How Green Can You Go ?

Katalis sintesis dimetil eter dari syngas. Apa yang perlu diketahui?

Posted in teknologi hijau by mAthA inggin bixara on Agustus 19, 2009

Pendahuluan

Penelitian tentang sintesis dimetil eter (DME) di Indonesia cukup berkembang seiring dengan semakin populernya isu kelangkaan minyak bumi dan pemanasan global.  DME dipertimbangkan sebagai bahan bakar alternatif dan bersih yang dapat dimanfaatkan sebagai pengganti LPG atau bahkan bahan bakar kendaraan bermesin diesel [1,2].

Keistimewaan dari DME sebagai bahan bakar adalah proses sintesisnya yang dapat dimulai dari sumber-sumber bahan baku yang selama ini melimpah yaitu gas alam, batu bara maupun biomass [3].  Dengan proses yang dikenal sebagai water gas shift (WGS) reaction terhadap sumber bahan baku tadi, kita dapat memperoleh synthetic gas (syngas) yang nantinya menjadi bahan baku penting untuk aneka industri kimia.  Syngas merupakan campuran yang terdiri dari gas hidrogen dan karbon monoksida.

Secara mendasar, sintesis DME berlangsung dua tahap yaitu mula-mula metanol disintesis dari syngas melalui proses kimia.  Kemudian pada tahap selanjutnya, terjadi reaksi dehidrasi 2 molekul metanol membentuk DME dan pembentukan molekul air pada permukaan katalis padat asam (solid acid catalyst) misalnya gamma alumina atau zeolite [4].

Pada masa sekarang, proses sintesis DME satu tahap dari bahan baku syngas lebih menjanjikan dipandang dari sudut termodinamika, keteknikan, maupun ekonomi [5].  Sintesis metanol merupakan faktor penentu kinetika sintesis DME satu tahap.  Perhatian utama pada proses ini adalah pengembangan sistem katalis yang mampu mensintesis metanol sekaligus DME.  Dalam hal ini, sistem katalis sintesis metanol yang merupakan alloy dari logam tembaga (Cu), seng (Zn), dan aluminium (Al) dan disingkat CuAlZn menempati peranan utama dan mendapat perhatian terbesar dari dunia penelitian dan industri [4,6].  Alasan utama penggunaan logam-logam tersebut adalah kemampuan atau keaktifan alloy tersebut dalam mengkatalisis proses sintesis metanol dari syngas pada suhu relatif rendah.  Disamping itu sistem katalis tersebut telah dikenal dan digunakan oleh kalangan industri sejak lama dan terbukti efektif.

Sistem katalis dan gugus aktif

Ada dua macam sistem katalis yang digunakan sepanjang sejarah perkembangan sintesis DME satu langkah, yaitu katalis dua fungsi (bifunctional/tandem catalysts) dan campuran katalis (admixed catalysts) [4].  Katalis dua fungsi memiliki ciri khas penggunaan Cu dan Zn sebagai elemen aktif katalis untuk sintesis metanol yang terdispersi pada permukaan katalis asam (sebagai katalis dehidrasi metanol).  Metode penyiapan yang digunakan bisa berupa impregnasi atau kopresipitasi (pengendapan secara simultan 2 zat atau lebih).  Sedangkan sistem katalis campuran terdiri dari komponen katalis sintesis metanol dan katalis dehidrasi metanol yang dicampur secara fisik-mekanik.  Katalis sintesis metanol umumnya dibuat dengan cara kopresipitasi dari larutan garam nitrat komponen logam-logam katalis maupun dengan metode sol-gel.

