reff bab 1 peran katalis
TRANSCRIPT
8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis
http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 1/6
1. Pendahuluan
Pengurangan emisi gas karbon dioksida (CO2)
yang merupakan salah satu kontributor terben-
tuknya gas rumah kaca menjadi agenda yang san-
gat penting dalam hal isu pemanasan global. Se-
mentara itu, konversi gas metana (CH4) menjadihidrokarbon C2+ dan gas sintesa (hidrogen dan
karbon monoksida) mempunyai manfaat besar
dalam pemanfaatan gas alam khususnya untuk
industri petrokimia dan bahan bakar. Seperti kita
ketahui bahwa rasio CH4/CO2 gas alam Natuna
dan Arun dengan komposisi berturut-turut 28/71
and 75/15 harus dimanfaatkan secara baik untuk
menghasilkan gas sintesa, hidrokarbon tinggi, ba-
han bakar cair dan bahan kimia penting lainnya
Beberapa teknologi untuk ini telah diusulkan oleh
beberapa peneliti di dunia untuk meningkatkan
Aplikasi Teknologi Hibrid Katalisis-Plasma Dalam Pengembangan
Reaktor Kimia Masa Depan
Istadi *
Chemical Reaction Engineering & Catalysis (CREC), Jurusan Teknik Kimia,
Universitas Diponegoro, Jln. Prof. H. Sudharto, Tembalang, Semarang
* Corresponding Author. Telp. (024)7460058, Fax. (024)7460058
E-mail address: [email protected] (Istadi)
Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20
Received 20 January 2006; Received in revised form 20 January 2006; Accepted 20 January 2006
Abstract
Teknologi reaktor kimia merupakan disiplin ilmu yang sangat penting dalam teknik proses kimia. Perkem-
bangan teknologi fisika dalam bidang plasma juga mempunyai kontribusi yang besar untuk memajukan
teknologi reaktor kimia. Reaktor plasma ternyata sangat menjanjikan dari sudut pandang tingkat konversi
dan energi pemanasan yang rendah, walaupun selektifitasnya masih rendah. Dalam artikel ini ditampil-
kan aplikasi reaktor plasma (katalitik maupun non katalitik) untuk konversi gas metana dan karbon diok-
sida menjadi gas-gas hidrogen, karbon monoksida, hidrokarbon lebih tinggi (etana, etilena, asetilena, dan
propana). Namun demikian masih banyak kendala-kendala dalam pengembangan reaktor ini untuk
sintesa kimia, terutama selektifitasnya yang masih rendah. Penelitian lanjut masih sangat diperlukan ter-
utama untuk peningkatan selektifitas misalnya dengan kombinasi hibrid katalitik-plasma.© 2006 CREG. All rights reserved.
Keywords: plasma, dielectric barrier discharge, elektron berenergi tinggi
P A G E 1 5
efisiensi pengubahan metana dan karbon dioksida.
Sebagai contoh bahwa pengubahan gas metana
dan CO2 menjadi hidrokarbon C2 mempunyai ken-
dala dalam hal tingkat konversinya yang sangat
rendah (sekitar 5.7%) walaupun selektifitasnya
sudah cukup baik (sekitar 70-80%). Oleh karenaitu, potensi teknologi non-konvensional seperti
reaktor plasma harus dimanfaatkan untuk men-
ingkatkan konversi. Hal ini merupakan salah satu
contoh aplikasi/manfaat teknologi plasma untuk
keperluan reaksi kimia. Berdasarkan penelitian
yang dilakukan oleh penulis sendiri dan beberapa
peneliti di dunia, ditemukan bahwa teknologi reak-
tor plasma dapat digunakan untuk konversi kimia
pada temperatur rendah bahkan temperatur ruan-
gan [1,2]. Kaji menyeluruh terhadap perkemban-
gan terkini teknologi plasma reactor untuk peng-
8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis
http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 2/6
hasilan gas sintesa dan hidrokarbon C2+ dari
metana dan CO2 telah dilakukan oleh penulis
untuk menelaah fitur-fitur, kendala, tantangan,
dan kelayakan teknologi ini [3].
