Katalis dan aplikasinya dalam pengembang (1)
KATALIS dan Aplikasinya
dalam Pengembangan Energi
Baru dan Terbarukan
Bralin Dwiratna
DASAR KATALIS & KATALISIS
PENDAHULUAN
• Katalisis merupakan metode yang sangat efektif untuk
mengontrol dan mengarahkan reaksi kimia.
• Proses katalitik membentuk dasar dari industri kimia modern
dan industri petrokimia, dimana 70% dari proses industrinya
adalah proses katalitik.
• Aplikasi katalis yang efektif dari perkembangan katalis yang
ada membutuhkan informasi yang tepat dan cepat mengenai
properti katalisnya, yaitu mengenai aktivitas,selektifitas, dan
umur katalis
• Pada umumnya studi mengenai katalis industri melibatkan 3
komponen, yaitu komponen aktif, penyangga, dan promotor
KINETIKA Ilmu yang mempelajari tentang kecepatan reaksi
kimia & faktor-faktor yang mempengaruhinya
REAKSI KIMIA
• Reaksi proses penyusunan (pemutusan dan pembentukan)
ikatan antar atom di dalam molekul, sehingga diperoleh molekul
-molekul baru dengan struktur yang berbeda dari reaktannya.
• Proses tersebut dapat berlangsung bila terjadi kontak
(tumbukan) antar molekul reaktan dengan orientasi yang
tepat dan energi yang cukup.
Katalis :
Komponen / zat yang dapat mempercepat & mengarahkan
reaksi tetapi tidak terkonsumsi
Catalysts,
where the magic starts
Peran Katalis
Subagjo, 2013, Kuliah Katalis dan Katalisis
• Kunci keberhasilan Industri kimia, Ind. Perminyakan &
Perlindungan Lingkungan:peningkatan nilai tambah
dan efisiensi
• Katalis merupakan kunci:
a. Pengembangan
produk baru (NH3 dgn katalis berbasis besi oleh Haber-Bosch,dsb)
bahan baku baru (metanolBBM, katalis ZSM 5)
Proses dan teknologi baru (perengkahan termal FCC)
Kapasitas, dan kualitas
b. Penghematan bahan dan energi
c. Pelestarian
d. Poleksosbud
Ciri-Ciri Katalis
(Subagjo, 2013, Kuliah Katalis dan Katalisis)
• Katalis adalah zat yang meningkatkan laju reaksi untuk mencapai
kesetimbangan, tanpa terkonsumsi dalam reaksi (Ostwald)
• Katalis mengantarkan reaktan melalui jalan baru mudah yang lebih
untuk berubah menjadi produk (Sabatier)
• Katalis berinteraksi dengan paling sedikit satu reaktan membentuk
senyawa sangat aktif
• Katalis menurunkan Ea reaksi
• Katalis tidak mengubah kesetimbangan; katalis berpengaruh hanya
pada sifat kinetik.
• Katalis bersifat spesifik,
misal: C3H6 + O2 CO2 (tanpa katalis) ; C6H10 (katalis
Bi2O3selektif membentuk heksadien) ; C3H4O (katalis MoO3selektif akrolein )}.
• Sedikit untuk sejumlah besar reaktan
Mekanisme Reaksi Berkatalis Heterogen
(Makerti,2012,Kuliah teknik Reaksi Kimia Lanjut)
Kinerja Katalis
Subagjo, 2013, Kuliah Katalis dan Katalisis
•
AKTIVITAS
Kemampuan mengkonversi reaktan,dinyatakan dengan laju reaksi,atau konversi
•
SELEKTIVITAS
Kemampuan untuk:
* Mempercepat reaksi yang dikehendaki
* * Tidak mempromosikan reaksi yang tidak dikehendaki
Biasanya dinyatakan dalam %mol reaktan yang terkonversi menjadi produk
tertentu.
