proposal penelitian edit.pdf

48
PROPOSAL PENELITIAN PEMBUATAN DAN PENGUJIAN KATALIS PADAT HETEROGEN BASA NH 4 /CaO-ZnO UNTUK PRODUKSI BIODIESEL DARI MINYAK KEDELAI (SOYBEAN OIL) Disusun Oleh : TITO SETIAWAN NUGROHO 21030110120059 SEBASTIANUS ADI PRASETYO 21030110141005 JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2013

Upload: iyan-maulana

Post on 27-Oct-2015

359 views

Category:

Documents


19 download

TRANSCRIPT

Page 1: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

PROPOSAL PENELITIAN

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN KATALIS PADAT HETEROGEN BASA

NH4/CaO-ZnO UNTUK PRODUKSI BIODIESEL DARI MINYAK KEDELAI

(SOYBEAN OIL)

Disusun Oleh :

TITO SETIAWAN NUGROHO 21030110120059

SEBASTIANUS ADI PRASETYO 21030110141005

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2013

Page 2: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

ii

HALAMAN PENGESAHAN

PROPOSAL PENELITIAN

Nama/NIM : Tito Setiawan Nugroho / 21030110120059

Nama/NIM : Sebastianus Adi Prasetyo / 21030110141005

Judul : Pembuatan dan Pengujian Katalis Padat Heterogen Basa NH4/CaO-ZnO

untuk Produksi Biodiesel dari Minyak Kedelai (Soybean Oil)

Semarang, 24 Juni 2013

Telah menyetujui,

Dosen Pembimbing

Dr. Istadi, S.T., M.T

197103011997021001

Page 3: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

iii

RINGKASAN

Sampai saat ini masyarakat dunia masih sangat bergantung pada bahan bakar fosil.

Menipisnya cadangan minyak dunia mendorong pengembangan energi alternatif. Salah satu

energi alternatif yang dikembangkan adalah biodiesel. Biodiesel berasal dari proses

transesterifikasi minyak nabati dengan bantuan katalis baik katalis homogen, heterogen

maupun katalis enzim. Biodiesel juga dapat didukung dengan adanya suatu zat kimia yang

membantu yakni sebuah katalis. Pada penelitian ini, dalam pebuatan biodiesel bahan baku

minyak kedelai direaksikan dengan methanol dan sebagai katalis digunakan katalis heterogen

basa NH4/CaO-ZNO. Variabel berubah yang digunakan adalah jenis katalis yaitu CaO, ZnO,

CaO-ZnO, NH4/CaO-ZnO. Penelitian ini dimulai dengan pembuatan katalis, karakterisasi

katalis kemudian dilanjutkan dengan pengujian katalis CaO, ZnO, CaO-ZnO, NH4/CaO-ZnO

dalam pembuatan biodiesel. Pada akhir penelitian ini, diharapkan dapat diketahui jenis

katalis optimum yang dapat digunakan dalam pembuatan biodiesel.

Page 4: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

iv

SUMMARY

Until now, people in the world is still dependent on fossil fuels. Depletion of world oil

reserves encourage the development of alternative energy. One alternative energy developed

is biodiesel. Biodiesel is derived from vegetable oil transesterification process in the presence

of both homogeneous catalysts, heterogeneous catalysts and enzymes. Biodiesel can also be

supported by the presence of a chemical that helps that is a catalyst. In this study, the process

of biodiesel with feedstock soybean oil is reacted with methanol and a catalyst used as

heterogeneous catalysts NH4/CaO-ZNO bases. Variable changed is the type of catalyst used,

namely CaO, ZnO, CaO-ZnO, NH4/CaO-ZnO. The study began with the preparation of the

catalyst, the catalyst characterization and then followed by testing CaO catalyst, ZnO, CaO-

ZnO, NH4/CaO-ZnO in making biodiesel. At the end of the study, expected to know the

optimum yield from type of catalyst that can be used in the manufacture of biodiesel.

Page 5: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

v

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan

rahmat, karunia dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan proposal penelitian

yang ditujukan sebagai pemenuhan Tugas Akhir Penelitian yang berjudul “Pembuatan dan

Pengujian Katalis Padat Heterogen Basa NH4/CaO-ZnO untuk Produksi Biodiesel dari

Minyak Kedelai (Soybean Oil)”.

Dalam penulisan karya ini penulis meyakini sepenuhnya bahwa tidaklah mungkin

menyelesaikan karya tulis ini tanpa doa, bantuan dan dukungan baik secara langsung maupun

tidak langsung. Pada kesempatan ini penulis ingin memberikan rasa terima kasih kepada :

1. Dr. Ir. Budiyono, MSi. selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Unversitas Diponegoro.

2. Dr. Istadi, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing penelitian yang telah meluangkan

waktu dan memberikan bimbingan dalam penyusunan proposal penelitian.

3. Andri Cahyo Kumoro, ST., MT., PhD selaku dosen Koordinator Penelitian dan

Pengabdian kepada Masyarakat yang telah memberikan izin untuk melakukan

penelitian ini.

4. Kedua orang tua atas doa, kesabaran, limpahan kasih sayang, dukungan, dan

pengorbanan yang telah diberikan.

5. Pihak-pihak yang telah membantu dalam penyusunan proposal penelitian ini yang

tidak bisa disebutkan satu persatu.

Penulis menyakini bahwa proposal penelitian ini masih jauh dari kesempurnaan.

Mohon maaf apabila terdapat kekurangan atau kesalahan. Penulis mengharapkan kritik dan

saran yang membangun dari semua pihak berkaitan dengan proposal penelitian ini. Akhir

kata, semoga proposal penelitian ini dapat bermanfaat bagi semua pihak dan dapat berguna

sebagai bahan penambah ilmu pengetahuan.

Semarang, 2013

Penulis

Page 6: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

vi

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................................... ii

RINGKASAN ............................................................................................................................iii

SUMMARY............................................................................................................................... iv

KATA PENGANTAR ................................................................................................................ v

DAFTAR ISI ............................................................................................................................. vi

DAFTAR TABEL ...................................................................................................................viii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. ix

BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ............................................................................................................. 1

1.2. Perumusan Masalah ..................................................................................................... 4

1.3. Tujuan Penelitian ......................................................................................................... 4

1.4. Ruang Lingkup Penelitian............................................................................................ 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................................ 6

2.1. Katalis .......................................................................................................................... 6

2.2. Jenis-Jenis Katalis ........................................................................................................ 6

2.3. Komponen Katalis ....................................................................................................... 7

2.4. Karakterisasi Katalis .................................................................................................... 8

2.5. Metode Pembuatan Katalis ........................................................................................ 11

2.6. Minyak Kedelai .......................................................................................................... 12

2.7. Transesterifikasi ......................................................................................................... 17

2.8. Prediksi Mekanisme Reaksi Katalitik Berbasis Katalis Heterogen Basa .................. 21

2.9. Biodiesel .................................................................................................................... 21

2.9.1. Perbedaan Biodiesel dengan Petroleum Diesel (Solar) ...................................... 22

2.9.2. Keunggulan Biodiesel......................................................................................... 22

2.9.3. Karakterisasi Biodiesel ....................................................................................... 23

BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................................... 27

3.1. Konsep Dasar Penyelesaian Masalah......................................................................... 27

3.2. Bahan dan Alat Penelitian .......................................................................................... 28

3.2.1. Bahan yang Digunakan ....................................................................................... 28

3.2.2. Alat yang Digunakan .......................................................................................... 28

Page 7: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

vii

3.3. Prosedur Penelitian .................................................................................................... 29

3.3.1. Pembuatan Katalis NH4/CaO-ZnO dengan Kopresipitasi-Impregnasi ............... 29

3.3.2. Karakterisasi Katalis ........................................................................................... 30

3.3.3. Pengujian Katalis dalam Pembuatan Biodiesel .................................................. 30

3.4. Analisis Hasil dan Karakteristik Produk .................................................................... 31

BAB IV HASIL YANG DIHARAPKAN ................................................................................ 32

4.1. Rancangan Hasil Penelitian ....................................................................................... 32

4.2. Contoh Karakterisasi Produk Biodiesel (FAME) ...................................................... 32

4.3. Contoh Karakterisasi Katalis Menggunakan Analisa FTIR dan XRD ...................... 33

4.4. Jadwal Kegiatan ......................................................................................................... 33

BAB V KESIMPULAN ........................................................................................................... 35

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................... 36

Page 8: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Kandungan gizi kedelai dalam basis kering ................................................... 13

Tabel 2.2. Tabel Kandungan Metil Ester dan Nilai Standard Deviasi Minyak Kedelai ... 15

Tabel 2.3. Tabel Karakteristik Minyak Kedelai .............................................................. 15

Tabel 2.4. Kandungan Bilangan Asam dari Minyak Kelapa Sawit .................................. 16

Tabel 2.5. Tabel Sifat Fisik Minyak Kedelai ................................................................... 17

Tabel 2.6. Pengembangan Katalis Heterogen untuk Proses Transesterifikasi Trigliserida ..

....................................................................................................................... 20

Tabel 2.7. Tabel Syarat Mutu Biodiesel Alkil Ester ........................................................ 25

Tabel 2.8. Metoda Uji Mutu Biodiesel Alkil Ester .......................................................... 26

Tabel 4.1. Rancangan Hasil Penelitian ............................................................................ 32

Tabel 4.2. Identifikasi dan Komposisi Produk Biodiesel (FAME) dengan Gas

Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) ............................................. 32

Tabel 4.3. Jadwal Pelaksanaan Kegiatan .......................................................................... 34

Page 9: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. Penyediaan Energi Minyak Mentah Indonesia Tahun 1990 – 2008 dalam

Setara Barrel Minyak (SBM) ....................................................................... 1

Gambar 2.1. Hubungan antara Komponen Aktif, Penyangga, dan Promoter didalam

Katalis .......................................................................................................... 7

Gambar 2.2. XRD line bordening dari Kristal Terdispersi ............................................... 9

Gambar 2.3. Skema Alat Spektrofotometri FTIR ........................................................... 13

Gambar 2.4. Kandungan Gizi Kedelai ............................................................................ 13

Gambar 2.5. Minyak Kedelai ......................................................................................... 14

Gambar 2.6. Kandungan Minyak Kedelai dibanding Minyak Nabati lainnya................. 14

Gambar 2.7. Reaksi Transesterifikasi antara Trigliserida dan Metanol .......................... 19

Gambar 2.8. Mekanisme Reaksi Transesterifikasi yang dikatalisasi oleh basa/alkali .... 21

Gambar 3.1. Spesifikasi Minyak Kedelai ....................................................................... 28

Gambar 3.2. Rangkaian Alat Transesterifikasi (1) labu leher tiga, (2) pengaduk, (3)

kondensor refluks, (4) waterbath, (5) Magnetic stirrer, (6) thermometer, (7)

karet sumbat, (8) statif dan klem................................................................ 29

Gambar 4.1. Spektrum FT-IR pada katalis ZnO komersial dan ZnO sintesis,SO42-

/ZnO

dan SO42-

-ZnO : (1) ZnO presipitasi, (2) ZnO komersial, (3) SO42-

/ZnO, (4)

SO42-

ZnO. Peak label (a) Zn-O, (b) S=O, (c) C=O, (d) N-H, (e) O=H ...... 33

Gambar 4.2. Perbandingan Hasil analisis XRD pada katalis : (a)SO42-

/ZnO, (b) SO42-

-

ZnO, (c) ZnO sintesis, (d) ZnO komersial ................................................. 33

Page 10: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Krisis energi merupakan salah satu permasalahan utama yang dialami dunia pada abad

XXI, khususnya Indonesia. Berdasarkan sumbernya, energi dapat terbagi menjadi dua yaitu

energi yang bersifat unrenewable resources dan energi yang bersifat renewable resources.

Namun, eksplorasi sumberdaya energi lebih banyak difokuskan pada energi fosil yang bersifat

unrenewable resources sedangkan energi yang bersifat renewable relatif belum banyak

dimanfaatkan (Elinur et al., 2010). Sampai saat ini bahan bakar minyak (BBM) yang

merupakan bahan bakar fosil masih menjadi konsumsi utama negara-negara dunia. Peranan

BBM masih 54,4 % dalam pemakaian energi final tahun 2011 di Indonesia (Kementrian Riset

dan Teknologi, 2005). Ketergantungan akan BBM tidak diimbangi dengan ketersediaan

cadangan minyak nasional. Menurut (Kementrian Energi dan Sumberdaya Mineral, 2009)

cadangan energi minyak mentah Indonesia hanya dapat diproduksi atau akan habis dalam

kurun waktu 22,99 tahun terhitung mulai tahun 2008.

Sumber : (Kementrian Riset dan Teknologi, 2005)

Untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri, maka Indonesia perlu impor minyak

mentah. Pada gambar 1 dapat dilihat bahwa, impor minyak mentah pada periode 1990 – 2008

mengalami peningkatan rata-rata sebesar 4,75 % per tahun dari 46,23 juta SBM menjadi

83,98 juta SBM. Sementara itu, harga minyak dunia semakin mengalami peningkatan. Harga

Gambar 1.1. Penyediaan Energi Minyak Mentah Indonesia Tahun 1990 – 2008

dalam Setara Barrel Minyak (SBM)

Page 11: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

2

minyak mentah di wilayah Asia-Pasifik untuk menyuplai BBM ke Indonesia pada tahun 2013

mencapai 136,72 dollar AS per barrel (Bloomberg, 2013). Oleh karena itu, untuk mengatasi

persoalan tersebut perlu penggunaan bahan bakar alternatif berbasis renewable resources

berasal dari minyak tanaman atau lebih dikenal dengan Bahan Bakar Nabati (Djazuli &

Pratowo, 2008). Biodiesel merupakan BBN yang dikembangkan saat ini.

Biodiesel merupakan alternatif bahan bakar yang dapat diperbaharui, biodegradable

yang terdiri dari asam lemak metil ester (Fatty Acid Methyl Ester = FAME) yang berasal dari

minyak tumbuhan dan lemak hewani (minyak nabati) (C.-Y, Lin et al., 2006). Minyak nabati

sebagai bahan baku pembuatan biodiesel mengandung trigliserida. Trigliserida adalah ester

dari tiga asam lemak rantai panjang yang terikat pada satu gugus gliserol. Asam lemak yang

terlepas dari trigliseridanya akan menjadi asam lemak bebas (free fatty acid = FFA).

Penelitian untuk menghasilkan biodiesel dengan berbagai jenis minyak tumbuhan sudah

banyak dilakukan diantaranya dengan minyak sawit (palm oil) (Jitputti, et al., 2006), minyak

kedelai (soybean oil) (Liu, Xuejun et al., 2007), minyak lobak (rapeseed oil) (Yoo, Sung Jin

et al., 2010), minyak biji jarak (Jatropha curcas) (Deng, Xin et al., 2011), dan minyak goreng

bekas (waste cooking oil) (Jacobson, Kathlene et al., 2008), dan lain-lain. Proses pembuatan

FAME tergantung dari kandungan FFA pada jenis-jenis minyak nabati. Kandungan FFA

rendah apabila kadarnya kurang dari 4%, maka prosesnya hanya transesterifikasi sedangkan

kandungan FFA tinggi apabila kadarnya lebih tinggi dari 20%, maka prosesnya esterifikasi

dan transesterifikasi. Untuk memperoleh yield FAME yang tinggi digunakan jenis minyak

nabati yang kandungan FFA nya rendah. Minyak kedelai (soybean oil) mempunyai bilangan

asam 0,3 – 3 (Gunawan et al., 2003), maka minyak ini sangat potensial apabila dijadikan

sebagai bahan baku pembuatan biodiesel.

Proses transesterifikasi dapat dikatalisasi oleh katalis homogen (asam dan basa),

katalis enzim, dan katalis heterogen (katalis padat). Katalis homogen basa/alkali yang sering

digunakan adalah NaOH, KOH (Meher et al., 2006), NaOCH3 (Freedman et al., 1984).

Penggunaan katalis homogen basa untuk transesterifikasi menimbulkan masalah karena basa

bereaksi dengan FFA membentuk sabun sebagai produk samping yang mana menyulitkan

dalam proses separasi dan menurunkan yield FAME (Veljkovic et al., 2006). Untuk

mencegah saponifikasi biasa digunakan asam sulfat (Saravanan et al., 2009; Shiu et al.,

2010), HCl, asam sulfonat (Melero et al., 2010) sebagai katalis homogen asam untuk

transesterifikasi. Namun, katalis homogen asam ini dapat memberikan masalah yang serius

pada lingkungan, korosi pada peralatan, dan susah untuk direcycle serta beroperasi pada suhu

Page 12: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

3

tinggi karena laju reaksinya lambat (Canakci & Van Gerpen, 2003; Lotero et al., 2005).

Untuk mengatasi kelemahan pada katalis homogen asam dan basa, digunakan katalis enzim

lipase yang terimobilisasi (Caballero et al., 2009). Katalis lipase ini mudah untuk

diregenerasi, mudah dipisahkan dari produk biodiesel, nonpolusi, dan tidak terbentuk sabun.

Namun, katalis ini sangat mahal dan mudah terdenaturasi pada suhu tinggi. Untuk mengatasi

permasalahan dari katalis homogen dan enzim, maka dikembangkan transesterifikasi dengan

menggunakan katalis heterogen padat. Katalis heterogen padat mempunyai beberapa

keuntungan diantaranya, adalah proses pemisahan dan pemurnian mudah, tidak beracun,

nonkorosif, harganya murah, dan mudah diregenerasi (Kim et al., 2004).

Jenis katalis heterogen padat ada bermacam-macam diantaranya, adalah single metal

oxides, alkaline earth metal oxides, anion exchange resins, alkali metal supported on alumina,

alkali metal supported on zeolite. Kebanyakan katalis anion exchange resin dan alkali metal

support, komponen aktifnya mudah terkorosi oleh metanol dan umurnya pendek (Ebiura et

al., 2005). Sehingga, penelitian akhir-akhir ini difokuskan pada katalis heterogen padat dari

single metal oxides. Katalis metal oxides yang sudah dipelajari untuk pembuatan FAME

diantaranya SrO, ZnO, TiO2, dan ZrO2 (Yoo, Sung Jin et al., 2010). Kekuatan kebasaan

katalis dapat diurutkan ZrO2 < TiO2 < ZnO < SrO. Semakin tinggi situs basa katalis, maka

yield FAME yang dihasilkan semakin besar. Namun, katalis ZnO sebagai komponen aktif

dapat menghasilkan yield FAME sekitar 95% sama dengan SrO, meskipun kekuatan

kebasaannya dibawah SrO karena aktifitas yang tinggi dengan metanol superkritik (Yoo,

Sung Jin et al., 2010). Untuk menambah aktifitas katalitik dalam memperluas permukaan

aktif diperlukan katalis support atau penyangga. Katalis yang dapat digunakan untuk

penyangga adalah dari alkaline earth metal oxides diantaranya CaO, MgO, dan BaO. Banyak

peneliti yang menggunakan CaO sebagai katalis support karena aktivitas katalis yang tinggi,

tidak memerlukan kondisi reaksi yang ekstrim, umur katalis yang panjang, dan harga katalis

yang murah (Peterson & Scarrah, 1984; Ono, 2003; Kabashima & Hattori, 1998).

Penambahan situs asam kedalam komponen aktif katalis heterogen menjadikan katalis

heterogen padat superasam dan penambahan situs basa menjadikan katalis heterogen padat

superbasa dapat meningkatkan yield FAME. Katalis heterogen padat superasam yang efektif

untuk pembuatan biodiesel adalah katalis yang diimpregnasi dengan asam sulfat, seperti SO42-

/ZrO2 menggunakan minyak sawit (palm oil) dengan kondisi operasi suhu 200oC, rasio

alkohol/minyak = 6:1, waktu reaksi 1 jam dan yield reaksi 90,3% (Jitputti et al., 2006).

Penelitian yang dilakukan oleh (Ding, Yuqi et al., 2011), menghasilkan katalis heterogen

Page 13: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

4

padat superbasa. Katalis yang digunakan adalah mesoporous Li/ZrO2 dengan preparasi

Zr(OBu)4 dan CH3COOLi.2H2O dikalsinasi pada suhu 650oC selama 3 jam menggunakan

soybean oil menghasilkan yield FAME 98,2 %. Didalam penelitian ini akan dibuat katalis

heterogen padat superbasa dengan komponen aktif ZnO kemudian disupport dengan

menggunakan CaO secara kopresipitasi. Kemudian untuk menjadikan katalis CaO-ZnO basa

dipromosi dengan larutan ammonium hidroksida (NH4OH) secara impregnasi. Katalis

NH4/CaO-ZnO ini akan dikarakterisasi menggunakan instrumen FT-IR dan XRD serta

aktivitas katalis akan dievaluasi dalam pembuatan biodiesel dengan metode transesterifikasi

dari minyak kedelai (soybean oil). Selain itu, penelitian ini juga akan membandingkan katalis

CaO, katalis ZnO, CaO-ZnO, dan katalis NH4/CaO-ZnO dalam penentuan karakter masing-

masing katalis dengan alat FT-IR dan XRD serta penggunaan katalis-katalis tersebut dalam

memproduksi yield biodiesel.

1.2. Perumusan Masalah

Penambahan situs basa pada komponen aktif katalis heterogen padat membuat

kekuatan kebasaan katalis menjadi lebih tinggi dan menjadi katalis superbasa. Basisitas

katalis yang tinggi dapat meningkatkan yield biodiesel. Didalam penelitian ini digunakan ZnO

sebagai komponen aktif dan sebagai support adalah CaO. Berdasarkan penelitian terdahulu,

proses transesterifikasi menggunakan katalis heterogen dengan CaO sebagai support pada

permukaan zinc oxide (ZnO) yang disiapkan secara impregnasi. Pada penelitian ini akan

diteliti lebih lanjut katalis heterogen ZnO yang dikopresipitasi dengan CaO kemudian

dipromosi dengan larutan ammonium hidroksida sehingga menjadi katalis padat heterogen

basa. Kemudian katalis NH4/CaO-ZnO yang dihasilkan akan dikarakterisasi dan dibandingkan

dengan katalis CaO, katalis ZnO dan katalis CaO-ZnO dalam kinerjanya menghasilkan yield

biodiesel dari minyak kedelai.

1.3. Tujuan Penelitian

Peneletian ini dimaksudkan untuk pembuatan dan pengujian katalis padat heterogen

basa NH4/CaO-ZnO untuk produksi biodiesel dari minyak kedelai. Maka tujuan penelitian ini

adalah :

1. Membuat katalis berbasis CaO-ZnO yang dipromosi dengan larutan ammonium

hidroksida (NH4OH) dengan metode kopresipitasi – impregnasi.

Page 14: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

5

2. Karakterisasi katalis menggunakan Fourier Transform-Infra Red (FT-IR) dan X-Ray

Difraction (XRD) untuk membuktikan keberadaan situs basa kuat serta menentukan

sifat kristal atau kristalinitas dari suatu katalis.

3. Karakterisasi produk biodiesel menggunakan Gas Chromatography-Mass

Spectrometry (GC-MS).

4. Membandingkan katalis NH4/CaO-ZnO dengan katalis CaO, katalis ZnO, dan katalis

CaO-ZnO melalui karakterisasi katalis menggunakan FT-IR dan XRD.

