jarak pagar memiliki kandungan
minyak yang tinggi. Selain itu, tanaman jarak
pagar dapat tumbuh di lahan kritis yang
kekurangan air. Selama ini, pemanfaatan
minyak jarak pagar diarahkan untuk membuat
bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan
dan terbarukan, yaitu sebagai turunan metil
esternya, atau yang lebih dikenal dengan nama
biodesel.
Metil ester jarak pagar (MEJP) dapat
dibuat melalui dua tahap, yaitu esterifikasi dan
transesterifikasi.
Esterifikasi
merupakan
proses pembentukan metil ester dari asam
lemak bebas sedangkan transesterifikasi
merupakan pembentukan metil ester dari
trigliserida. Diversifikasi produk MEJP
diperlukan
untuk
meningkatkan
nilai
tambahnya, salah satunya ialah sebagai
pemlastis.
Pemlastis dapat dibuat salah satunya
dengan reaksi epoksidasi dari minyak nabati.
Saat ini minyak nabati yang banyak
digunakan dalam industri pemlastis masih
didominasi oleh minyak biji bunga matahari,
minyak kelapa sawit, dan minyak kedelai
(Chou & Lee 1997; Supriyadi 1992; Hazimah
et al. 2000).
Reaksi epoksidasi penting dalam sintesis
senyawa organik karena epoksida yang
terbentuk merupakan zat antara yang dapat
dikonversi menjadi beraneka ragam produk
(Solomons 1980). Metode epoksidasi yang
bersih dan efisien menurut Rios (2003) adalah
dengan asam perkarboksilat, yang dapat
dipercepat dengan menggunakan katalis. Pada
penelitian ini katalis yang digunakan adalah
bentonit.
Bentonit merupakan sejenis tanah liat yang
mengandung mineral montmorilonit. Bentonit
Indonesia umumnya digunakan untuk
penjernihan minyak kelapa sawit (Soedjoko &
Adrianto 1987). Pemilihan bentonit sebagai
katalis adalah karena sifatnya yang ramah
lingkungan jika dibandingkan dengan H2SO4.
Selain itu, bentonit merupakan katalis
heterogen sehingga dapat dengan mudah
dipisahkan dari hasil reaksi.
Penelitian
ini
bertujuan
untuk
mendapatkan kondisi (suhu, waktu, dan
konsentrasi
bentonit)
optimum
untuk
menghasilkan senyawa epoksida dari MEJP.
Parameter yang diukur meliputi bilangan
oksirana dan bilangan iodin.
TINJAUAN PUSTAKA
Jarak Pagar
Jarak pagar (Jatropha curcas L.)
diklasifikasikan
ke
dalam
divisi
Spermatophyta, subdivisi Angiospermae,
kelas Dicotyledone, ordo Euphorbiales, famili
Euphorbiceae, genus Jatropha, spesies curcas
(Heyne 1987). Jarak pagar merupakan pohon
perdu yang besar dengan tinggi sekitar 2 m.
Daunnya bertekstur kasar dan bertajuk
majemuk, terutama pada pohon yang sudah
tua. Biji jarak pagar yang masih muda
berwarna hijau muda, berubah kekuningan
setelah tua, dan mencapai kadar minyak
optimum setelah menjadi kehitaman (Gambar
1).
Gambar 1 Buah jarak pagar.
Biji jarak pagar mengandung 35–45%
trigliserida, baik yang tersusun dari asam
lemak jenuh seperti asam stearat maupun
asam lemak takjenuh seperti asam oleat
maupun linoleat. Kandungan asam lemak
pada minyak jarak pagar ditampilkan pada
Tabel 1.
Gambar 2 Salah satu struktur minyak dari biji
jarak pagar (Manurung 2005).
Tabel 1 Kandungan asam lemak minyak jarak
pagar
Asam lemak
Komposisi (%)
Palmitat (16:0)
14.1–15.3
Stearat (18:0)
3.7–9.8
Oleat (18:1)
34.3–45.8
Linoleat (18:2)
29.0–44.2
Linolenat (18:3)
0–0.3
Sumber: Gubitz et al. (1998).