•
YIELD
Jumlah produk tertentu yang terbentuk untuk setiap satuan jumlah reaktan yang
terkonversi. Biasanya dinyatakan dalam % berat
•
STABILITAS
Kimia,termal,mekanik masa bakti katalis (FCC : 3 bulan, sintesis NH3 : 10
tahun)
Komponen Aktif
•
Komponen aktif merupakan pusat aktif katalis dan bertanggungjawab
terhadap reaksi kimia yang utama (D. Bralin, 2014)
•
Pengelompokan (Panduan) (Subagjo,2013, Kuliah Katalis dan Katalisis)
a. Konduktor: logam untuk reaksi redoks:
hidrogenasi,dehidrogenasi,hidrogenolisis, oksidasi, reduksi
(Fe,Co,Ni,Rh,Pd,Pt,Cu,Ag)
b. Semikonduktor : logam oksida; untuk reaksi redoks,oksidasi,
reduksi, dehidrogenasi, siklisasi, hidrogenasi
(CuO,NiO,MoO3,V2O5,ZnO)
c. Insulator :padatan asam, untuk reaksi:
dehidrasi,isomerisasi,polimerisasi, perengkahan,alkilasi
(SiO2,Al2O3,zeolit)
Zeolit, istimewa : pori seragam dan berukuran molekul,
shape selective catalyst
Penyangga
• Fungsi
* Lahan penebaran Fasa aktif (Subagjo, 2011),
* Menjaga agar luas permukaan komponen aktif tetap besar.
• Kriteria pemilihan jenis penyangga, meliputi aktivitas katalitik
rendah, luas permukaan besar dan kestabilan menyangga
partikel logam, porositas dan distribusi ukuran pori optimum,Sifat
kimia permukaan, ketahanan pada media reaksi, sifat mekanis
sangat baik, kestabilan thermal yang baik dan resisten terhadap
sintering, stabil selama proses regenerasi, murah (Petrov,PROBLEMS
AND CHALLENGES ABOUT ACCELERATED TESTING OF THE CATALYTIC ACTIVITY OF
CATALYSTS
)
• Penyangga yang biasa digunakan adalah
γ-Al2O3, SiO2, karbon aktif,
diatomaceous clay, SiO2-Al2O3.
Cont’d
Klasifikasi penyangga berdasarkan sifat kimia
permukaan (Petrov,PROBLEMS AND CHALLENGES ABOUT
ACCELERATED TESTING OF THE CATALYTIC ACTIVITY OF CATALYSTS )
• Basic Support : MgO, CaO, BaO
• Acidic Support : γ-Al2O3, SiO2, Al2O3/SiO2,
zeolites
• Neutral Supports : MgAl2O4, MgCr2O4, ZrCrO4,
ZnAl2O4
• Amphoteric Supports: α-Al2O3, TiO2, CeO2, ZrO2
Promotor
Promotor terdiri dari:
promotor tekstual : yang berfungsi sebagai
penstabil
promotor struktural: yang mengarahkan
terbentuknya struktur intermediet tertentu.
Promotor dapat ditambahkan untuk meningkatkan performa katalis.
Misal : K merupakan promotor terefektif bagi Fe (Dry,
M.E, 2004; O’Brien, R.J. dkk., 2000; Bukur, B. dan
Sharaj, C., 2002).
METODE PEMBUATAN KATALIS
1.
Impregnasi
a) impregnasi basah, bila jumlah larutan garam melebihi volume
pori penyangga; dan
b) impregnasi kering, bila jumlah larutan garam tidak melebihi
volume pori penyangga.
2. Presipitasi
Garam berisi fasa aktif dan material yang akan manjadi penyangga
dicampur dengan larutan basa hidroksida atau karbonat. Selanjutnya,
campuran diaduk dan diendapkan sebagai hidroksida atau karbonat.
Endapan kemudian disaring, dibilas dalam penyaring, dikeringkan,
lalu dipanaskan.
Karakterisasi Katalis
Karakterisasi katalis:
a. Karakterisasi fisik mencakup luas permukaan, volume pori,
diameter pori, hardness, distribusi logam.
b. Karakterisasi kimia mencakup acidity, ikatan kimia,
kristalinitas, kandungan logam.
Karakterisasi dilakukan untuk mengontrol kuantitas katalis
setelah preparasi dan untuk pemeriksaan adanya kegagalan
katalis yang diproduksi.