Pertanyaannya sekarang adalah alloy CuZnAl yang bagaimana yang aktif sebagai katalis?  Perlu diperhatikan bahwa kita berbicara dalam wacana katalis heterogen pada sistem fasa padat-gas sehingga dalam setiap pembahasannya kita akan menggunakan istilah partikel bukan atom.  CuZnAl merupakan alloy oksida sehingga pada kenyataannya merupakan campuran sempurna CuO/ZnO/Al2O3.  Perlu disebutkan pula bahwa katalis tersebut harus melalui tahap aktivasi berupa proses pereduksian agar dapat bekerja.  Terlepas dari kedua sistem katalis yang disebutkan di atas, beberapa hasil penelitian mengungkapkan bahwa sintesis metanol (yang berarti juga sintesis DME) memiliki kaitan langsung dengan karakter fisika-kimia dari partikel tembaga (Cu).  Lebih tepatnya, tidak setiap partikel tembaga terlibat dalam proses katalisis dan hanya partikel tembaga berukuran nano yang terdispersi pada permukaan katalis saja yang aktif.  Lebih khusus lagi, elemen tembaga pada partikel nano tersebut harus memiliki tingkat oksidasi tertentu.  Seng (Zn) walaupun banyak disebutkan juga terlibat dalam proses katalis namun dia lebih dikenal berperan sebagai pengemban dan juga pendispersi tembaga.  Kebetulan seng memiliki karakter elektronik yang mirip dengan tembaga sehingga mereka bisa membentuk kristal sempurna sebagaimana kristal CuO maupun ZnO murni.  Sifat ini dampaknya positif yaitu mencegah terbentuknya klaster (gerombolan) partikel CuO atau kristal CuO yang besar.  Sedangkan aluminium (Al) diyakini tidak terlibat dalam katalisis dan hanya sebagai pengemban dan penguat struktur katalis.  Sekumpulan atom pada kondisi tertentu dapat membentuk partikel kristalin atau partikel amorfos yang aktif.

Dari sekian banyak pembahasan tentang gugus aktif sistem katalis CuZnAl, perlu disebutkan disini dua pendapat yang saling menguatkan hasil-hasil penelitian terkini.  Menurut Nakamura dan kawan-kawan, harus ada suatu rasio tertentu antara Cu0 dan Cu+ pada sistem katalis berbahan dasar CuZn agar memiliki keaktifan tinggi [7].  Demikian pula disebutkan bahwa gugus aktif katalis untuk sintesis metanol dari CO2dan H2 adalah gugus Cu-Zn, sedangkan untuk sintesis metanol dari CO dan H2 gugus aktifnya adalah Cu-O-Zn [8].  Pada kenyataannya memang di pemukaan katalis bisa ditemukan aneka gugus misalnya Cu-Zn, Cu-O-Zn, Cu-O-Cu, Zn-O-Zn, Cu-Cu, maupun Zn-Zn.

Berdasarkan beberapa hasil penelitian sintesis DME dari syngas, ada korelasi linear antara aktifitas katalis (dinyatakan sebagai laju konversi CO atau laju produksi DME) dengan luasan permukaan tembaga pada partikel katalis (copper metal surface areas) [4,9].  Korelasi ini cukup unik dan mudah diamati dengan analisis menggunakan gas N2O (gas tawa) sebagai molekul pendeteksi (probe molecules) dan percobaannya dikenal sebagai titrasi N2O [10].  Dari korelasi ini secara tidak langsung bisa dikatakan bahwa partikel nano yang mengandung tembaga dengan bilangan oksidasi nol merupakan gugus yang paling menentukan keaktifan katalis walaupun peran dari Cu+ tidak boleh diabaikan.

Penyiapan katalis

Ada dua macam penyiapan katalis yang umum digunakan yaitu kopresipitasi dan sol-gel.  Kelebihan dari kopresipitasi adalah teknik yang ekonomis dan aneka variasi kondisi yang bisa dipilih mulai dari rasio, suhu, pH, agen pengendap dan sebagainya.  Sedangkan sol-gel memiliki kelebihan pada kesederhanaan teknik walaupun membutuhkan biaya lebih mahal.  Perlu diingat bahwa ada 2 macam sistem katalis sebagaimana disebutkan pada bagian pendahuluan yaitu katalis dua fungsi dan campuran katalis dan keduanya bisa disiapkan dengan metode kopresipitasi maupun sol-gel.  Secara umum penyiapan prekursor katalis (endapan material calon katalis tepat sebelum dikalsinasi) merupakan faktor kunci penentu kereaktifan katalis karena tahap ini menentukan proses pembentukan gugus aktif berupa partikel tembaga berukuran nano [11].  Kontrol yang kurang tepat pada saat penyiapan bakal memberikan katalis yang kurang atau tidak aktif akibat terbentuknya klaster atau partikel mikrokristal.

Sebagai contoh, katalis sintesis metanol CuZnAl secara tradisional disiapkan dengan cara kopresipitasi larutan nitrat logamnya menggunakan larutan alkali karbonat, atau bikarbonat maupun campurannya dan kadang ditambah alkali hidroksida.  Proses kopresipitasi ini harus dikontrol sedemikian rupa demi mendapatkan prekursor yang memiliki struktur serupa mineral hidrotalsit.  Struktur hidrotalsit memberikan peluang terbentuknya partikel nano tembaga setelah mengalami kalsinasi pada suhu diatas 350 oC [6,11].