5. Menguji kinerja katalis untuk pembuatan biodiesel dari minyak kedelai.

1.4. Ruang Lingkup Penelitian

Untuk mencapai tujuan penelitian yang diinginkan, penelitian ini difokuskan pada

ruang lingkup :

1. Mendesain alat proses esterifikasi dan transesterifikasi yang efektif untuk

memproduksi biodiesel.

2. Menyiapkan katalis NH4/CaO-ZnO dengan ZnO sebagai komponen aktif, CaO sebagai

penyangga dan larutan ammonium hidroksida sebagai promoter dengan metode

kopresipitasi – impregnasi.

3. Menyiapkan katalis CaO, katalis ZnO, dan katalis CaO-ZnO sebagai pembanding.

3. Karakterisasi katalis yang dihasilkan menggunakan FT-IR dan XRD untuk

membuktikan keberadaan situs basa kuat dan menentukan sifat kristal dari suatu

katalis.

4. Memvariasi jenis katalis yang sudah dibuat untuk proses transesterifikasi

menggunakan minyak kedelai untuk mengetahui jumlah yield biodiesel yang paling

besar.

5. Menganalisa komposisi yield biodiesel yang didapatkan dengan menggunakan Gas

Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS).

Page 15: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Katalis

Katalis merupakan substansi senyawa kimia yang dapat menaikkan laju reaksi dan

terlibat di dalam reaksi kimia walaupun zat itu tidak ikut bereaksi secara permanen. Zat

tersebut dapat diambil kembali pada akhir reaksi. Peningkatan laju reaksi ini diakibatkan oleh

adanya reaksi baru yang diciptakan dengan energi aktivasi yang lebih rendah, sehingga katalis

dapat berfungsi mengarahkan suatu reaksi kearah yang diinginkan. Katalis tersebut dapat

mengarahkan produk yang diiinginkan dengan selektivitas yang lebih tinggi. sehingga hasil

reaksi yang diperoleh memiliki selektivitas yang relatif tinggi (Istadi, 2011).

2.2. Jenis-Jenis Katalis

Terdapat tiga macam jennis jenis katalis, yaitu : Katalis Homogen, Katalis Heterogen,

dan Katalis Enzim. Berikut penjelasan masing-masing jenis katalis :

a. Katalis Homogen

Dikatakan katalis homogen, karena memiliki fasa yang sama antara reaktan dan

produk dalam suatu reaksi. Dalam pengoperasian katalis, katalis harus dipisahkan pada

akhir reaksi bersama produk (Istadi, 2011). Pada katalis homogen karena produk reaksi

juga memiliki fasa yang sama dengan katalisnya maka sulit untuk memisahkan katalis

tersebut, maka perlu adanya kondisi operasi seperti suhu dan tekanan yang disesuaikan

oleh kinerja katalis, sehingga katalis dapat dipisahkan.

b. Katalis Heterogen

Dikatakan Katalis Heterogen, karena memiliki fasa yang berbeda antara reaktan dan

produk. Dalam pengoperasian katalis, katalis heterogen cenderung lebih mudah uutnuk

dipisahkan karena fasa yang digunakan berbeda dengan produk reaksinya. Katalis

heterogen juga mudah dibuat dan mudah diletakkan pada reaktor karena fasa yang berbeda

dengan pereaktannya (Istadi, 2011). Adanya beda fasa pada katalis dan pereaktan, maka

mekanisme reaksi menjadi sangat kompleks. Fenomena antarmuka menjadi sesuatu yang

sangat penting dan berperan. Laju reaksi dikendalikan oleh fenomena-fenomena adsorbsi,

absorbsi dan desorbsi. Mekanisme katalis heterogen melalui lima langkah, yaitu:

· Transport reaktan ke katalis

· Interaksi reaktan-raktan dengan katalis (adsorpsi)

· Reaksi dari spesi-spesi yang teradsorpsi menghasilkan prodduk-produk reaksi

Page 16: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

7

· Deadsorpsi produk dari katalis

· Transport produk menjauhi katalis

c. Katalis Enzim

Katalis Enzim juga biasa disebut biokatalisis. Katalis enzim merupakan katalis

yang memiliki keunggulan sifat (aktivitas tinggi, selektivitas dan spesifitas) sehingga

dapat dapat membantu proses–proses kimia kompleks pada kondisi lunak dan ramah

lingkungan. Enzim hanya dapat bereaksi pada range suhu tertentu dikarenakan apabila

terlalu tinggi maka protein dalam enzim akan terdenaturasi dan enzim tidak dapat bekerja

secara optimal. Adapun kelemahannya antara lain sangat mahal, sering tidak stabil,

mudah terhambat, tidak dapat diperoleh kembali setelah dipakai.

2.3. Komponen Katalis

Terdapat 3 komponen penting dalam katalis, yaitu komponen aktif (active agent),

penyangga dan promoter. Berikut adalah diagram yang saling berhubungan antara

ketiganya.

Gambar 2.1. Hubungan antara Komponen Aktif, Penyangga, dan

Promoter didalam Katalis

Page 17: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

8

a. Komponen Aktif

Komponen aktif berfungsi sebagai aktivitas pada reaksi kimia, mengemban fungsi

utama katalis untuk mempercepat dan mengarahkan reaksi. Komponen aktif biasanya

berupa logam, oksida dan sulfida semikonduktor, serta oksida dan sulfida isolator (Istadi,

2011).

b. Penyangga (support)

Penyangga berfungsi untuk memperoleh luas permukaan yang tinggi, porositas, sifat-

sifat mekanik, kestabilan, aktivitas fungsional ganda, modifikasi komponen aktif. Jenis

penyangga bisa berupa oksida dengan melting point tinggi, tanah liat, dan karbon.

Penyangga harus tahan terhadap perubahan termal, maka seharusnya memiliki titik leleh

sedikit di atas komponen aktifnya. Besarnya konsentrasi komponen aktif atau biasa disebut

loading juga mempunyai efek yang signifikan agar penyangga bisa memberikan tingkat

dispersi komponen aktif yang besar (Istadi, 2011).

c. Promotor

Promotor didesain untuk membantu komponen aktif dan penyangga (Istadi, 2011).

Pada komponen aktif promotor berfungsi untuk: elektronik, morfologi, poisoning,

sedangkan fungsi pada penyangga: struktural, inhibisi aktivitas, promosi aktivitas. Tujuan

pemberian promotor ini adalah untuk menghasilkan aktifitas, selektivitas, dan efek

stabilitas yang diinginkan (Istadi, 2011).

2.4. Karakterisasi Katalis

Katalis yang telah dibuat perlu diuji apakah struktur katalis tersebut sudah sesuai

dengan struktur yang diinginkan atau desain apa tidak. Pengujian katalis ini biasa disebut

karakterisasi (characterization). Pemilihan metode karakterisasi merupakan hal yang paling

penting untuk karakterisasi katalis. Tentunya pemilihan metode karakterisasi katalis

tergantung pada keperluan atau kepentingannya secara ilmiah dan teknis, biaya karakterisasi,

dan kemudahan akses peralatan (Istadi, 2011). Secara garis besar, teknik karakterisasi katalis

dapat dibagi menjadi beberapa macam berdasarkan sifat-sifat yang akan diteliti, antara lain :

1. Sifat-sifat partikel , meliputi : luas permukaan (surface area), porositas atau dstribusi

ukuran pori (adsorpsi uapa pada suhu rendah, Hg porosietry, dan incipient wetness),

densitas, ukuran partiikel, sifat-sifat mekanis, dan difusivitas.

2 . Sifat-sifat permukaan (surface), meliputi : struktur dan morfologi (SEM, TEM, XRD,

EXAFS, XPS, IR, Raman, UV-Vis), disperse (chemisorptions), dan keasamaan (TPD).

Page 18: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

9

3. Sifat-sifat bulk, meliputi : komposisi elemental (XRF, AAS), sifat-sifat senyawa atau

struktur fasa (XRD, Raman, IR, DTA, TPR, TPO, TEM), struktur molekul (IR, Raman,

UV-Vis, XAFS, NMR, dan EPR), serta reaktivitas bulk (XRD, UV-Vis, TGA, DTA,

TPR, dan TPO).

Metode karakterisasi katalis yang digunakan dalam penelitian ini ada 2, yaitu :

1. XRD

Karakterisasi XRD bertujuan untuk menentukan sifat kristal atau kristalinitas dari suatu

katalis. Kebanyakan dari katalis adalah berbentuk padatan kristal seperti oksida logam,

zeolite, logam yang berpenyangga. Dasar dari prinsip pendifraksian sinar-X yaitu difraksi

sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh atom dalam dalam sebuah kisi

periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang

konstruktif. Pola konstruktif difraksi ini diplotkan berdasarkan intensitas peak yang

menyatakan peta parameter kisi kristal atau indeks Miller (hkl) sebagai fungsi 2θ, dimana θ

menyatakan sudut difraksi berdasarkan persamaan Bragg (Richardson, 1989) pada Persamaan

(2.1).

nλ = 2 d sin θ (2.1)

dimana d menyatakan jarak antarlapisan atom atau ion yang berdekatan, λ yang

menyatakan panjang gelombang radiasi sinar X, dan n adalah urutan-urutan pantulan.

Lebar peak merupakan fungsi dari ukuran kristal atau partikel yang dihitung dengan

menggunakan Persamaan Scherrer sebagai berikut :

Crystallite size = Kλ

(B2−b2)1/2cos(θ) (2.2)

Dimana : K = 1.00, B adalah lebar peak untuk jalur difraksi pada sudut 2θ, b adalah

instrument peak broadening (0,10), dan λ adalah panjang gelombang pada 0,154 nm

(Richardson, 1989; Wolfovich et al., 2004). Suku (B2-b

2)1/2

adalah lebar peak untuk

corrected instrumental broadening.

Gambar 2.2. XRD line bordening dari Kristal

Terdispersi

Page 19: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

10

Metode XRD banyak digunakan untuk membedakan material yang bersifat dengan

amorf, mengukur macam-macam keacakan dan penyimpangan kristal, karakterisasi material

yang berwujud kristal, dan mengidentifikasi mineral-mineral yang berbutir halus seperti tanah

liat, serta juga dapat untuk mengidentifikasi dan menentukan besarnya fasa dalam padatan,

film tipis, dan sampel multifasa. Kelebihan penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material

adalah kemampuan penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang

gelombangnya yang pendek. Disamping kelebihan, metode ini juga memiliki kekurangan

yaitu tidak mampu menampilkan sifat-sifat yang diperlukan untuk katalis-katalis yang bersifat

bukan kristal.

Komponen utama XRD yaitu terdiri dari tabung katoda (tempat terbentuknya sinar-X),

sampel holder dan detektor. Sinar X yang dihasilkan di tabung sinar X yang berisi katoda

memanaskan filamen (15-60 kV), sehingga menghasilkan elektron, perbedaan tegangan

menyebabkan percepatan elektron yang akan menembaki objek. Ketika elektron mempunyai

tingkat energi yang tinggi dan menabrak elektron dalam objek sehingga dihasilkan pancaran

sinar X. Objek dan detektor berputar untuk menangkap dan merekam intensitas sinar X.

Detektor merekam dan memprosel sinyal sinar X dan mengolahnya dalam bentuk grafik.

Salah satu alat XRD yang biasa digunakan adalah Siemen D5000 yang menggunakan radiasi

Cu-Kα radiation. Tabung X-ray dioperasikan pada 40 kV dan 30 mA.

2. FTIR (Fourier Transmission Infra Red)

FTIR merupakan salah satu teknik spektroskopi inframerah yang memberikan informasi

karakteristik katalis dipermukaan dalam hal struktur oksida logam. Metode karakterisasi ini

dapat juga memberikan sifat-sifat situs permukaan terhadap molekul tertentu, sehingga

interaksi antarmolekul dan reaktivitas permukaan dapat dipelajari. Pada spektroskopi

inframerah, spektrum inframerah terletak pada daerah dengan panjang gelombang 0,78

sampai 1000 μm atau bilangan gelombang 12800 sampai 1 cm-1

. FTIR termasuk kedalam

kategori radiasi inframerah pertengahan (bilangan gelombang 4000-200 cm-1

) (Lestari, 2009).