Contoh Karakterisasi katalis: XRD (X-Ray Diffraction), BET
(Brunaur Emmet Teller), AAS (Atomic Absorption
Spectroscopy),SEM (Scanning Electrone Microscope), XRF
(X-Ray Fluorescence)
KATALIS
DALAM PENGEMBANGAN
ENERGI BARU DAN TERBARUKAN
Aneka rute produksi bahan bakar hayati dari biomassa
[yang berwujud cair disebut Bahan Bakar Nabati (BBN)]
Tatang H. Soerawidjaja, 2010
TEKNOLOGI FISCHER-TROPSCH
• Ditemukan oleh Franz Fischer dan Hans Tropsch
• Mulai tahun 1940-an proses ini mulai dikembangkan di
Jerman dan Afrika Selatan
• Indonesia mempunyai potensi untuk mengembangkan
bahan bakar sintetis yang berasal dari biomassa BTL
Fischer Tropsch
• Katalis komersial FT yang dipatenkan
100Co/5ThO2/8MgO/200kieselguhr
• Katalis yang umum dipakai adalah katalis berbasis Co
dengan temperatur operasi sebesar 180 – 200°C.
Coke Oven
Gas
Coke
Coke Gasifier
H2S Removal
Steam
Light Gases
Organic Sulfur
Removal
Naphtha
Kerosine
Fischer-Tropsch
Synthesis
Product Separation
Gas Oil
Wax Heavy Oil
Tall Gas
Reaction
Water
Konfigurasi proses Fischer-Tropsch yang umum di Jerman
pada tahun 1939 – 1945 (Davis, B.H., 2007).
TEKNOLOGI HIDRODEOKSIGENASI (HDO)
• Hidrodeoksigenasi (HDO) memegang peranan penting dalam
reaksi hydroprocessing minyak nabati. Reaksi HDO trigliserida
minyak nabati akan menghasilkan produk hidrokarbon yang
jenisnya tergantung dari komposisi asam lemak penyusun
trigliseridanya (D. Bralin, 2014)
• Reaksi HDO merupakan reaksi penghilangan gugus oksigen,
dimana oksigen dalam senyawa umpan diubah menjadi menjadi
H2O. Reaksi HDO biasanya berlangsung pada suhu dan tekanan
yang tinggi. Reaksi HDO biasanya dijalankan pada suhu sekitar
350-400oC dan tekanan yang relatif tinggi ~20 atm, dan biasanya
berlangsung dengan kehadiran katalis (Kubicka dkk., 2010).
• Katalis yang umumnya dikembangkan CoMo/ Al2O3 dan NiMo/
Al2O3.
Komersil HDO yang telah dipatenkan :
1. UOP (Tom & Terry)
Umpan : minyak sawit,m.kedelai,m.kanola
Proses : hidrotreating
Reaktor I : hidrotreating (HDO) ; katalis NiMo/CoMo Al2O3 ; produk diesel
Reaktor II : hidroisomerisasi berkatalis ; katalis Pt/zeolit ; produk diesel kaya
isoparafin
Komersil HDO yang telah dipatenkan :
2. Neste Oil Oyj
Teknologi proses yang dipatenkan : NEx-BTL
Produksi : green diesel dan green jet
Proses hidrotreating 2 tahap,
1. hdo ; Katalis NiMo dan CoMo (tersulfidasi)
2. Isomerisasi; katalis Pt/zeolit
P = 50 bar ; T-= 250-400oC
Teknologi Sintesis Metanol
• Produksi methanol dimulai dengan produksi
gas sintesis yang terdiri dari H2 dan CO
(teknologi steam reforming,oksidasi
parsial,gasifikasi batubara&biomassa)
• 61% proses menggunakan teknologi ICI
pada tekanan Rendah, sisanya Lurgi (27%),
dan Kellog (3%).
• Yang membedakan adalah jenis katalis, jenis
reaktor,kondisi operasi reaksi
Teknologi ICI
• Katalis pada P rendah : alkali/CuO-ZnO/Al2O3, pada P=50100 bar, T=275-310oC
• Katalis ini mensyaratkan kondisi syngas murni dari sulfur dan
klorin (H2S < 0.1 ppm)
• Karena keaktifan katalis, sintesis metanol dapat berlangsung
pada suhu 220-230oC dan 5 Mpa.
• Selektifitas yang tinggi memberikan kemurnian metanol lebih
besar dari 99.5%.
• Pembentukan produk sampingan seperti DME, alkohol tinggi,
senyawa karbonil dan metana dapat dihilangkan.