11
Pemlastis
Katalis Bentonit
Pemlastis merupakan bahan yang jika
ditambahkan pada polimer akan mengurangi
gaya antarmolekul dalam rantai polimer
tersebut. Dengan cara ini pemlastis
meningkatkan fleksibilitas dan pemanjangan
yang membuat polimer lebih mudah
dikerjakan (Ahmad et al. 1987). Jenis-jenis
pemlastis antara lain ftalat, adipat, trimelitat,
maleat, benzoat; minyak nabati terepoksidasi,
sulfonamida, fosfat, dan glikol atau polieter.
Pertimbangan dalam memilih pemlastis
salah satunya adalah kompatibilitas (Ahmad et
al. 1987). Kompatibilitas berkaitan dengan
kemampuan pemlastis untuk berikatan dengan
polimer. Untuk pemlastis jenis minyak nabati
terepoksidasi, kompatibilitas dapat diperbaiki
dengan
meningkatkan
kandungan
epoksidanya.
Epoksidasi
Pada dasarnya ada empat teknologi untuk
menghasilkan epoksida dari alkena (ikatan tak
jenuh C═C pada rantai asam lemak) (Rios
2003). Pertama ialah epoksidasi dengan asam
perkarboksilat. Cara ini umum digunakan
untuk industri, dan dapat dikatalisis oleh asam
atau enzim. Cara kedua ialah epoksidasi
dengan peroksida organik dan anorganik,
termasuk epoksidasi alkali dan nitril dengan
hidrogen peroksida serta epoksidasi berkatalis
logam transisi. Ketiga, epoksidasi dengan
halohidrin, menggunakan asam hipohalit
(HOX) dan garamnya sebagai medium untuk
epoksidasi alkena dengan ikatan rangkap yang
tuna elektron, dan yang keempat ialah
epoksidasi dengan molekul oksigen. Dari
keempat metodologi tersebut, yang sering
digunakan ialah metodologi pertama dan
kedua karena bersih dan efisien. Mekanisme
reaksi epoksidasi dapat dilihat pada Lampiran
1.
Banyaknya epoksida yang terbentuk dapat
diuji dengan bilangan oksirana. Penentuan
bilangan oksirana dilakukan dengan cara
titrasi langsung. Senyawa oksirana akan
bereaksi dengan HBr sebagai titran, sehingga
cincin epoksi akan terbuka dan kandungan
oksigen oksirana dapat dihitung. Reaksinya
dapat dilihat pada Gambar 3.
C
C
O
+ H
Br
C
C
OH
Br
Gambar 3 Reaksi pembukaan cincin epoksi.
Bentonit adalah tanah liat yang
mengandung mineral-mineral esensial dari
kelompok mineral liat smektit dengan sifatsifat yang ditentukan oleh mineral yang
berjumlah
paling
banyak,
yaitu
montmorilonit. Bentonit dibedakan menjadi
bentonit yang mudah mengembang dan yang
tidak dapat mengembang. Bentonit yang
mudah mengembang adalah bentonit natrium
(Na–bentonit)
yang
digunakan
dalam
pengeboran minyak dan gas bumi, dalam
industri minyak sawit, serta dalam industri
farmasi. Bentonit kalsium (Ca–bentonit) dan
bentonit magnesium (Mg–bentonit), yaitu
bentonit yang tidak dapat mengembang,
digunakan dalam industri besi baja serta
dalam industri kimia sebagai katalis, zat
pemutih, zat penyerap, dan pengisi. Nabentonit mudah mengembang apabila
mengadsorpsi air, dan dapat mencapai 15 kali
lebih besar dari volume asalnya (Sumardi
1982). Nilai pH bentonit natrium dalam air
adalah 8.5–9.8 sedangkan bentonit kalsium
adalah 4–7 (Rukiyah & Supriyatna 1991).
Bentonit memiliki kemampuan menjerap dan
mempertukarkan kation-kation, seperti K+,
Na+, Ca2+, dan Mg2+. Kemampuan itu muncul
karena adanya muatan negatif pada
permukaan spesifik mineral. Bentonit
mengandung
kurang
lebih
85%
montmorilonit, sedangkan sisanya adalah
campuran dari beberapa komponen lain
seperti beidelit dan sponit.
Gambar 4 Struktur bentonit.