Prinsip kerja FTIR adalah sebagai berikut : suatu sumber infra merah akan mengemisikan

energi infra merah dan berjalan melalui bagian optik dari spektrofotometer. Kemudian

gelombangan sinar tersebut dipisahkan dan digabungkan kembali untuk menghasilkan suatu

pola interferensi. Lalu, intensitas dari frekuensi sinar ditransmisikan dan diukur oleh detector.

Hasil dari detector adalag interferogram, yaitu suatu daerah waktu yang menggambarkan pola

interferensi. Dengan adanya ADC (Analog to Digital Converter) akan mengubah pengukuran

Page 20: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

11

tersebut menjadi suatu format digital yang dapat digunakan oleh komputer. Kemudian

interferogram diubah menjadi suatu pita spektrum tunggal (single beam spectrum) oleh FTT

(Fast Fourier Transform) ( (Nurofik, 2008).

Gambar 2.3. Skema Alat Spektrofotometri FTIR

Plot antara prosentase transmitansi dengan bilangan gelombang akan menghasilkan

spektrum inframerah dan setiap tipe ikatan yang berbeda mempunyai frekuensi vibrasi yang

sedikit berbeda, maka tidak ada dua molekul yang berbeda strukturnya akan mempunyai

bentuk serapan inframerah atau spektrum inframerah yang sama. FTIR memanfaatkan energi

vibrasi gugus fungsi penyusun senyawa hidroksiapatit, yaitu gugus PO43-

, gugus CO32-

, serta

gugus OH- (Lestari, 2009).

2.5. Metode Pembuatan Katalis

Terdapat dua metode pembuatan katalis, yaitu metode impregnasi dan kopresipitasi.

1. Metode Impregnasi

Metode impregnasi merupakan metode pembuatan katalis yang paling sederhana atau

merupakan metode dekomposisi komponen aktif secara langsung. Tujuan utama dari

metode ini adalah untuk mengisi pori-pori katalis dengan larutan garam logam dengan

konsentrasi tertentu untuk memberikan logam aktif dengan presentasi loading tertentu.

Beberapa hal yang perlu diperhatikan diantaranya adalah proses pengeringan katalis.

Proses pengeringan bertujuan agar komponen aktif terkristal di permukaan pori. Jika laju

pengeringan terlalu lambat, penguapan terjadi hanya dibagian meniskus dari pori. Jika

pengeringan terlalu cepat, gradien suhu antara bagian permukaan pori dan bagian dalam

pori terlalu tinggi sehingga komponen aktif akan terdeposisi pada bagian ujung pori.

Setelah melewati proses pengeringan, hasil padatan kemudian dikalsinasi pada suhu dan

waktu tertentu (Istadi, 2011).

Page 21: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

12

2. Metode Kopresipitasi

Metode kopresipitasi digunakan pada proses pembuatan katalis dari larutan garam-

garamnya. Larutan garam dari logam penyusun katalis bisa dalam bentuk oksalat, nitrat,

sulfat, ataupun klorida. Larutan alkali yang cukup banyak perlu ditambahkan untuk

memastikan larutan garam dari komponen aktif di atas terjadi presipitasi atau dengan

mengatur pH hingga pH tertentu dimana sudah terjadi presipitasi. Hasil presipitasi berupa

padatan kemudian disaring dari campurannya dan dicuci dengan air distilat hingga bersih

dari larutan alkali sisa. Pencucian dimaksudkan untuk menghilangkan larutan alkali yang

tersisa, reagen anion, dan kelebihan deposit di permukaan partikel (Istadi, 2011).

Kopresipitasi merupakan kontaminasi endapan oleh zat lain yang larut dalam pelarut. Hal

ini berhubungan dengan adsorpsi pada permukaan partikel dan terperangkapnya (oklusi)

zat asing selama proses pertumbuhan kristal dari partikel primernya. Kontaminasinya

bertambah akibat pengadukan larutan.kemungkinan bertambahnya kontaminasi cukup

kecil dibanding pada postpresipitasi.

2.6. Minyak Kedelai

Di Indonesia pertanaman kedelai terpusat di Jawa, Lampung, Nusa Tenggara Barat

dan Bali. Varietas-varietas kedelai yang ada di Indonesia adalah Daphros, Orba dan T.K.5.

Kedelai dapat tumbuh sampai ketinggian 1500 m dpi, sedangkan ketinggian optimalnya

adalah 650 m dpi. Untuk pertumbuhan kedelai perlu suhu optimal 29,4 oC, pH tanah 6,0-6,8.

Kedelai dapat ditanam secara monokultur maupun tumpang sari, di lahan kering (tegalan)

maupun di lahan bekas padi di lahan sawah.

Kedelai merupakan sumber protein nabati. Rata-rata kandungan protein biji adalah

35%, kandungan asam amino terbanyak adalah leusin (484 mg/g N2). Kedelai dapat

digunakan sebagai bahan makanan (tahu, tempe, kecap, tauco, taoji, susu kedelai, tauge,

minyak dan sebagainya). Dalam minyak kedelai terdapat fosfatida yang terdiri dari sekitar 2

persen lesitin dan sepalin yang digunakan sebagai bahan pengemulsi dalam industri makanan.

Lesitin digunakan sebagai bahan pengempuk dalam pembuatan kue dan roti.

Page 22: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

13

Tabel 2.1. Kandungan gizi kedelai dalam basis kering

Kandungan Komposisi

Protein 40,69 ± 0,51

Lysine 2,56 ± 0,11

Methionine 0,57 ± 0,03

Cystein 0,72 ± 0,06

Tryptophane 0,52 ± 0,05

Threonine 1,54 ± 0,07

Oil 21,38 ± 0,64

Ash 4,56 ± 0,34

Carbohydrate 29,4 ± 3,29

Sumber: (Hammond et al., 2005)

Minyak kedelai diperoleh dari proses ekstraksi biji kedelai. Seperti minyak nabati pada

umumnya, minyak kelapa sawit tersusun atas lemak dan minyak alam yang terdiri atas

trigliserida, digliserida dan monogliserida, asam lemak bebas, moisture, pengotor dan

komponen-komponen minor bukan minyak/lemak yang secara umum disebut dengan

senyawa yang tidak dapat tersabunkan.

Gambar 2.4. Kandungan Gizi Kedelai

Page 23: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

14

Kandungan minyak dan komposisi asam lemak dalam kedelai dipengaruhi oleh

varietas dan keadaan iklim tempat tumbuh. Lemak kasar terdiri dari trigliserida sebesar 90-

95%, sedangkan sisanya adalah fosfatida, asam lemak bebas, sterol dan tokoferol. Minyak

kedelai mempunyai kadar asam lemak jenuh sekitar 15% sehingga sangat baik sebagai

pengganti lemak dan minyak yang memiliki kadar asam lemak jenuh yang tinggi seperti

mentega dan lemak babi. Hal ini berarti minyak kedelai sama seperti minyak nabati lainnya

yang bebas kolestrol, seperti yang ditunjukkan dalam komposisi dari minyak nabati dibawah

ini.

Asam lemak dalam minyak kedelai sebagian besar terdiri dari asam lemak esensial

yang sangat dibutuhkan oleh tubuh. Dibawah ini disajikan kandungan metil ester, nilai deviasi

serta jumlah bilangan asam pada minyak kedelai.

Gambar 2.5. Minyak Kedelai

Gambar 2.6. Kandungan Minyak Kedelai dibanding

Minyak Nabati lainnya

Page 24: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

15

Tabel 2.2. Tabel Kandungan Metil Ester dan Nilai Standard Deviasi Minyak Kedelai

Methyl Ester Typical Value Range Achieved

Myristate 0,04 ± 0,5 Trace – 0,03

Palmitate 10,57 ± 0,43 3,2 – 26,4

Palmitoleate 0,02 ± 0,04 Trace – 0,7

Stearate 4,09 ± 0,34 2,6 – 32,6

Oleate 22,98 ± 2,01 8,6 – 79,0

Linoleate 54,51 ± 1,54 35,2– 64,8

Linolenate 7,23 ± 0,78 1,7 – 19,0

Arachidate 0,33 ± 0,14 Trace – 0,7

Gondoate 0,18 Trace – 0,6

Behenate 0,25 ± 0,20 Trace – 1,0

Lignocerate 0,1 -

Furanoid IIb 0,014 ± 0,0086 0,0033 – 0,0290

Furanoid IIIc 0,015 ± 0,0076 0,0084 – 0,0272

Saponification Value 190,4 188,5 – 201,6

Iodine Value 132,7 114,0 – 138,5

Sumber: (Hammond et al., 2005)

Tabel 2.3. Tabel Karakteristik Minyak Kedelai

Sifat Nilai

Bilangan asam

Bilangan penyabunan

Bilangan iod

Bilangan thiosianogen

Bilangan hidroksil

Bilangan Reichert Meissl

Bilangan Polenske

Bahan yang tak tersabunkan

Indeks bias (25oC)

Bobot jenis (25/ 25oC)

Titer (oC)

0,3-3,000

189-195

117-141

77-85

4-8

0,2-0,7

0,2-1,0

0,5-1,6%

1,471-1,475

0,916-0,922

22-27

Sumber: (Gunawan et al., 2003)

Page 25: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

16

Dari tabel 2.4. dapat diketahui bilangan asam minyak kedelai sebesar 0,3 – 3,0.

Sedangkan jumlan bilangan asam pada minyak kelapa sawit tertera pada tabel berikut ini.

Tabel 2.4. Kandungan Bilangan Asam dari Minyak Kelapa Sawit

Minyak FFA

Crude Palm Oil 1-10 %

Palm Fatty Acid Distillate 70-90 %

Crude Palm Kernel Oil 1-10%

Crude Palm Stearin 1-10 %

Palm Sludge Oil 10-80 %

Sumber : (Utami & Solikhah, 2011)

Bilangan asam pada minyak kelapa sawit lebih besar daripada minyak kedelai.

Bilangan asam yang tinggi membutuhkan proses preparasi terlebih dahulu melalui proses

esterifikasi untuk menghilangkan kadar asam lemak bebas sebelum ke tahap transesterifikasi

(pembuatan biodiesel). Cara pengolahan asam lemak bebas dapat dilakukan dengan cara

berikut:

• Kadar FFA < 2% -------> dengan penetralan,

• Kadar FFA > 2% -------> dengan esterifikasi asam lemak.

Oleh karena itu dipilih minyak kedelai sebagai bahan baku biodiesel karena

kandungan bilangan asam yang kecil tidak memerlukan proses esterifikasi terlebih dahulu

sehingga memudahkan penanganan dalam proses pembuatannya.

Nilai gizi asam lemak esensial dalam minyak dapat mencegah timbulnya athero-

sclerosis atau penymbatan pembuluh darah. Kegunaan minyak kedelai yang sudah

dimurnikan dapat digunakan untuk pembuatan minyak salad, minyak goreng (cooking oil)

serta untuk segala keperluan pangan. Lebih dari 50 % pangan dibuat dari minyak kedelai,

terutama margarin dan shortening. Hampir 90 % dari produksi minyak kedelai digunakan di

bidang pangan dan dalam bentuk telah dihidrogenasi, karena minyak kedelai mengandung

lebih kurang 85 % asam lemak tidak jenuh.

Minyak kedelai juga digunakan pada pabrik lilin, sabun, varnish, lacquers, cat, semir,

insektisida dan desinfektan. Bungkil kedelai mengandung 40-48 % protein dan merupakan

bahan makanan ternak yang bernilai gizi tinggi, juga digunakan untuk membuat lem, plastik,

larutan yang berbusa, rabuk dan serat tekstil sintesis. Bila minyak kedelai akan digunakan di

bidang nonpangan, maka tidak perlu seluruh tahap pemurnian dilakukan. Misalnya untuk

pembuatan sabun hanya perlu proses pemucatan dan deodorisasi, agar warna dan bau minyak

kedelai tidak mencemari warna dan bau sabun yang dihasilkan.

Page 26: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

17

Titik cair yang dimiliki minyak kedelai sangat tinggi, yaitu sekitar -16oC dan biasanya

berbentuk padat (solid) pada ruang yang mempunyai suhu tinggi. Hal ini berarti minyak

kedelai dapat digunakan untuk biodiesel dan bahan bakar pada musim panas (summer fuel).

Dibawah ini disajikan sifat fisik dari minyak kedelai.

Tabel 2.5. Tabel Sifat Fisik Minyak Kedelai

Density 20o C

0,9165 to 0,9261 g/mL. Decreases 0,000643 to

0,000668 g/mL oC

Specific Heat Capacity

20o C

0,448 cal/g oC increases 0,000616 cal/g

oC

Melting point 0,6 oC

Cloud Point -9 oC

Pour Point -12 to -16 oC

Heat of combustion 9450 – 9388 cal/g

9135 ± 91 cal/g

Heat transfer coefficient 269,7 watts/ oK m

2 at 180

oC

Surface tension 30 oC 27,6 dyne/cm Decreases 0,077 dyne/cm

oC

Viscosity 20 oC 58,5 – 62,2 Cp

Recractive Index nD 20oC 1,4733 – 1,4760

Vapor pressure 1µ at 254 oC

Heat of vaporization 44200 cal/mol

Sumber: (Hammond, Johnson, Su, Wang, & White, 2005)

2.7. Transesterifikasi

Ester merupakan suatu senyawa turunan asam karboksilat dimana gugus hidroksi dari

asam karboksilat digantikan oleh gugus alkoksi. Esterifikasi merupakan reaksi antara asam

karboksilat dengan alkohol membentuk senyawa ester dan air. Reaksi esterifikasi pada

dasarnya adalah penggantian hidrogen pada gugus karbonil dengan suatu hidrokarbon atau

alkil. Reaksi esterifikasi dapat berlangsung dengan katalis asam maupun basa. Reaksi

esterifikasi dapat dibagi atas dua jenis, diantaranya sebagai berikut:

1. Esterifikasi langsung, yang merupakan reaksi antara alkohol dengan asam lemak.

RCOOH + R`OH → RCOOR` + H2O

Reaksi ini merupakan reaksi substitusi nukleofilik gugus asil. Reaksinya tidak

langsung secara substitusi, tetapi melalui 2 tahap. Tahap pertama adalah adisi

nukleofilik dan diikuti tahap kedua yaitu eliminasi.

2. Transesterifikasi, yang meliputi reaksi:

Page 27: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

18

a. Alkoholisis, merupakan reaksi antara ester dengan alkohol membentuk ester yang

baru.

RCOOR` + R``OH → RCOOR`` + R`OH

b. Asidolisis, merupakan reaksi antara ester dengan asam karboksilat membentuk

ester yang baru.

RCOOR` + R``COOH → R``COOR` + RCOOH

c. Interesterifikasi merupakan suatu reaksi ester dengan ester lainnya atau disebut

ester interchange.

Transesterifikasi atau alkoholisis adalah reaksi pertukaran gugus alkohol dari suatu

ester dengan ester lain. Penambahan katalis (asam kuat atau basa kuat) akan mempercepat

reaksi transesterifikasi dalam pembentukan ester. Transesterifikasi dapat dikatalisis oleh

asam-asam Brönsted, lebih sering digunakan sulfonat dan asam sulfat (Utami & Solikhah,

2011).

Minyak nabati pada tumbuhan dikenal dengan nama trigliserida. Trigliserida adalah

ester dari tiga molekul asam lemak dan mengandung sejumlah atom oksigen dalam

strukturnya, sedangkan asam-asam lemak tersebut mempunyai perbedaan dalam panjang

rantai karbonnya dan jumlah ikatan gandanya (Istadi, 2011). Alkohol-alkohol yang dapat

digunakan pada proses transesterifikasi trigliserida adalah metanol, etanol, propanol, butanol,

dan amil alkohol.

Biodiesel dapat berupa metil ester atau etil ester tergantung jenis alkohol yang

digunakan. Tetapi yang paling sering diproduksi adalah metil ester karena metanol mudah

didapat dan tidak mahal. Metanol lebih reaktif dibandingkan dengan etanol, sehingga

penggunaan metanol menghasilkan mono dan diasilgliserol yang relatif lebih rendah

dibandingkan dengan penggunaan etanol pada kondisi reaksi yang sama (Utami & Solikhah,

2011).

Secara umum reaksi transesterifikasi antara trigliserida dan alkohol (metanol) dapat

digambarkan sebagai berikut:

Page 28: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

19

Gambar 2.7. Reaksi Transesterifikasi antara Trigliserida dan Metanol

Reaksi antara minyak atau lemak dengan alkohol merupakan reaksi yang bersifat

bolak-balik. Oleh sebab itu alkohol harus ditambahkan berlebih untuk membuat reaksi

berjalan ke arah kanan mengikuti pseudo first order. Menurut azas Le Chatelier bahwa:

“Setiap perubahan pada salah satu variabel sistem keseimbangan akan menggeser posisi

keseimbangan ke arah tertentu yang akan menetralkan/ meniadakan pengaruh variabel yang

berubah tadi”.

Adanya katalis dalam reaksi (asam atau basa kuat) dapat mempercepat reaksi

transesterifikasi. Transesterifikasi trigliserida dapat menghasilkan ester alkil asam lemak dan

gliserol. Fasa gliserol akan terpisah di bagian bawah reaktor. Transesterifikasi umumnya

menggunakan katalis basa/alkali seperti NaOH atau KOH yang merupakan salah satu jenis

katalis homogen dimana katalis ini mempunyai fasa yang sama dengan fasa campuran

reaksinya, sehingga produk reaksi sulit dipisahkan dari sisa reaktannya.

Minyak dan lemak yang mengandung asam lemak bebas dalam jumlah banyak tidak

dapat dikonversi secara langsung menjadi metil ester dengan menggunakan katalis basa.

Pengaruh negatif katalis basa pada reaksi transesterifikasi minyak yang memiliki kandungan

asam lemak bebas tinggi akan mengakibatkan asam lemak bebas bereaksi dengan katalis yang

ditambahkan selanjutnya akan bereaksi menghasilkan sabun, disamping itu sebagian katalis

akan dinetralisasi. Jika terdapat air dalam reaksi, sabun akan terbentuk terlebih dahulu

membentuk emulsi dengan metanol dan minyak, sehingga reaksi metanolisis tidak dapat

terjadi. Adanya sabun akan mengakibatkankan naiknya koefisien viskositas dan pembentukan

gel yang akan mengganggu jalannya reaksi transesterifikasi serta berpengaruh terhadap proses

pemisahan gliserol. Oleh karena itu digunakan katalis heterogen karena katalis ini

mempermudah penanganan akhir produk (pemisahan dan pemurnian). Disamping itu dapat

mengurangi pembentukan sabun dan dapat digunakan kembali.

Page 29: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

20

Tabel 2.6. Pengembangan Katalis Heterogen untuk Proses Transesterifikasi Trigliserida

Katalis

Jenis

minyak

tumbuhan

Kondisi Operasi Yield

FAME

(konversi

minyak)

Referensi Suhu

(oC)

Rasio

alkohol/

minyak

Waktu

reaksi

CaCO3 Minyak

kedelai 260 6 : 1 18 min 95 %

(Suppes et

al., 2001)

Ba(OH)2 Rapeseed

oil

6 : 1 1 jam 80 % Leclercq et

al.,2001

Na/NaOH/Al2O3 Minyak

kedelai 60 9 : 1 2 jam > 90 %

Kim et al.,

2004

Tungstated

zirconia- alumin

Minyak

kedelai 200 – 300 40 : 1 4 jam > 90 %

Furuta et al.,

2004

CaO Minyak

jarak 70 9 : 1 2,5 jam 93 %

(Huaping et

al., 2006)

SO42-

/SnO2 Minyak

sawit 200 6 : 1 1 jam 90,3 %

Jitputti et al.,

2006

SO42-

/ZrO2 Minyak

sawit 200 6 : 1 1 jam 90,3 %

Jitputti et al.,

2006

Amberlyst-15 Triacetin 60 6 : 1 2 jam 50 % Lopez et al.,

2005

CMZ30 Minyak

sawit 450

WHSV=

2,5 jam 92,9 %

Ooi et al.,

2005

KNO3/Al2O3 (6,5

%)

Minyak

kedelai 15 : 1 7 jam 87 %

Xie et al.,

2006

Mg – Al

hydrotalcites (7,5

%)

Minyak

kedelai 15 : 1 9 jam 67 %

Xie et al.,

2005

KNO3/Al2O3

(6,5 %)

Minyak

kedelai 15 : 1 7 jam 87 %

Xie et al.,

2006

SrO solid acid Minyak

kedelai 65 12 : 1 0,5 jam 95 %

Liu et al.,

2007

Page 30: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

21

2.8. Prediksi Mekanisme Reaksi Katalitik Berbasis Katalis Heterogen Basa

Gambar 2.8. Mekanisme Reaksi Transesterifikasi yang dikatalisasi oleh basa/alkali

Mekanisme reaksi katalitik berbasis katalis heterogen basa adalah sebagai berikut:

langkah pertama adalah pembentukan ion alkoksida (RO-) melalui proton dari alkohol

dengan katalis basa (B). Kemudian ion alkoksida menyerang karbon ke molekul karbonil

trigliserida dan kemudian terbentuk tetrahedral ion (langkah 2), yang disusun ulang untuk

menghasilkan sebuah digliserida ion dan alkil ester molekul (langkah 3). Akhirnya, ion

diglyc-eride bereaksi dengan katalis basa terprotonasi, yang menghasilkan molekul digliserida

dan ternyata hasilnya merupakan katalis basa ke bentuk awal (langkah 4). Yang dihasilkan

adalah digliserida siap untuk bereaksi dengan molekul alkohol yang lain, sehingga memulai

siklus katalitik berikutnya. Dasar heterogen katalisis juga mengikuti mekanisme yang serupa.

Anion dari alkoksida menempel ke situs dasar katalis (misalnya, unsur-unsur logam oksida

alkali) dan bereaksi dengan trigliserida dari fase cair (Dae-Won, Lee et al., 2009).

2.9. Biodiesel

Biodiesel merupakan suatu nama dari Alkyl Ester atau rantai panjang asam lemak

yang berasal dari minyak nabati maupun lemak hewan. Biodiesel dapat digunakan sebagai

bahan bakar pada mesin yang menggunakan diesel sebagai bahan bakarnya tanpa memerlukan

modifikasi mesin. Biodiesel tidak mengandung petroleum diesel atau solar.

Page 31: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

22

2.9.1. Perbedaan Biodiesel dengan Petroleum Diesel (Solar)

Biodiesel mempunyai rantai karbon antara 12 sampai 20 serta mengandung oksigen.

Adanya oksigen pada biodiesel membedakannya dengan petroleum diesel (solar) yang

komponen utamanya hanya terdiri dari hidro karbon. Jadi komposisi biodiesel dan petroleum

diesel sangat berbeda.

Biodiesel terdiri dari metil ester asam lemak nabati, sedangkan petroleum diesel

adalah hidrokarbon. Biodiesel mempunyai sifat kimia dan fisika yang serupa dengan

petroleum diesel sehingga dapat digunakan langsung untuk mesin diesel atau dicampur

dengan petroleum diesel. Pencampuran 20% biodiesel ke dalam petroleum diesel

menghasilkan produk bahan bakar tanpa mengubah sifat fisik secara nyata. Produk ini di

Amerika dikenal sebagai Diesel B-20 yang banyak digunakan untuk bahan bakar bus.