TERIMA
KASIH
dalam Pengembangan Energi
Baru dan Terbarukan
Bralin Dwiratna
DASAR KATALIS & KATALISIS
PENDAHULUAN
• Katalisis merupakan metode yang sangat efektif untuk
mengontrol dan mengarahkan reaksi kimia.
• Proses katalitik membentuk dasar dari industri kimia modern
dan industri petrokimia, dimana 70% dari proses industrinya
adalah proses katalitik.
• Aplikasi katalis yang efektif dari perkembangan katalis yang
ada membutuhkan informasi yang tepat dan cepat mengenai
properti katalisnya, yaitu mengenai aktivitas,selektifitas, dan
umur katalis
• Pada umumnya studi mengenai katalis industri melibatkan 3
komponen, yaitu komponen aktif, penyangga, dan promotor
KINETIKA Ilmu yang mempelajari tentang kecepatan reaksi
kimia & faktor-faktor yang mempengaruhinya
REAKSI KIMIA
• Reaksi proses penyusunan (pemutusan dan pembentukan)
ikatan antar atom di dalam molekul, sehingga diperoleh molekul
-molekul baru dengan struktur yang berbeda dari reaktannya.
• Proses tersebut dapat berlangsung bila terjadi kontak
(tumbukan) antar molekul reaktan dengan orientasi yang
tepat dan energi yang cukup.
Katalis :
Komponen / zat yang dapat mempercepat & mengarahkan
reaksi tetapi tidak terkonsumsi
Catalysts,
where the magic starts
Peran Katalis
Subagjo, 2013, Kuliah Katalis dan Katalisis
• Kunci keberhasilan Industri kimia, Ind. Perminyakan &
Perlindungan Lingkungan:peningkatan nilai tambah
dan efisiensi
• Katalis merupakan kunci:
a. Pengembangan
produk baru (NH3 dgn katalis berbasis besi oleh Haber-Bosch,dsb)
bahan baku baru (metanolBBM, katalis ZSM 5)
Proses dan teknologi baru (perengkahan termal FCC)
Kapasitas, dan kualitas
b. Penghematan bahan dan energi
c. Pelestarian
d. Poleksosbud
Ciri-Ciri Katalis
(Subagjo, 2013, Kuliah Katalis dan Katalisis)
• Katalis adalah zat yang meningkatkan laju reaksi untuk mencapai
kesetimbangan, tanpa terkonsumsi dalam reaksi (Ostwald)
• Katalis mengantarkan reaktan melalui jalan baru mudah yang lebih
untuk berubah menjadi produk (Sabatier)
• Katalis berinteraksi dengan paling sedikit satu reaktan membentuk
senyawa sangat aktif
• Katalis menurunkan Ea reaksi
• Katalis tidak mengubah kesetimbangan; katalis berpengaruh hanya
pada sifat kinetik.
• Katalis bersifat spesifik,
misal: C3H6 + O2 CO2 (tanpa katalis) ; C6H10 (katalis
Bi2O3selektif membentuk heksadien) ; C3H4O (katalis MoO3selektif akrolein )}.
• Sedikit untuk sejumlah besar reaktan
Mekanisme Reaksi Berkatalis Heterogen
(Makerti,2012,Kuliah teknik Reaksi Kimia Lanjut)
Kinerja Katalis
Subagjo, 2013, Kuliah Katalis dan Katalisis
•
AKTIVITAS
Kemampuan mengkonversi reaktan,dinyatakan dengan laju reaksi,atau konversi
•
SELEKTIVITAS
Kemampuan untuk:
* Mempercepat reaksi yang dikehendaki
* * Tidak mempromosikan reaksi yang tidak dikehendaki
Biasanya dinyatakan dalam %mol reaktan yang terkonversi menjadi produk
tertentu.