Analisis fisika dan kimia katalis

Pada prinsipnya, katalis CuZnAl maupun turunannya merupakan katalis yang spesifik dan kinetika reaksinya ditentukan oleh kuantitas gugus aktifnya.  Dengan demikian karakterisasi yang penting dan mutlak diperlukan ada tiga yaitu analisa XRD (X-ray Diffraction) untuk mengetahui struktur kristal baik prekursor maupun katalis, kemudian H2-TPR (H2Temperature Program Reduction) untuk mengetahui kuantitas total atom tembaga yang bisa direduksi (dari CuO menjadi Cu) dan yang ketiga adalah titrasi N2O (N2O titration) untuk mengukur luas total permukaan tembaga pada permukaan katalis.  Cukup dari ketiga teknik analisis tersebut sebuah benang merah antara karakteristik katalis dan keaktifannya bisa diceritakan.  Misalnya dari data TPR dan titrasi N2O bisa diturunkan nilai-nilai pendekatan ukuran partikel tembaga dan persentase dispersi tembaga [12].

Korelasi linear luas permukaan tembaga (SCu) dengan laju yield DME

Korelasi linear luas permukaan tembaga (SCu) dengan laju yield DME (dari literatur 4)

Disamping itu komposisi sesungguhnya dari tiap elemen bisa diestimasi menggunakan EDS (Energy Dispersion Scanning) sekaligus dengan alat yang sama bisa diperoleh foto morfologi mikronya menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy).  Untuk mengetahui karakter elektronik (misalnya tingkat oksidasi) dari setiap spesies yang terdapat pada katalis bisa dilakukan analisis XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) tapi tentu saja ini membutuhkan alat yang lebih canggih dan tidak selalu tersedia.  Sedangkan analisis BET, walaupun kurang begitu penting bisa memberikan derajat porositas katalis.

Literatur

[1] Dimetil eter, kandidat “Blue Energy” yang sesungguhnya

[2] P.S.S. Prasad, J.W. Bae, S.-H. Kang, Y.-J. Lee, and K.-W. Jun, Fuel Proc. Technol. 89 (2008) 1281.

[3] DME dari Wikipedia

[4] A. Venugopal, J. Palgunadi, J.K. Deog, O.-S. Joo, and C.-H. Shin, J. Mol. Catal. A: Chem. 302 (2009) 20.

[5] A.C. Sofianos and M.S. Scurrell, Ind. Eng. Chem. Res. 30 (1991) 2372.

[6] R.H. Hoppener, E.B.M. Doesburg and J.J.F. Scholten, Appl. Catal. A: Gen. 25 (1986) 109

[7] J. Nakamura, T. Uchijima, Y. Kanai, and T. Fujitani, Catal. Tod. 28 (1996) 223.

[8] J. Nakamura, Y. Choi, T. Fujitani, Topics Catal. 22 (2003) 277.

[9] A. Venugopal, J. Palgunadi, K.D. Jung, O.S. Joo, and C.H. Shin, Catal. Lett. 123 (2008) 142.

[10] J.W. Evans, M.S. Wainwright, A.J. Bridgewater, and D.J. Young, Appl. Catal. 7 (1983) 75.

[11] R.L. Frost, Z. Ding, and W.N. Martens, T.E. Johnson, Thermochim. Acta 398 (2003) 167.

[12] S. Velu, K. Suzuki, and T. Osaki, Catal. Lett. 62 (1999) 159.

Tagged with: , , ,

2 Tanggapan

Subscribe to comments with RSS.

  1. Vready Roeslim said, on Maret 24, 2010 at 10:08 am

    Hallo mas Jelli,

    I appreciate for your willing to keep on moving to share and make contribution to our country.

    Keep on networking and you’re very pleased to visit my Blog:

    Scientific Indonesia: http://scientificindonesia.wordpress.com/
    Scientific Regio: http://scientificregio.wordpress.com/

    kindly regards,

    Vready Roeslim

  2. […] Pembahasan tentang contoh katalis heterogen untuk sintesis methanol dan dimetil eter dari syngas (komposisi karbon monoksida dan hidrogen) dapat dibaca pada tulisan ini, Katalis sintesis dimetil eter dari syngas. Apa yang perlu diketahui? […]


Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: