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 (metanolBBM, 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
Bi2O3selektif 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