•
YIELD
Jumlah produk tertentu yang terbentuk untuk setiap satuan jumlah reaktan yang
terkonversi. Biasanya dinyatakan dalam % berat
•
STABILITAS
Kimia,termal,mekanik masa bakti katalis (FCC : 3 bulan, sintesis NH3 : 10
tahun)
Komponen Aktif
•
Komponen aktif merupakan pusat aktif katalis dan bertanggungjawab
terhadap reaksi kimia yang utama (D. Bralin, 2014)
•
Pengelompokan (Panduan) (Subagjo,2013, Kuliah Katalis dan Katalisis)
a. Konduktor: logam untuk reaksi redoks:
hidrogenasi,dehidrogenasi,hidrogenolisis, oksidasi, reduksi
(Fe,Co,Ni,Rh,Pd,Pt,Cu,Ag)
b. Semikonduktor : logam oksida; untuk reaksi redoks,oksidasi,
reduksi, dehidrogenasi, siklisasi, hidrogenasi
(CuO,NiO,MoO3,V2O5,ZnO)
c. Insulator :padatan asam, untuk reaksi:
dehidrasi,isomerisasi,polimerisasi, perengkahan,alkilasi
(SiO2,Al2O3,zeolit)
Zeolit, istimewa : pori seragam dan berukuran molekul,
shape selective catalyst
Penyangga
• Fungsi
* Lahan penebaran Fasa aktif (Subagjo, 2011),
* Menjaga agar luas permukaan komponen aktif tetap besar.
• Kriteria pemilihan jenis penyangga, meliputi aktivitas katalitik
rendah, luas permukaan besar dan kestabilan menyangga
partikel logam, porositas dan distribusi ukuran pori optimum,Sifat
kimia permukaan, ketahanan pada media reaksi, sifat mekanis
sangat baik, kestabilan thermal yang baik dan resisten terhadap
sintering, stabil selama proses regenerasi, murah (Petrov,PROBLEMS
AND CHALLENGES ABOUT ACCELERATED TESTING OF THE CATALYTIC ACTIVITY OF
CATALYSTS
)
• Penyangga yang biasa digunakan adalah
γ-Al2O3, SiO2, karbon aktif,
diatomaceous clay, SiO2-Al2O3.
Cont’d
Klasifikasi penyangga berdasarkan sifat kimia
permukaan (Petrov,PROBLEMS AND CHALLENGES ABOUT
ACCELERATED TESTING OF THE CATALYTIC ACTIVITY OF CATALYSTS )
• Basic Support : MgO, CaO, BaO
• Acidic Support : γ-Al2O3, SiO2, Al2O3/SiO2,
zeolites
• Neutral Supports : MgAl2O4, MgCr2O4, ZrCrO4,
ZnAl2O4
• Amphoteric Supports: α-Al2O3, TiO2, CeO2, ZrO2
Promotor
Promotor terdiri dari:
promotor tekstual : yang berfungsi sebagai
penstabil
promotor struktural: yang mengarahkan
terbentuknya struktur intermediet tertentu.
Promotor dapat ditambahkan untuk meningkatkan performa katalis.
Misal : K merupakan promotor terefektif bagi Fe (Dry,
M.E, 2004; O’Brien, R.J. dkk., 2000; Bukur, B. dan
Sharaj, C., 2002).
METODE PEMBUATAN KATALIS
1.
Impregnasi
a) impregnasi basah, bila jumlah larutan garam melebihi volume
pori penyangga; dan
b) impregnasi kering, bila jumlah larutan garam tidak melebihi
volume pori penyangga.
2. Presipitasi
Garam berisi fasa aktif dan material yang akan manjadi penyangga
dicampur dengan larutan basa hidroksida atau karbonat. Selanjutnya,
campuran diaduk dan diendapkan sebagai hidroksida atau karbonat.
Endapan kemudian disaring, dibilas dalam penyaring, dikeringkan,
lalu dipanaskan.
Karakterisasi Katalis
Karakterisasi katalis:
a. Karakterisasi fisik mencakup luas permukaan, volume pori,
diameter pori, hardness, distribusi logam.
b. Karakterisasi kimia mencakup acidity, ikatan kimia,
kristalinitas, kandungan logam.
Karakterisasi dilakukan untuk mengontrol kuantitas katalis
setelah preparasi dan untuk pemeriksaan adanya kegagalan
katalis yang diproduksi.