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan antara lain oven,
lempeng pemanas, saringan vakum, alat-alat
kaca, dan perangkat spektrofotometer
inframerah transformasi fourier (FTIR tipe
Shimadzu 8400).
Bahan-bahan yang akan digunakan adalah
MEJP dari BPPT Serpong, katalis bentonit
12
(PT Bentonit Alam Raya Cibinong),
CH3COOH, toluena, Na2S2O3, NaHCO3, H2O2
35% (dalam air), KOH, indikator fenolftalein,
HCl 0.5 N, NaOH 0.01 N, kloroform, iodin
murni, larutan brom KI 10%, Na2S2O3 0.1 N,
larutan HBr, natrium sulfat anhidrat, dan
indikator amilum 1%.
Metode Penelitian
Tahapan yang dilakukan dalam penelitian
meliputi analisis bahan baku dan optimalisasi
reaksi epoksidasi. Analisis bahan baku
meliputi bilangan oksirana dan bilangan iodin.
Optimalisasi dilakukan dengan meragamkan
suhu dan waktu reaksi serta konsentrasi
katalis. Bagan alir penelitian dapat dilihat
pada Lampiran 2.
Analisis Bahan Baku
Analisis kimia MEJP meliputi bilangan
oksirana dan bilangan iodin. Metode
selengkapnya dapat dilihat di Lampiran 3.
Optimalisasi Reaksi Epoksidasi (modifikasi
Rios 2003)
Sebanyak 10 gram MEJP dicampur
dengan 0.8 mL asam asetat dan 2.9 mL
toluena
sebagai
pelarut,
kemudian
ditambahkan katalis bentonit (1, 2, dan 3%)
yang sebelumnya telah diaktivasi. Prosedur
aktivasi diberikan pada Lampiran 4. Setelah
itu, 5.78 gram H2O2 35% dalam air
ditambahkan tetes demi tetes dari corong
pisah sambil diaduk dengan suhu dijaga
konstan pada 50, 60, dan 70 oC dengan terus
diaduk kuat. Setelah 12, 24, dan 36 jam, fase
minyak dinetralkan dengan NaHCO3 lalu
dicuci berulang kali dengan akuades. Bilangan
oksirana, bilangan iodin, dan spektrum FTIRnya dianalisis.
Data hasil analisis bilangan oksirana dan
bilangan iodin diolah dalam perangkat lunak
Modde 5. Kondisi optimum yang diperoleh
kemudian divalidasi. Validasi dilakukan pada
kondisi konsentrasi bentonit dan suhu tetap
sedangkan
waktu
reaksi
divariasikan.
Rangkaian radas epoksidasi yang digunakan
dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 Radas epoksidasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Bahan Baku
Analisis MEJP awal dilakukan untuk
mengetahui pengaruh proses epoksidasi yang
dilakukan pada penelitian ini. Hasil analisis
bilangan oksirana dan bilangan iodin berturutturut sebesar 0.04% dan 96.15 g I/100 g.
Optimalisasi Reaksi Epoksidasi
Data hasil analisis bilangan oksirana dan
bilangan iodin produk epoksidasi terdapat
pada Lampiran 5. Pengolahan data tersebut
dengan
perangkat
lunak
Modde
5.
menghasilkan kurva–kurva 3 dimensi yang
ditampilkan di Lampiran 6–8.
Kurva pada Lampiran 6 menggambarkan
hubungan suhu dengan konsentrasi bentonit
pada berbagai waktu terhadap bilangan
oksirana. Dapat disimpulkan bahwa semakin
lama epoksidasi dilakukan semakin tinggi
bilangan oksirana yang dihasilkan (Tabel 2).
Kenaikan bilangan oksirana diduga karena
akan semakin banyak waktu bagi pereaksi
untuk mengubah ikatan C=C pada MEJP
menjadi epoksida. Hasil penelitian Haya
(1991) dan Koto (1992) menyebutkan bahwa
waktu epoksidasi optimum ialah 14 jam
dengan bilangan oksirana berturut-turut
sebesar 1.90% dan 3.49%.
13
Tabel 2 Pengaruh variasi waktu reaksi
epoksidasi
terhadap
bilangan
oksirana MEJP epoksida.
Bilangan Oksirana (%)
Waktu
(Jam)
Minimum
Maksimum
0.58–0.59
12
0.43–0.45
0.82–0.85
24
0.54–0.57
1.07–1.11
36
0.64–0.68
Tabel 4 Pengaruh variasi konsentrasi bentonit
terhadap bilangan oksirana MEJP
epoksida.
[Ben]
Bilangan Oksirana (%)
(%)
Minimum
Maksimum
1.04–1.10
1
0.44–0.50
1.05–1.11
2
0.47–0.53
1.06–1.11
3
0.50–0.55
Kurva 3 dimensi hubungan waktu dengan
konsentrasi bentonit pada berbagai suhu
terhadap bilangan oksirana ditampilkan di
Lampiran 7. Dapat disimpulkan bahwa suhu
yang semakin tinggi meningkatkan bilangan
oksirana (Tabel 3). Kenaikan suhu akan
meningkatkan pengikatan oksigen pada ikatan
rangkap. Pengikatan oksigen ini sangat
berpengaruh terhadap konversi gugus
takjenuh dalam minyak menjadi senyawa
epoksi (Eckey 1954). Menurut Wood &
Termini (1958), proses epoksidasi biasanya
dilakukan pada suhu 65–75 oC. Suhu yang
lebih rendah akan memperpanjang waktu
epoksidasi dan menurunkan efisiensinya.
Sementara berdasarkan hasil penelitian Haya
(1991), proses epoksidasi pada suhu 100–105
o
C menghasilkan senyawa epoksi dengan
bilangan oksirana yang tinggi.
Bentonit merupakan katalis heterogen.
Keuntungan penggunaan katalis heterogen
yaitu, mudah dipisahkan dari hasil reaksi dan
bersifat ramah lingkungan. Nilai bilangan
oksirana jika digunakan bentonit sebagai
katalis lebih rendah dibandingkan dengan
menggunakan katalis amberlit yang memiliki
nilai 3.61% (Suharto 2007). Sementara jika
dibandingkan dengan katalis zeolit yang
memiliki nilai optimum bilangan oksirana
sebesar 0.62%, katalis bentonit menghasilkan
bilangan oksirana yang lebih tinggi (Diana
2007). Akan tetapi, jika dibandingkan dengan
katalis homogen seperti H2SO4 yang memiliki
bilangan oksirana sebesar 4.02% (Sary 2007),
epoksidasi dengan katalis bentonit kurang
berhasil. Hal ini disebabkan ion H+ dari
H2SO4 dapat bergerak bebas sehingga bekerja
lebih optimum.
Selain bilangan oksirana, parameter lain
yang dianalisis adalah bilangan iodin. Pada
kondisi optimum reaksi epoksidasi dihasilkan
bilangan iodin sebesar 72.22 g I/100 g.
Terlihat penurunan bilangan iodin dari MEJP
awal yang nilai bilangan iodinnya 96.15 g
I/100 g. Penurunan ini terjadi karena
hilangnya ikatan rangkap dan telah
terbentuknya epoksida. Epoksida yang
terbentuk mudah mengalami pembukaan
cincin
menghasilkan
bermacam-macam
produk (Gambar 6). Pembukaan cincin dapat
terjadi pada suasana asam (Campanella &
Baltanas 2005).
Tabel
Suhu
(oC)
50
60
70
3
Pengaruh variasi suhu reaksi
epoksidasi terhadap bilangan
oksirana MEJP epoksida.
Bilangan Oksirana (%)
Minimum
Maksimum
0.44–0.46
0.65–0.67
0.50–0.53
0.86–0.89
0.55–0.61
1.06–1.11
Lampiran 8 menunjukan kurva 3 dimensi
hubungan suhu dan waktu pada berbagai
konsentrasi bentonit terhadap bilangan
oksirana. Dapat disimpulkan bahwa kenaikan
konsentrasi bentonit (1–3%) cenderung tidak
berpengaruh terhadap bilangan oksirana
(Tabel 4). Konsentrasi bentonit yang
digunakan diduga terlalu kecil jika
dibandingkan dengan hasil penelitian lainnya,
misalnya yang dilakukan oleh Petrovic et al.
(2001) yang konsentrasinya mencapai 25%.
Prinsip kerja bentonit pada reaksi epoksidasi
ini adalah dengan cara menyediakan luas
permukaan dan kemasaman permukaan. Luas
permukaan dan kemasaman permukaan
bentonit dapat ditingkatkan dengan cara
aktivasi.
OH OCOCH3
CH3COOH
H2O
O
R1
C
H
C
H
R1
C C R2
H H
OH OH
R1
C
H
O
C
H
R1
C
C R2
H2
R2
H+
R2
OH OOH
H2O2
R1
C
H
C
H
R2
Gambar 6 Reaksi pembukaan cincin oksirana
(Petrovic et al. 2001).
14
Produk epoksidasi juga diidentifikasi
gugus fungsinya dengan menggunakan FTIR.
Spektrum MEJP epoksida memiliki puncakpuncak serapan yang sama seperti pada MEJP.
Adapun puncak-puncak yang dimiliki
meliputi gugus C=O ester pada 1743.5 cm-1;
gugus C=C pada 1654.8 cm-1; dan gugus C–O
pada bilangan gelombang 1018.3, 1118.6,
1168.8, 1195.8, dan 1245.9 cm-1 (Lampiran 9
& 10). Perbedaan kedua spektrum hanya pada
% transmitans (%T) C=C. MEJP memiliki %T
77% sedangkan untuk MEJPE sebesar 79%.
Kenaikan %T menandai berkurangnya jumlah
gugus C=C yang menyerap pada daerah
inframerah. Kemiripan spektrum antara MEJP
dan MEJPE diduga karena tidak semua ikatan
C=C menjadi epoksida.
Tabel 5 menunjukkan data optimum dari
tiga peubah terhadap bilangan oksirana. Nilai
ini didapat dengan menggunakan perangkat
lunak Modde 5. Kondisi optimum yang
diperoleh adalah pada waktu reaksi 36 jam,
suhu 70 oC, dan konsentrasi bentonit 3%
dengan bilangan oksirana sebesar 1.11%.
Tabel 5 Kondisi optimum reaksi epoksidasi
Validasi dilakukan pada kondisi suhu dan
konsentrasi bentonit optimum. Pengambilan
dilakukan setiap 6 jam kemudian dianalisis
bilangan oksirana dan bilangan iodinnya.
Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Tabel
6, sedangkan kurva bilangan oksirana dan
bilangan iod dapat dilihat pada Lampiran 11.
Terlihat bahwa kenaikan bilangan oksirana
diikuti dengan penurunan bilangan iodin.
Selain itu, bilangan oksirana optimum dicapai
pada waktu 36 jam, yaitu sebesar 2.37%.
Dengan demikian, prediksi kondisi optimum
yang menghasilkan bilangan oksirana
optimum dengan menggunakan perangkat
lunak Modde 5 (Tabel 5) dapat dikatakan
sahih. Namun, keterulangan nilai bilangan
oksirana masih perlu diuji kembali, dan
dilakukan dengan waktu reaksi lebih lama.
Tabel 6 Pengaruh hubungan variasi waktu
terhadap bilangan oksirana pada
suhu 70 oC
Jam Bilangan oksirana
Bilangan Iod
Ke(%)
(g I/100 g)
81.09
0
0.04
72.72
6
0.61
64.84
1.09
12
58.99
1.50
18
1.88
51.11
24
2.12
45.57
30
2.37
39.64
36
Hasil analisis keragaman atau Anova
(Lampiran 12) menghasilkan persamaan
pengaruh suhu reaksi, konsentrasi katalis
bentonit, waktu epoksidasi, dan interaksi di
antara mereka terhadap bilangan oksirana.
Persamaan yang didapat adalah
Y= 0.699511 + 0.0157278a + 0.18025b
+ 0.139994c – 0.006875ab
–0.00542496ac + 0.087725bc
dengan
= konsentrasi bentonit
a
b
= waktu reaksi
c
= suhu reaksi
ab = interaksi konsentrasi bentonit dengan
ac
waktu reaksi
bc = interaksi konsentrasi bentonit dengan
suhu reaksi
= interaksi waktu reaksi dengan suhu
reaksi
dengan nilai R2 dan Q2 berturut-turut adalah
0.654 dan 0.351 Linearitas dari optimalisasi
tergolong rendah (0.654