PENGARUH PROSES DUA TAHAP DAN PELARUT DA

PENGARUH PROSES DUA TAHAP DAN PELARUT
DALAM PENCAIRAN BATUBARA
Unggul Priyanto
Pusat Teknologi Pengembangan Sumber Daya Energi
Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi

Ab stra ct:
The influence of solvent was examined in the single- and two-stage
liquefaction of Tanito Harum coal with FeNi supported oil carbon black
(FeNi/KB) and a synthetic pyrite. FeNi/KB catalyst provide a high oil yield in
the single-stage liquefaction when tetralin or 1methylnapthalene was
used, while pyrite (FeS 2) gave a low oil yield in the liquefaction with 1methylnapthalene although it produced a high enough oil yield in the
liquefaction with tetralin. The single-stake liquefaction of coal gave extremely
low oil yields under the solvent free conditions for all catalysts examined. In
the liquefaction of coal with solvent, the difference of oil yield produced
between single-stage and two stage is small. However, the conversion of H-donor solvent after liquefaction was much lower than that of single-stage
liquefaction. In the free-solvent liquefaction coal, two-stage liquefaction
produced much higher oil yield than single-stage.
Kata kunci: solvent, catalyst, single-stage coal liquefaction, two-stage coal
liquefaction

1. PENDAHULUAN
Banyak penelitian dasar telah dilakukan untuk
menyelidiki senyawa besi sebagai katalis
pencairan karena harganya yang lebih murah
[Frank J.D., 1988 ; K.Sakanishi et.al., 1997 &
Unggul,P. et.al.,1998]. Kami telah melaporkan
bahwa katalis FeNi biner dengan support nano
partikel karbon memberikan rendemen minyak
yang tinggi, dan aktivitasnya dapat ditingkatkan
dengan adanya pelarut donor-H pada rasio
pelarut/batubara yang sesuai [K.Sakanishi et.al.,
1997; Unggul,P. et.al.,1998 & Unggul, P. et.al,
1999)
Proses pencairan batubara telah dirancang
untuk mencapai tingkat pelarutan dan penurunan
berat molekuler yang diinginkan melalui proses
satu tahap atau dua tahap. Ada banyak jenis
reaksi dalam proses pencairan batubara seperti
pelarutan batubara dalam pelarut, depolimerisasi
makoromolekul batubara melalui pemutusan

ikatan hidrogennya, dekomposisi termal dan
hidrokraking cincin aromatis dan rantai cabang.
Karena kondisi optimum dan katalis untuk reaksireaksi itu sangat berbeda antara reaksi satu
dengan yang lain, mereka tidak bisa dioptimasi
dengan satu tahap. Di sisi lain, prosedur dua
tahap dapat mengoptimasi reaksi-reaksi tersebut
dengan menggunakan kondisi dan katalis yang
berbeda pada setiap tahap. Pencairan dengan
banyak tahap telah dikembangkan berdasarkan

Pengaruh proses ……………. (Unggul Priyanto)

beberapa faktor : 1) kondisi optimum untuk
pelarutan batubara dan hidrokraking yang
berbeda; (2) struktur produk pencairan, yang
ditentukan oleh reaksi kimia, mempengaruhi
reaktivitas minyak batubara untuk upgrading
lebih lanjut; (3) suhu yang relatif rendah pada
tahap pertama mengarah ke peningkatan
pelarutan batubara dengan menyesuaikan tingkat

hidrogenasi dengan pembelahan ikatan; (4)
katalis paling efektif digunakan ketika kontribusi
reaksi termal kecil. Untuk alasan-alasan tersebut,
pencairan dua tahap yang terdiri dari hidrogenasi
temperatur rendah pada tahap pertama dan
hidrokraking temperatur tinggi pada tahap kedua
dapat meningkatkan rendemen minyak dengan
produksi gas hidrokarbon paling sedikit.
Pada kajian ini, pencairan batubara Tanito
Harum dilakukan menggunakan tetralin, 1metilnaftalen dan tanpa pelarut untuk meneliti
pengaruh pelarut terhadap minyak yang
dihasilkan. Pengaruh proses dua tahap juga
diteliti pada rendemen minyak dalam pencairan
dengan pelarut atau tanpa pelarut.
2. EKSPERIMEN
2.1. Katalis dan Bahan
Untuk preparasi katalis FeNi/KB, sejumlah
tertentu KB dilarutkan dalam metanol dibawah
iradiasi ultrasonik selama 15 menit dan