Contoh Karakterisasi katalis: XRD (X-Ray Diffraction), BET
(Brunaur Emmet Teller), AAS (Atomic Absorption
Spectroscopy),SEM (Scanning Electrone Microscope), XRF
(X-Ray Fluorescence)
KATALIS
DALAM PENGEMBANGAN
ENERGI BARU DAN TERBARUKAN
Aneka rute produksi bahan bakar hayati dari biomassa
[yang berwujud cair disebut Bahan Bakar Nabati (BBN)]
Tatang H. Soerawidjaja, 2010
TEKNOLOGI FISCHER-TROPSCH
• Ditemukan oleh Franz Fischer dan Hans Tropsch
• Mulai tahun 1940-an proses ini mulai dikembangkan di
Jerman dan Afrika Selatan
• Indonesia mempunyai potensi untuk mengembangkan
bahan bakar sintetis yang berasal dari biomassa BTL
Fischer Tropsch
• Katalis komersial FT yang dipatenkan
100Co/5ThO2/8MgO/200kieselguhr
• Katalis yang umum dipakai adalah katalis berbasis Co
dengan temperatur operasi sebesar 180 – 200°C.
Coke Oven
Gas
Coke
Coke Gasifier
H2S Removal
Steam
Light Gases
Organic Sulfur
Removal
Naphtha
Kerosine
Fischer-Tropsch
Synthesis
Product Separation
Gas Oil
Wax Heavy Oil
Tall Gas
Reaction
Water
Konfigurasi proses Fischer-Tropsch yang umum di Jerman
pada tahun 1939 – 1945 (Davis, B.H., 2007).
TEKNOLOGI HIDRODEOKSIGENASI (HDO)
• Hidrodeoksigenasi (HDO) memegang peranan penting dalam
reaksi hydroprocessing minyak nabati. Reaksi HDO trigliserida
minyak nabati akan menghasilkan produk hidrokarbon yang
jenisnya tergantung dari komposisi asam lemak penyusun
trigliseridanya (D. Bralin, 2014)
• Reaksi HDO merupakan reaksi penghilangan gugus oksigen,
dimana oksigen dalam senyawa umpan diubah menjadi menjadi
H2O. Reaksi HDO biasanya berlangsung pada suhu dan tekanan
yang tinggi. Reaksi HDO biasanya dijalankan pada suhu sekitar
350-400oC dan tekanan yang relatif tinggi ~20 atm, dan biasanya
berlangsung dengan kehadiran katalis (Kubicka dkk., 2010).
• Katalis yang umumnya dikembangkan CoMo/ Al2O3 dan NiMo/
Al2O3.
Komersil HDO yang telah dipatenkan :
1. UOP (Tom & Terry)
Umpan : minyak sawit,m.kedelai,m.kanola
Proses : hidrotreating
Reaktor I : hidrotreating (HDO) ; katalis NiMo/CoMo Al2O3 ; produk diesel
Reaktor II : hidroisomerisasi berkatalis ; katalis Pt/zeolit ; produk diesel kaya
isoparafin
Komersil HDO yang telah dipatenkan :
2. Neste Oil Oyj
Teknologi proses yang dipatenkan : NEx-BTL
Produksi : green diesel dan green jet
Proses hidrotreating 2 tahap,
1. hdo ; Katalis NiMo dan CoMo (tersulfidasi)
2. Isomerisasi; katalis Pt/zeolit
P = 50 bar ; T-= 250-400oC
Teknologi Sintesis Metanol
• Produksi methanol dimulai dengan produksi
gas sintesis yang terdiri dari H2 dan CO
(teknologi steam reforming,oksidasi
parsial,gasifikasi batubara&biomassa)
• 61% proses menggunakan teknologi ICI
pada tekanan Rendah, sisanya Lurgi (27%),
dan Kellog (3%).
• Yang membedakan adalah jenis katalis, jenis
reaktor,kondisi operasi reaksi
Teknologi ICI
• Katalis pada P rendah : alkali/CuO-ZnO/Al2O3, pada P=50100 bar, T=275-310oC
• Katalis ini mensyaratkan kondisi syngas murni dari sulfur dan
klorin (H2S < 0.1 ppm)
• Karena keaktifan katalis, sintesis metanol dapat berlangsung
pada suhu 220-230oC dan 5 Mpa.
• Selektifitas yang tinggi memberikan kemurnian metanol lebih
besar dari 99.5%.
• Pembentukan produk sampingan seperti DME, alkohol tinggi,
senyawa karbonil dan metana dapat dihilangkan.
TERIMA
KASIH