Energi yang dihasilkan oleh biodiesel relatif tidak berbeda dengan petroleum diesel

(128.000 BTU vs 130.000 BTU), sehingga engine torque dan tenaga kuda yang dihasilkan

juga sama. Walaupun kandungan kalori biodiesel serupa dengan petroleum diesel, tetapi

karena biodiesel mengandung oksigen, maka flash pointnya lebih tinggi sehingga tidak mudah

terbakar. Biodiesel juga tidak menghasilkan uap yang membahayakan pada suhu kamar, maka

biodiesel lebih aman daripada petroleum diesel dalam penyimpanan dan penggunaannya. Di

samping itu, biodiesel tidak mengandung sulfur dan senyawa benzena yang karsinogenik,

sehingga biodiesel merupakan bahan bakar yang lebih bersih dan lebih mudah ditangani

dibandingkan dengan petroleum diesel.

2.9.2. Keunggulan biodiesel

Biodiesel bersifat biodegradable, dan hampir tidak mengandung sulfur. Alternatif

bahan bakar terdiri dari metil atau etil ester, hasil transesterifikasi baik dari triakilgliserida

(TG) atau esterifikasi dari asam lemak bebas (FFA) (Gunawan et al.,2003).

Pengembangan biodiesel juga lebih menguntungkan jika dibandingkan dengan

penggunaan minyak tumbuhan langsung sebagai bahan bakar. Proses termal (panas) di dalam

mesin akan menyebabkan minyak terurai menjadi gliserin dan asam lemak. Asam lemak

dapat teroksidasi atau terbakar secara relatif sempurna.

Pengembangan produk biodiesel dari minyak tumbuhan seperti minyak sawit, juga

diarahkan pada sifat bahan bakunya yang dapat diperbaharui. Disamping itu, penggunaan

biodiesel juga dapat mengurangi emisi karbon monoksida, hidrokarbon total, partikel, dan

sulfur dioksida. Emisi nitrous oxide juga dapat dikurangi dengan penambahan konverter

katalitik. Kelebihan lain dari segi lingkungan adalah tingkat toksisitasnya yang 10 kali lebih

Page 32: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

23

rendah dibandingkan dengan garam dapur dan tingkat biodegradabilitinya sama dengan

glukosa, sehingga sangat cocok digunakan di perairan untuk bahan bakar kapal/motor.

Biodiesel tidak menambah efek rumah kaca seperti halnya petroleum diesel karena karbon

yang dihasilkan masih dalam siklus karbon.

Selain mereduksi efek rumah kaca, penggunaan biodiesel juga akan meningkatkan

kualitas udara lokal dengan mereduksi emisi gas berbahaya, seperti karbon monooksida

(CO), ozon (O3) dan hidrokarbon reaktif lainnya, serta asap dan partikel yang dapat terhirup.

Hasil pengamatan menunjukkan bahwa kadar emisi gas buang seperti CO, CO2, NOx,

SO2, dan hidrokarbon dari bahan bakar campuran biodiesel dan solar lebih rendah

dibandingkan dengan bahan bakar solar murni. Penggunaan biodiesel juga dapat mereduksi

polusi tanah, serta melindungi kelestarian perairan dan sumber air minum.

Hal ini berhubungan dengan penggunaan mesin-mesin diesel di sektor

perairan.Kelebihan-kelebihan yang dimiliki oleh biodiesel ini ditunjang oleh sifatnya yang

dapat teroksigenasi relatif sempurna atau terbakar habis, non-toksik, dan dapat terurai secara

alami (biodegradable).

Untuk penggunaan biodiesel pada dasarnya tidak perlu modifikasi pada mesin diesel,

bahkan biodiesel mempunyai efek pembersihan terhadap tangki bahan bakar, injektor dan

selang.

2.9.3. Karakterisasi Biodiesel

Spesifikasi biodiesel dapat dilihat dari berbagai aspek diantaranya:

1. Angka Setana

Angka setana menunjukkan kemampuan bahan bakar untuk menyala sendiri (auto

ignition). Skala untuk angka setana biasanya menggunakan referensi berupa campuran

antara normal setana (C16H34) dan alpha metyl napthalena (C10H7CH3) atau dengan

heptemethylnonane (C16H34). Normal setana memiliki angka setana 100, alpha metyl

napthalena memiliki angka setana 0, dan hepta metylnonane memiliki angka setana 15.

Angka setana suatu bahan bakar biasanya didefinisikan sebagai persentase volume dari

normal setana dengan campurannya tersebut.

2. Massa Jenis

Massa jenis menunjukkkan perbandingan berat persatuan volume. Karakteristik ini

berkaitan dengan nilai kalor dan daya yang dihasilkan oleh mesin diesel per satuan volume

bahan bakar.

3. Viskositas

Page 33: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

24

Viskositas adalah tahanan yang dimiliki fluida yang dialirkan dalam pipa kapiler

terhadap gaya gravitasi. Biasanya dinyatakan dalam waktu yang diperlukan untuk mengalir

pada jarak tertentu. Jika viskositas semakin tinggi maka tahanan untuk mengalir semakin

tinggi. Karakteristik ini sangat penting karena mempengaruhi kinerja injektor pada mesin

diesel.

4. Titik nyala atau titik kilat ( flash point )

Titik nyala atau titik kilat ( flash point ) adalah titik temperatur terendah yang

menyebabkan bahan bakar menyala. Penentuan titik nyala ini berkaitan dengan keamanan

dalam proses penyimpangan dan penanganan bahan bakar bio diesel tersebut.

5. Titik kabut atau titik awan (Cloud Point)

Titik kabut atau titik awan (Cloud Point) adalah temperatur saat minyak mulai

berkeruh bagaikan berkabut, tidak lagi jernih pada saat didinginkan. Jika temperature

diturunkan lebih lanjut akan didapat titik tuang.

6. Titik tuang (Pour Point)

Titik tuang (Pour Point) adalah Temperatur terendah yang menunjukkan mulai

terbentuknya kristal parafin yang dapat menyumbat saluran bahan bakar. Titik ini

dipengaruhi oleh derajat ketidak jenuhan (angka iodium). Semakin tinggi ketidakjenuhan,

titik tuang akan semakin rendah. Titik tuang juga dipengaruhi panjang rantai karbon.

Semakin panjang rantai karbon maka semakin tinggi titik tuangnya.

7. Kadar air (Water Content)

Kadar air (Water Content) yang nilainya diatas ketentuan akan menyebabkan reaksi

yang terjadi pada konversi minyak lemak tidak sempurna (terjadi penyabunan). Bisa juga

terjadi pada hidrolisis pada biodiesel sehingga akan meningkatkan bilangan asam,

menurunkan PH dan meningkatkan sifat korosif. Pada temperatur rendah, air dapat

mendorong terjadinya pemisahan pada biodiesel murni dan dalam proses blending.

Sementara itu, sedimen pada biodiesel dapat menyumbat dan merusak mesin.

8. Gliserol bebas (Free Gliserol)

Gliserol bebas (Free Gliserol) adalah gliserol yang hadir sebagai molekul gliserol

dalam bahan bakar biodiesel. Gliserol bebas ada karena proses pemisahan antara ester dan

gliserol yang tidak sempurna.

9. Gliserol Total (Total Gliserol)

Page 34: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

25

Gliserol Total (Total Gliserol) adalah jumlah gliserol bebas dan gliserol terikat.

Gliserol terikat (bonded glycerol) adalah gliserol yang dalam bentuk molekul mono, di dan

trigliserida.

10. Angka Asam Total (Total Acid Number)

Angka Asam Total (Total Acid Number) adalah banyaknya mili gram KOH yang

dibutuhkan untuk menetralkan asam – asam bebas di dalam satu gram contoh biodiesel.

Angka asam yang tinggi merupakan indikator biodiesel masih mengandung asam lemak

bebas, berarti biodiesel bersifat korosif dan dapat menimbulkan jelaga atau kerak di

injektor mesin diesel.

11. Angka penyabunan (Saponification Number)

Angka penyabunan (Saponification Number) adalah banyak mili gram KOH yang

dibutuhkan untuk menyabunkan satu gram contoh biodiesel.

12. Kadar ester (Ester Content)

Kadar ester (Ester Content) adalah banyak kadar ester dalam persentase pada satu

sample.

Spesifikasi biodiesel ditentukan oleh Badan Standardisasi Nasional melalui Standar

Nasional Indonesia (SNI 04-7182-2006).

Tabel 2.7. Tabel Syarat Mutu Biodiesel Alkil Ester

No. Parameter Satuan Nilai

1. Massa jenis pada 40°C Kg/m3 850 – 890

2. Viskositas kinematik pada 40°C mm2/s (cSt) 2,3 – 6,0

3. Angka setana Min. 51

4. Titik nyala (mangkuk tertutup) °C Min. 100

5. Titik kabut °C Maks. 18

6. Korosi lempeng tembaga( 3 jam pada 50°C) Maks. no 3

7 Residu karbon

Dalam contoh asli

Dalam 10% ampas distilasi

%massa

Maks. 0 ,05

Maks. 0,30

8. Air dan sedimen %- vol Maks. 0,05*

9. Temperatur distilasi 90% °C Maks. 360

10. Abu tersulfatkan % massa Maks. 0,02

11. Belerang Ppm-m(mg/kg) Maks. 100

12. Fosfor Ppm-m (mg/kg) Maks. 10

13. Angka asam mg - KOH/g Maks. 0,8

14. Gliserol bebas %-massa Maks. 0,02

15. Gliserol total %-massa Maks. 0,24

16. Kadar ester alkil %-massa Min. 96,5

Page 35: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

26

17. Angka iodium %-massa

(g-I2 / 100 g)

Maks. 115

18. Uji Halphen Negatif

Catatan dapat diuji terpisah dengan ketentuan kandungan sedimen maksimum 0,01%-vol

Tabel 2.8. Metoda Uji Mutu Biodiesel Alkil Ester

Parameter Metoda uji

Massa jenis pada 40°C ASTM D 1298

Viskositas kinematik pada 40°C ASTM D 445

Angka setana ASTM D 613

Titik nyala (mangkok tertutup) ASTM D 93

Titik kabut ASTM D 2500

Korosi lempeng tembaga (3 jam pada 50°C) ASTM D 130

Air dan sedimen ASTM D 2709 atau ASTM

D-1796

Temperatur distilasi 90% ASTM D 1160

Abu tersulfatkan ASTM D 874

Belerang ASTM D 5453 ATAU

ASTM D-1266

Fosfor AOCS Ca 12-55

Angka asam AOCS Cd 3d-63 atau ASTM

D-664

Gliserol bebas AOCS Ca 14-56 atau ASTM

D-6584

Gliserol total AOCS Ca 14-56 atau ASTM

D-6584

Kadar ester alkil Dihitung*

Angka iodium AOCS Cd 1-25

Uji Halphen AOCS Cb 1-25

Catatan kadar ester (%-massa) = 100(𝐴𝑠− 𝐴𝑎− 4,57𝐺𝑚𝑙 )

𝐴𝑠

Dengan pengertian :

As adalah angka penyabunan yang ditentukan dengan metoda AOCS Cd 3-25,

Mg KOH/g biodesel.

Aa adalah angka asam yang ditentukan dengan metoda AOCS Cd 3-63 atau

ASTM D-664, mg KOH/g biodiesel.