33

Industrial Technology Development Organization
(NEDO) diteliti untuk perbandingan. Semua sifat
katalis dirangkum dalam tabel 1. Semua katalis
tersebut kecuali pyrite, sebelum reaksi di presulfidasi dengan mengalirkan 5% vol H2S/H2 pada
o
360 C selama 2 jam [K.Sakanishi et.al., 1997 ;
V.R. Pradhan et.al, 1993; J.Zhao et.al., 1994. &
Unggul P.et.al., 1998) Analisis elemen batubara
yang digunakan, yaitu Tanito Harum disajikan
pada tabel 2.

campuran FeC4H2O4 dan Ni(NO3)2 dalam
methanol ditambahkan ke dalam
slurry KBmetanol dengan sedikit asam nitrat (1% vol)
sebagai aditif. Slurry
dipanaskan pada
o
temperatur 40 C selama 2 jam di bawah iradiasi

ultrasonic. Kemudian, padatan dalam slurry
diambil melalui evaporasi dan dikeringkan pada
o
120 C selama 12 jam dalam vakum. Pada
impregnasi berurutan, nikel diimpregnasikan
pertama kali diikuti dengan besi. Katalis komersial
pyrite sintetik yang disuplai oleh New Energy and

Table 1 Sifat Katalis
FeNi/KB

FeS2

1270

12

30

10,000

Luas permukaan (m2/g)
Ukuran partikel (nm)
Densitas semu

-

Ni (wt%)

-

10

Mo (wt%)

-

Fe (wt%)

-

10

-

Table 2 Analisis Elemen Batubara Tanito Harum
C
Batubara Tanito Harum
a

Dalam %berat (daf)

b

Dalam % berat

a

71.22

H

a

5.52

2.2. Proses Pencairan
Pencairan batubara dilakukan dalam autoklaf
elektromagnetik dengan kapasitas 50 ml. 3 g
batubara, 3 atau 0 g (tanpa pelarut) pelarut dan
0.09 g katalis dimasukkan ke dalam autoklaf.
Pencairan dilakukan di bawah tekanan hidrogen
o
15 MPa,pada 450 C selama 60 menit. Laju
kenaikan pemanasan sampai temperatur reaksi
o
adalah 20 C/menit, dan kecepatan pengadukan
1300 rpm.
Produk cair dan padat dari pencairan
batubara diambil dari autoklaf dengan dibilas

menggunakan tetrahidrofuran (THF). Setelah THF
dipisahkan melalui evaporasi, produk diektraksi
secara berurutan dengan n-heksan, aseton dan
THF. Senyawa yang larut n-heksan (HS), tidak
larut n-heksan tapi larut aseton (HI-ACS), tidak
larut aseton tapi larut THF (ACI-THFS) dan tidak
larut THF (THFI) masing-masing didefinisikan
sebagai minyak (O), pelarut aspalten (A),
preaspalten (PA) dan residu (R). Rendemenl gas
dihitung melalui perbedaan berat antara batubara
awal dan produk yang terambil. Rendemen

34

N

a

O

1.56

a

21.7

a

S

Abu

0.16

3.9

b

H/C

O/C

0.93

0.228

minyak dihitung melalui pembagian berat pelarut
dari berat total HS [Unggul P. et.al., 1998]. Reaksi
pada kondisi yang sama diulang paling sedikit 3
kali untuk meyakinkan penyimpangan percobaan
dalam basis 1% berat batubara.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Pelarut dan Katalis dalam Pencairan
Batubara Tanito Harum
Gambar 1. menunjukkan pengaruh pelarut
terhadap rendemen minyak dalam pencairan
dengan katalis FeNi/KB menggunakan tetralin, 1o
metilnaftalen dan tanpa pelarut pada 450 C,
tekanan H2 15 MPa. Rendemen minyak paling
tinggi diperoleh dari pencairan batubara dengan
pelarut tetralin, sebesar 68 %. Tingginya aktivitas
katalis dengan dukungan tetralin sebagai pelarut
donor hidrogen menghasilkan rendemen minyak
yang tinggi. Pada kondisi yang sama, pencairan
batubara Tanito Harum menggunakan pelarut 1metilnaftalen masih memberikan rendemen

Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 2, N0. 2, Desember 2006 Hlm. 33-36

minyak sebesar 66 % (Gambar 1b) meskipun 1metilnaftalen bukan pelarut donor hidrogen.
Tingginya aktifitas katalis FeNi/KB bersama
dengan 1-metilnaftalen sebagai pelarut hydrogen
shuttling menjadikan atom hidrogen yang
tersedia mampu untuk melakukan depolimerisasi
makromolekul batubara dan untuk menstabilkan
spesies radikal bebas yang dihasilkan dari
pemecahan batubara. Akan tetapi, dalam
pencairan batubara Tanito Harum tanpa pelarut,
rendemen minyak yang dihasilkan begitu rendah,
sebesar 47 %. Tanpa adanya pelarut, katalis
FeNi/KB tidak dapat bekerja secara efektif
karena adanya inhibisi pada dispersi katalis dan
tidak ada media untuk transfer hidrogen dari
katalis ke spesies radikal bebas.
Gambar 2 menunjukkan aktifitas katalis
FeS2 dalam pencairan batubara Tanito Harum
dengan tetralin, 1-metilnaftalen dan tanpa pelarut.
FeS2 memberikan rendemen minyak 63 % dalam
pencairan batubara dengan tetralin Tetapi,
dengan pelarut 1-metilnaftalen, pencairan hanya
memberikan rendemen minyak sebesar 40%
(gambar 2b) dengan rendemen gas dan residu
yang tinggi sebagai kompensasi. Ini menunjukkan
bahwa aktivitas katalis FeS2 begitu rendah
sehingga
hydrogen
shuttling
seperti
1metilnaftalen tidak mampu memenuhi kebutuhan
hidrogen untuk batubara. Pada penggunaan
tetralin, rendemen minyak yang dihasilkan cukup
tinggi karena bagian hidrogenasi batubara dan
stabilisasi spesies radikal bebas dilakukan oleh
tetralin yang berfungsi sebagai donor hidrogen.
Pengaruh Proses Dua Tahap dalam Pencairan
Batubara Tanito Harum
Gambar 3 menunjukkan perbandingan
pencairan satu tahap dan dua tahap dari batubara
Tanito Harum dengan pelarut ketika waktu reaksi
total kedua tahap tersebut ditentukan pada 120.
Untuk pencairan dua tahap, temperatur pada
tahap pertama dan kedua ditentukan masingo
o
masing pada 380 C dan 450 C. Rendemen
minyak tertinggi 80 % diperoleh pada waktu
reaksi 15 menit pada tahap pertama dan 105
menit pada tahap kedua yang merupakan kondisi
terbaik untuk pencairan dua tahap.
Rendemen minyak terendah 75% pada waktu
reaksi 75 menit pada tahap pertama dan 45 menit
pada tahap kedua. Sedangkan pencairan satu
tahap memberikan rendemen minyak 77 %,
sedikit lebih rendah dibanding pencairan dua
tahap. Hasil ini menunjukkan bahwa hasil
pencairan dua tahap dengan pelarut hampir
sebanding dengan pencairan satu tahap.

Pengaruh proses ……………. (Unggul Priyanto)

Gambar 4 menampilkan pengaruh waktu
reaksi terhadap pencairan satu tahap dan dua
tahap tanpa pelarut. Perlu dicatat bahwa
rendemen minyak terendah (46%) diperoleh
o
dalam pencairan satu tahap pada 450 C selama
60 menit. Umumnya rendemen residu yang tinggi
pada kondisi tanpa pelarut diperoleh terlepas dari
kondisi reaksi. Rendemen minyak meningkat ke
57% dalam pencairan satu tahap pada waktu
reaksi yang lebih lama dari 120 menit, tapi
rendemen residu masih tinggi. Peranan pelarut
donor H sangat penting pada temperatur tinggi
dalam reaksi satu tahap. Di sisi lain, rendemen
residu lebih rendah dalam pencairan dua tahap
daripada satu tahap, karena reaksi tahap pertama
pada
temperatur
lebih
rendah
dapat
meningkatkan konversi makromolekul batubara
menjadi molekul terlarut melalui hidrogenasi
ringan bahkan tanpa pelarut. Namun, waktu
reaksi yang lebih lama dibutuhkan pada tahap
kedua untuk hidrokraking produk berat untuk
menghasilkan minyak. Waktu reaksi yang lebih
lama pada tahap pertama memberikan sedikit
residu, lebih banyak aspalten dan preaspalten
karena lebih banyak fraksi terlarut yang terbentuk,
sedangkan konversi menjadi minyak sangat
lambat.
Tabel 3 menunjukkan konversi tetralin
menjadi naftalen setelah pencairan batubara
Tanito Harum. Pencairan satu tahap pada 60 dan
120 menit memberikan konversi masing- masing
21% dan 23 %. Di sisi lain, pencairan dua tahap
o
o
pada 380 C, 15 menit / 450 C, 105 menit dan
o
o
380 C, 75 menit / 450 C, 45 menit memberikan
konversi yang lebih rendah masing-masing 13 %
dan 9 %. Hasil ini menunjukkan bahwa pencairan
satu tahap mengkonsumsi lebih banyak atom H
dari pelarut tetralin (TL) daripada pencairan dua
tahap. Oleh karena itu, pada proses pencairan
satu tahap, penambahan pelarut atau regenerasi
pelarut donor H yang lebih banyak harus
dirancang.

Table 3 Konversi Tetralin selama Pencairan
Batubara
Konversi
Tetralin
Proses Reaksi
(%)
Satu tahap, 60 menit

21

Satu tahap, 120 menit

23

Dua tahap; 380oC, 15 menit; 450oC,
150 menit
Dua tahap; 380oC, 75 menit; 450oC,
45 menit

13
9

35

4. KESIMPULAN
Pelarut aromatik memiliki pengaruh signifikan
dalam pencairan batubara. Tanpa menggunakan
pelarut aromatik, jumlah rendemen minyak yang
dihasilkan dari pencairan batubara terlalu rendah.
Dengan menggunakan katalis yang sangat aktif,
seperti FeNi/KB, NiMo/Al2O3, penggunaan pelarut
donor hidrogen dapat diganti dengan pelarut
donor shuttling hydrogen seperti 1-metilnaftalen.
Tetapi untuk katalis dengan aktifitas rendah
seperti FeS2, pelarut hydrogen shuttling dan
katalis tidak bisa memenuhi kebutuhan atom
hidrogen dalam pencairan batubara.
Pencairan dua tahap memberikan pengaruh
terhadap konversi pelarut donor H setelah
pencairan yang lebih rendah daripada pencairan
satu tahap. Sebagai tambahan, rendemen residu
pada pencairan batubara tanpa pelarut lebih
rendah daripada pencairan satu tahap.
DAFTAR PUSTAKA
Derbyshire, Frank .J.; Catalyist in Coal
Liquefaction, New Directions for Research;
IEA Coal Research: London, June 1988.
Hasou, H. ; Sakanishi, K. ; Taniguchi,H. ; Kishino,
K. ; Mochida, I. Effects of Catalytic Activity
and solvent Composition on Two Stage Coal
Liquefaction. Ind. Eng. Chem. Res. 1997, 36,
1453-1457.

Priyanto, U. : Sakanishi, K. ; Mochida, I. Effect of
Solvent Amount and Dispersed Catalyst in
the Liquefaction of Indonesian and Chinese
Coals. Proceedings of the Tenth International
Conference on Coal Science, vol.I, 1999,
Shanxi science & Technology Press :
Taiyuan, China, p. 835-838.
Sakanishi, K,; Hasuo, H.; Kishino, M.; Mochida, I.
Solvent-free Liquefaction of Brown and Subbituminous Coals using NiMo Sulfide
Catalyst Supported on Carbon Nanoparticles.
Energy and Fuels 1998, 12, 284. Sakanishi,
K; Taniguchi, H; Hasuo, H.; Mochida I. Ironbased Catalysts Supported on Carbon
nanoparticles of Hollow Structure for Coal
Liquefaction. Ind. Eng. Chem. Res.
1997,36,306
Sakanishi, K. ; Hasou, H. ; Mochida, I. ; Okuma
O. Preparation of Highly Dispersed NiMo
Catalyst Supported on Hollow Spherical
Carbon Black Particels. Energy & Fuels,
1995,9,995
Zhao, J. ; Feng, Z. ; Huggins, E. ; Huffman, G.P.
Binarny Iron Oxide Catalysts for Direct Coal
Liquefaction. Energy & Fuels 1994, 8,38-43.

Mochida, I,; Sakanishi, K.,; Korai, Y.; Fujitsu,H.
Fuel Process Technol. 1986, 14, 113.
Mochida, I . ; Sakanichi, K. ; Suzuji, N. ; Sakurai,
M. ; Tsukui, Y. ; Kaneko, T. Catalysis
Surveys from Japan, 1998, 2.
Pradhan, V.R. ; Hu, J. ; Tierney, I.W. ; and
Wender, 1. Activity and Characterization of
Anion-modified Iron (III) Oxides of Catalysts
for Direct Liquefaction of Low Pyrite Coals.
Energy & Fuel 1993, 7, 446-454.

Priyanto, U ; Sakanishi, K. ; Hasou, H. ; Mochida,
1. FeNi Catalysts Supported on Carbon for
th
the Liquefaction Indonesian Coals. The 6
Japan-China Symposium on Coal and C1
Chemistery Proceedings, Zao, Miyagi Japan,
October 1998, p. 150-153.
Priyanto, U. : Sakanishi, K. ; Mochida, I.
Optimized
Solvent
Amount
in
the
Liquefaction of Adaro Coal with Binary
Sulfida Catalyst Supported on Carbon
Nanoparticles. Energy & Fuels 2000, 14,
801-805.

36

Jurnal Energi dan Lingkungan Vol. 2, N0. 2, Desember 2006 Hlm. 33-36