Gml adalah kadar gliserol total dalam biodiesel yang ditentukan dengan

metoda Ca 14-56, %-massa

Sumber: (SNI 04-7182-2006)

Page 36: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

27

Penelitian yang pernah dilakukan oleh Peneliti lain

Studi Literatur Diskusi dengan Pakar

Identifikasi Masalah:

Efek metode pembuatan katalis heterogen berbasis oksida logam yaitu NH4/CaO-ZnO dengan metode kopresipitasi-

impregnasi

Perbandingan karakterisasi katalis NH4/CaO-ZnO dengan

katalis CaO, ZnO, dan CaO-ZnO dengan menggunakan

metode karakterisasi XRD dan FTIR

Efek penggunaan katalis NH4/CaO-ZnO, katalis CaO, katalis ZnO, dan katalis CaO-ZnO dalam memproduksi yield

biodiesel menggunakan minyak kedelai

Skop Kajian:

Katalis heterogen dengan metode kopresipitasi CaO-ZnO

dan dipromosi dengan larutan NH4OH secara impregansi

Karakterisasi katalis NH4/CaO-ZnO, CaO, ZnO, dan CaO-ZnO dengan metode FTIR dan XRD

Pengaruh perbedaan penggunaan katalis terhadap yield biodiesel yang dihasilkan

BAB III METODE PENELITIAN

3.1. Konsep Dasar Penyelesaian Masalah

Alur penyelesaian masalah dalam penelitian ini dijelaskan melalui tahapan berikut:

Dari beberapa literatur didapatkan:

Penggunaan katalis homogen dan katalis enzim pada pembuatan

biodiesel dari minyak kedelai terdapat beberapa kelemahan

dibandingkan dengan menggunakan katalis heterogen

Katalis oksida logam yang dipromosi dengan larutan ammonium hidroksida dapat menjadi katalis heterogen superbasa yang dapat

meningkatkan produksi yield biodiesel.

Katalis NH4/CaO-ZnO dengan metode pembuatan secara kopresipitasi-impregnasi belum pernah digunakan pada pembuatan

biodiesel dari minyak kedelai.

Page 37: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

28

Respon variabel Penelitian

(pengumpulan, analisa,

dan interpretasi data)

Variabel bebas

dan variabel tetap

Luaran Penelitian

Laporan Skripsi Makalah Jurnal

3.2. Bahan dan Alat Penelitian

3.2.1. Bahan yang Digunakan

Penelitian ini menggunakan minyak kedelai dan metanol (Merck, 99.9%) sebagai

bahan utama pembuatan biodiesel, sedangkan katalis yang digunakan adalah katalis CaO-

ZnO yang kemudian dipromosi dengan larutan NH4OH.

3.2.2. Alat yang Digunakan

Dalam penelitian ini digunakan labu leher tiga yang bertindak sebagai reaktor dimana

reaksi transesterifikasi terjadi. Pada labu leher tiga tersebut dilengkapi dengan pengaduk,

kondensor refluks dan termometer. Rangkaian tersebut diletakkan di dalam water bath yang

berada di atas pemanas. Setelah itu, rangkaian tersebut dilengkapi dengan klem dan statif.

Pada ujung atas dan bawah kondensor refluks dihubungkan dengan selang dimana

selang pada bagian bawah dipompakan air sebagai pendingin yang akan keluar melalui selang

pada ujung atas kondensor refluks.

Gambar 3.1. Spesifikasi Minyak Kedelai

Katalis

Page 38: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

29

Gambar 3.2. Rangkaian Alat Transesterifikasi (1) labu leher tiga, (2) pengaduk, (3) kondensor

refluks, (4) waterbath, (5) magnetic stirrer, (6) termometer, (7) karet sumbat, (8) statif dan

klem

3.3. Prosedur Penelitian

3.3.1. Pembuatan Katalis NH4/CaO-ZnO dengan Kopresipitasi-Impregnasi

Persiapkan katalis campuran logam oksida CaO dan ZnO dengan rasio 1:3 dengan

cara mencampurkan Kalsium Nitrat Tetrahidrat (Ca(NO3)2.4H2O) 0,1 N dan Zink Nitrat

heksahidrat (Zn(NO3)2.6H2O) 0,1 N. Kemudian teteskan sedikit demi sedikit larutan NH4OH

tetes demi tetes dan kemudian diaduk dengan cepat sampai terbentuk gel putih. Kemudian

disaring dengan kertas saring Wattman, kemudian hasil saringan dicuci dengan aquadest

supaya larutan NH4OH yang tersisa hilang dan sisa gel dikeringkan dengan oven suhu 110oC

sehari semalam. Dan langkah selanjutnya adalah dikalsinasi dalam box furnace dengan suhu

550oC selama 3 jam. Sehingga dihasilkan katalis berbentuk butiran padat CaO-ZnO.

Padatan CaO-ZnO hasil kopresipitasi dicampurkan dengan larutan NH4OH 0,1 N ke

dalam bak pengaduk sambil diaduk selama 1 jam, kemudian disaring dengan kertas saring

Wattman dan terdapat endapan basah. Kemudian endapan dikeringkan dengan oven pada suhu

110oC sehari semalam. Selanjutnya hasil dari pengeringan dikalsinasi dalam box furnace pada

suhu 550oC selama 3 jam sehingga dihasilkan butiran padat katalis NH4/CaO-ZnO.

Page 39: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

30

3.3.2. Karakterisasi Katalis

Untuk mengidentifikasi dan menentukan sifat kristal, kristalinitas dari suatu katalis

digunakan X-Ray Diffraction (XRD) PANalytical menggunakan sinar radiasi Cu-Kα pada

sudut 2θ, dengan posisi awal 20,01 dan posisi akhir 99,99 serta resolusi 0,02o. Dari analisa

XRD dapat ditentukan ukuran kristal.

Untuk membuktikan adanya ikatan logam – oksigen digunakan analisa Fourier

Transform-Infra Red (FT-IR) SHIMADZU dengan menggunakan teknik film KBr metode

Attenuated Total Reflectance (ATR), dilakukan dengan mode absorbansi pada 298 K dan

panjang gelombang 4000-400 cm-1

dengan resolusi 2 cm-1

. Dari peak pada panjang

gelombang tertentu dapat digunakan untuk menentukan struktur ikatan kimia di dalam katalis.

3.3.3. Pengujian Katalis dalam Pembuatan Biodiesel

Proses pembuatan biodiesel dari minyak kedelai menggunakan katalis heterogen basa

yaitu katalis NH4/CaO-ZnO dan katalis pembanding yang sudah disiapkan yaitu katalis padat

CaO, katalis padat ZnO, dan katalis padat CaO-ZnO dimana proses ini melibatkan beberapa

tahapan proses dari penyiapan bahan dan alat, hingga dihasilkan produk utama metil ester.

Adapun detail urutan prosedur percobaan dapat dijabarkan sebagai berikut. Mula-mula

menyiapkan alat dan bahan yang akan dipergunakan. Kemudian merangkai peralatan

transesterifikasi sesuai dengan gambar (3.2). Selanjutnya adalah memasukkan minyak kedelai

ke dalam labu leher tiga, lalu mengalirkan air pendingin menuju refluks. Langkah berikutnya,

menyalakan pemanas dan menjaga sampai suhu yang diinginknan.

Pada tempat terpisah, metanol dipanaskan. Kemudian dilanjutkan dengan mencampur

campuran katalis dan metanol ke dalam labu leher tiga yang berisi minyak. Perbandingan

minyak dan metanol adalah 1 : 15 dan berat katalis masing-masing yang sudah disiapkan

(katalis NH4/CaO-ZnO, katalis CaO, katalis ZnO, dan katalis CaO-ZnO) adalah 6% berat.

Ketiga campuran dalam labu leher tiga tersebut diaduk dengan stirrer selama waktu sesuai

variabel yaitu waktu selama 4 jam dan suhu operasi dijaga 600C.

Setelah tercapai suhu dan waktu reaksi akan didapatkan produk utama dan produk

samping. Produk yang dihasilkan tersebut dimasukkan ke dalam corong pemisah dan

didiamkan selama 24 jam hingga terbentuk 3 lapisan (lapisan atas metanol, lapisan tengah

metil ester, lapisan bawahnya gliserol dan katalis). Selanjutnya lapisan-lapisan tersebut

dipisahkan dan dilakukan analisa produk menggunakan Gas Chromatography-Mass

Spectrometry (GC-MS).

Page 40: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

31

3.4. Analisis Hasil dan Karakteristik Produk

Analisis hasil dari proses pembuatan biodiesel yang berupa produk cair dilakukan

dengan menggunakan Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS). Analisis ini

digunakan untuk mengidentifikasi komponen-komponen FAME (Fatty Acid Metil Ester) dan

komposisinya.

Page 41: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

32

BAB IV HASIL YANG DIHARAPKAN

4.1. Rancangan Hasil Penelitian

Rancangan hasil penelitian yang meliputi run percobaan, variabel bebas, dan

bergantung dapat dilihat pada tabel 4.1 berikut ini:

Tabel 4.1 Rancangan Hasil Penelitian

No Jenis Katalis Yield Biodiesel (%)

1 CaO

2 ZnO

3 CaO-ZnO

4 NH4/CaO-ZnO

Keterangan Parameter Operasi Transesterifikasi :

Rasio minyak/methanol = 1:15

Suhu Reaksi = 600C

Waktu Reaksi = 4 jam

Berat Katalis = 6% berat

Rumus untuk menghitung yield biodiesel yang didapatkan dapat menggunakan persamaan

sebagai berikut :

Yield =Berat FAME

Berat Minyakx100% (4.1)

4.2. Contoh Karakterisasi Produk Biodiesel (FAME)

Tabel 4.2 Identifikasi dan Komposisi Produk Biodiesel (FAME) dengan Gas

Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS)

Peak Retention time

(menit)

Senyawa Komposisi (%)

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

...

Page 42: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

33

4.3. Contoh Karakterisasi Katalis Menggunakan Analisa FTIR dan XRD

4.3.1 Analisa FTIR dalam analisa katalis SO42-

/ZnO

Gambar 4.1. Spektrum FT-IR pada katalis ZnO komersial dan ZnO sintesis,SO42-

/ZnO dan

SO42-

-ZnO : (1) ZnO presipitasi, (2) ZnO komersial, (3) SO42-

/ZnO, (4) SO42-

ZnO.

Peak label (a) Zn-O, (b) S=O, (c) C=O, (d) N-H, (e) O=H

Gambar 4.2. Perbandingan Hasil analisis XRD pada katalis : (a)SO4

2-/ZnO, (b) SO4

2- -ZnO,

(c) ZnO sintesis, (d)ZnO komersial

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

1

2

3

4

e e

c a a c

de

a a c ca

e

cb

a a e

a a b c

Page 43: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

34

4.4 Jadwal Kegiatan

Tabel 4.3 Jadwal Pelaksanaan Kegiatan

BENTUK

KEGIATAN

Bulan 1 Bulan 2 Bulan 3 Bulan 4 Bulan 5 Bulan 6

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Studi literatur

Penyiapan bahan,

peralatan,dan

perancangan

Percobaan utama

Analisis data

Penyusunan

laporan akhir

Evaluasi dan

seminar

Page 44: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

35

BAB V KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat ditarik dari proposal penelitian ini antara lain sebagai berikut:

1. Sintesa dan uji kelayakan katalis NH4/CaO-ZnO diharapkan dapat dilakukan dalam

penelitian ini untuk pembuatan biodiesel dari minyak kedelai.

2. Hasil karakterisasi katalis NH4/CaO-ZnO, katalis CaO, katalis ZnO, dan katalis CaO-

ZnO dengan menggunakan metode FTIR dan XRD.

3. Penelitian ini diharapkan dapat mengetahui katalis yang paling tinggi menghasilkan

yield biodiesel dari minyak kedelai.

Page 45: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

36

DAFTAR PUSTAKA

Alba-Rubio, Ana C., Santamarı-Gonzalez, J., Merida-Robles, Josefa M., Moreno-Tost, R.,

Martın-Alonso, D., Jimenez-Lopez, A., Maireles-Torres, P. (2010). Heterogeneous

transesterification processes by using CaO supported on zinc oxide as basic catalysts.

Catalysis Today , 149, 281–287.

Bloomberg. (2013). Energy & Oil Prices. Retrieved May 4, 2013, from

http://www.bloomberg.com/energy/.

C.-Y, Lin, H.-A, Lin, & L.-B, Hung (2006). Fuel Structure and Properties of Biodiesel

Produced by Peroxidation Process. Fuel , 85, 1743-1749.

Caballero, V., Bautista, F., Campelo, J., Luna, D., Marinas, J., Romero, A., Hidalgo, J.,

Luque, R., Macario, A., Giordano, G. (2009). Sustainable preparation of a novel glycerol-free

biofuel by using Pig pancreatic lipase: partial 1, 3-regiospecific alcoholysis of sunflower oil.

Process Biochemistry , 44, 334–342.

Canakci, M., & Van Gerpen, J. (2003). A pilot plant to produce biodiesel from high free fatty

acid feedstocks. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 46, 945-954.

Dae-Won, L., Young-Moo, P., & Kwan-Young, L. (2009). Heterogeneous Base Catalyst for

transesterification in Biodiesel Synthesis. Catalysis Surveys from Asia , 13, 63-67.

Deng, X., Fang, Z., Yun-Hu, L., Chang-Liu, Y. (2011). Production of Biodiesel from Jatropha

Oil Catalyzed by Nanosized Solid Basic Catalyst. Energy , 36, 777-784.

Ding, Y., Sun, H., Duan, J., Chen, P., Lou, H., & Zheng, X. (2011). Mesoporous Li/ZrO as a

solid base catalyst for biodiesel production from transesterification of soybean oil with

methanol. Catalysis Communications , 12, 606-610.

Djazuli, M., & Pratowo, B. (2008). Bahan Bakar Nabati Alternatif Pengganti Minyak Tanah .

Warta Penelitian dan Pengembangan Penelitian , 30, 7-9.

Ebiura, T., Echizen, T., Ishikawa, A., Murai, K., & Baba, T. (2005). Selective

transesterification of triolein with methanol to methyl oleate and glycerol using alumina

loaded with alkali metal salt as a solid-base catalyst. Applied Catalysis A : General , 111,

283-286.

Elinur, D., Priyarsono, S., Tambunan, M., & Firdaus, M. (2010). Perkembangan Konsumsi

dan Penyediaan Energi dalam Perekonomian Indonesia. Indonesian Journal of Agricultural

Economics , 2, 97-119.

Freedman, B., Pryde, E., & Mounts, T. (1984). Variables affecting the yields of fatty esters

from transesterified vegetable oils. JAOCS Journal of American Oil Chemists' Society, 61 ,

1638-1643.

Page 46: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

37

Furuta, S., Matsuhashi, H., & Arata, K. (2004). Biodiesel fuel production with solid superacid

catalysis in fixed bed reactor under atmospheric pressure. Catalysis Communications, 5, 721-

723.

Gunawan, Mudji Triatmo, M., & Rahayu, A. (2003). Analisis Pangan : Penentuan Angka

Peroksida dan Asam Lemak Bebas pada Minyak Kedelai dengan Variasi Menggoreng. JSKA ,

6.

Hammond, E., Johnson, L., Su, C., Wang, T., & White, P. (2005). Bailey’s Industrial Oil and

Fat Products (6th

edition ed.). Lowa: John Wiley & Sons, Inc.

Huaping, Z., Zongbin, W., Yuanxiong, C., Ping, Z., Shijie, D., Xiaohua, L., Zongqiang, M.

(2006). Preparation of Biodiesel Catalyzed by Solid Super base of Calcium Oxide and Its

Refining Process. Chinese of Journal Catalysis , 27, 391-396.

Istadi. (2011). Fundamental dan Aplikasi Teknologi Katalis untuk Konservasi Energi .

Yogyakarta: Graha Ilmu.

Jacobson, K., Gopinath, R., Meher, L. C., & Dalai, K. A. (2008). Solid Acid Catalyzed

biodiesel from Waste Cooking Oil. Applied Catalysis B : Environment , 85, 86-91.

Jitputti, J., Kitiyanan, B., Rangsunvigit, P., Bunyakiat, K., Attanatho, L., & Jenvanitpanjakul,

P. (2006). Transesterification of Crude Palm Kernel Oil and Crude Coconut Oil by Different

Solid Catalyst. Chemical Engineering Journal , 116, 61-66.

Kabashima, H., & Hattori, H. (1998). Cyanoethylation of alcohols over solid base catalysts.

Catalysis Today , 44, 277–283.

Kementrian Energi dan Sumberdaya Mineral. (2009). Handbook of Energy and Economic

Statistic of Indonesia. Jakarta: Ministry Energy and Mineral Resources.

Kementrian Riset dan Teknologi. (2005). Buku Putih Energi 2005-2024. Jakarta.

Kim, H., Kang, B., Kim, M., Park, Y., Kim, D., Lee, J., Lee, K. (2004). Transesterification of

vegetable oil to biodiesel using heterogeneous base catalyst. Catalysis Today , 93, 315–320.

Leclercq, E., Finiels, A., & Moreau, C. (2001). Transesterification of rapeseed oil in the

presence of basic zeolites and related solid catalysts. JAOCS Journal of American Oil

Chemists' Society , 78, 1161-1165.

Lestari, A. (2009). Sintesis dan Karakterisasi Komposit Apatit-Kitosan dengan Metode In-

Situ dan Ex-Situ. Bogor: Fakultas MIPA Institut Pertanian Bogor.

Liu, X., He, H., Wang, Y., Zhu, S. (2007). Transesterification of Soybean Oil to Biodiesel

Using SrO as a Solid Base Catalyst. Catalysis Communications , 8, 1107-1111.

Lopez, D., Goodwin, Jr., J.G., Bruce, D., & Lotero, E. (2005). Transesterification of triacetin

with methanol on solid acid and base catalyst. Applied Catalysis A : General , 295, 97-105.

Lotero, E., Liu, Y., Lopez, D., Suwannakarn, K., Bruce, D., & Goodwin, Jr., J.G. (2005).

Synthesis of biodiesel via acid catalysis. Industrial & Engineering Chemistry Research , 44,

5353-5363.

Page 47: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

38

Meher, L., Sagar, D., & Naik, S. (2006). Technical aspects of biodiesel production by

transesterification – a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews , 10, 248-268.

Melero, J. A., Bautista, L. F., Morales, G., Iglesias, J., & Sancehez-Vazquez, R. (2010).

Biodiesel prodution from crude palm oil using sulfonic acid-modified mesostructured

catalysts. Chemical Engineering Journal , 161, 323-331.

Nurofik. (2008). Reaksi Oksidasi Katalitik. Jakarta: FMIPA UI.

Ono, Y. (2003). Solid base catalysts for the synthesis of fine chemicals. Journal of Catalysis ,

216, 406–415.

Ooi, Y., Zakaria, R., Mohamed, A., & Bhatia, S. (2005). Catalytic Conversion of Fatty Acids

Mixture to Liquid Fuel and Chemical over Composite/mesoporous Catalysts. Energy Fuels ,

19, 736-743.

Peterson, G., & Scarrah, W. (1984). Rapeseed oil transesterification by heterogeneous

catalysis. JAOCS Journal of American Oil Chemists' Society , 10, 1593–1596.

Richardson, J. (1989). Principles of Catalyst Development. New York: Plenum Press.

Saravanan, S., Nagarajan, G., Lakshmi Narayana Rao, G., & Sampath, S. (2009). Biodiesel

production from high FFA crude rice bran oil and investigation on its properties as Cl engine

fuel. International Journal of Oil, Gas and Coal Technology , 2, 389-398.

Shiu, P., Gunawan, S., Hsieh, W., Kasim, N., & Ju, Y. (2010). Biodiesel production from rice

bran by a two-step in-situ process. Bioresource Technology, 101, 984-989.

Suppes, G., Bockwinkel, K., Lucas, S., Botts, J., Mason, M., & Heppert, J. (2001). Calcium

Carbonate Catalyzed Alcohololysis of Fats and Oils. JAOCS Journal of American Oil

Chemists' Society, 78, 139-146.

Utami, I., & Solikhah, R. (2011). Sintesa Katalis Super Asam SO42-/ ZnO untuk Produksi

Biodiesel dari Minyak Kelapa Sawit. Universitas Diponegoro. Laboratorium Rekayasa Proses.

Veljkovic, V., Lakicevic, S., Stamenkovic, O., Todorovic, Z., & Lazic, M. (2006). Biodiesel

production from tobacco (Nicotiana tabacum L.) seed oil with a high content of free fatty

acids. Fuel , 85, 2671-2675.

Wolfovich, M., Landau, M., Brenner, A., & Herskowitz, M. (2004). Catalytic Wet Oxidation

of Phenol with Mn-ce-Based Oxide Catalysts : Impact of Reactive Adsorption on TOC

Removal. Industrial & Engineering Chemistry Research, 43, 5089-5097.

Xie, W., Peng, H., & Chen, L. (2005). Calcined Mg-Al hydrotalcites as solid base catalysts

for methanolysis of Soybean Oil. Journal of Molecular Catalysis A : Chemical, 246, 24-32.

Xie, W., Peng, H., & Chen, L. (2006). Transesterification of Soybean Oil Catalyzed by

Potassium Loaded on Alumina as A solid-base catalyst. Applied Catalysis A : General. , 300,

67-74.

Yoo, S. J., Lee, H.-S., Veriansyah, B., Kim, J., Kim, J.-D., & Lee, Y.-W. (2010). Synthesis of

Biodiesel from Rapeseed Oil Using Supercritical Methanol with Metal Oxide Catalysts.

Bioresource Technology , 101, 8686-8689.

Page 48: PROPOSAL PENELITIAN edit.pdf

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS DIPONEGORO – FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK KIMIA

Jalan Profesor Soedarto, S.H. Kampus Tembalang Semarang 50239

L E M B A R K O N S U L T A S I

Proposal Penelitian

Nama : TITO SETIAWAN NUGROHO NIM 21030110120059

SEBASTIANUS ADI PRASETYO NIM 21030110141005

Judul Penelitian : Pembuatan dan Pengujian Katalis Padat Heterogen Basa

NH4/CaO-ZnO untuk Produksi Biodiesel dari Minyak Kedelai

(Soybean Oil)

Tanggal Mulai : 03 Februari 2013

Pembimbing : Dr. Istadi, S.T., M.T.

No. Tanggal Konsultasi Paraf

Ket Mhs Dosen

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

3 Maret 2013

24 Maret 2013

5 April 2013

2 Mei 2013

6 Mei 2013

15 Mei 2013

18 Juni 2013

- Mencari jurnal katalis heterogen

- Mencari aplikasi katalis heterogen

pada pembuatan biodiesel

- Mencari filosofi katalis bagaimana

bisa menjadi basa

- Mencari katalis pembuatan

biodiesel yang superbasa berbasis

ZnO

- Mendalami lebih jauh karakterisasi

katalis CaO-ZnO dipromosi dengan

larutan NH4OH

- Filosofi kenapa bisa terbentuk

superbasa pada katalis

- Penyusunan Bab 1

- Penjelasin cara menyitasi pustaka

jurnal

- Revisi Bab 1

- Penyusunan Bab 2, Bab 3, dan Bab

4

- Revisi Bab 2, Bab 3, Bab 4

- Penjelasan pembuatan katalis

secara impregnasi-kopresipitasi

- Revisi Bab 3

Dinyatakan selesai Tanggal : 24 Juni 2013

Dosen Pembimbing

Dr. Istadi, S.T., M.T.

NIP. 197103011997021001

0

0

1