2. Prinsip-Prinsip Dasar Reaktor PlasmaJenis DBD
Konfigurasi dasar reaktor plasma jenis DBD
dapat dilihat di Gambar 1, sedangkan karakter-
istik-karakteristik discas tak panas dapat dilihat
di Tabel 1 [4,5].
Gambar 1. Prinsip-prinsip dasar reaktor plasma
DBD
Ketebalan dan besarnya konstanta dielektrikmenentukan jumlah arus listrik yang dapat dile-
watkan melalui dielektrik. Dalam beberapa ap-
likasi, dielektrik tersebut membatasi densitas
arus rata-rata di dalam ruang gas. Dielektrik
tersebut mendistribusikan discas mikro ke selu-
ruh permukaan elektroda disamping untuk men-
jamin tidak ada spark atau arc di dalam ruang
discas. Salah satu keuntungan plasma reaktor
jenis DBD adalah bahwa energi rata-rata elek-
tron dapat diatur dengan mengubah densitas gas
dan jarak antar elektroda [4,5,7,8].
Reaktor plasma jenis DBD sangat potensialuntuk reaksi-reaksi kimia organik maupun anor-
ganik karena sifat-sifat non-equilibrium, tenaga
input rendah, serta kemampuan mempengaruhi
reaksi kimia dan fisika pada temperature yang
relatif rendah. Plasma tak panas (non-thermal)
didefinisikan sebagai sebuah fasa/gas yang berisi
elektron, atom-atom dan molekul-molekul terek-
sitasi, ion, radikal, foton, dan partikel netral di-mana elektron-elektron mempunyai energi yang
sangat tinggi dibandingkan dengan partikel gas
netral. Plasma ini disebut juga non-equilibrium
plasma karena terdapat perbedaan temperatur
dan energi kinetik yang signifikan antara elek-
tron dan partikel netral [1,2]. Temperatur gas
adalah temperatur kamar sedangkan temperatur
elektron dapat mencapai 104 – 105 K dalam di-
electric-barrier discharge. Pemecahan gas (gas
breakdown) menghasilkan elektron-elektron yang
terpercepatkan oleh medan listrik membentuk
plasma. Discas elektrik dapat dihasilkan denganbeberapa cara tergantung kepada jenis voltase
dan spesifikasi reaktor yang digunakan. Dalam
reaktor plasma elektron berenergi tinggi bertum-
bukan dengan molekul-molekul gas menghasil-
kan eksitasi, ionisasi, pelipatgandaan elektron,
dan pembentukan atom-atom dan senyawa me-
tastabil [2,5]. Jika medan listrik di dalam zona
discas adalah cukup untuk memecahkan ikatan
kimia gas maka akan terlihat discas mikro-discas
mikro dalam jumlah yang banyak. Selanjutnyaatom-atom aktif dan senyawa metastabil akan
bertumbukan dengan molekul-molekul sehingga
akan terjadi reaksi kimia. Tumbukan antara elec-
tron-elektron berenergi tinggi dengan molekul-
molekul gas menghasilkan eksitasi, disosiasi,
atau ionisasi tanpa menyebabkan pemanasan
terhadap gas [2,7,10,11], sehingga temperatur
bulk gas tidak berkeseimbangan dengan elektron
dan selalu rendah .
Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20 P A G E 1 6
Parameter Glow Discharge Corona Discharge DBD
Tekanan (bar) < 10-2 1 1
Medan listrik (kV/cm) 0.01 0.5 – 50 0.1 – 100
Energi elektron (eV) 0.5 – 2 5 1 – 10
Temperatur elektron (K) 5000 – 20000 50000 10000 – 100000
Densitas elektron (cm-3) 108 – 1011 1013 1014
Derajat ionisasi 10-6 – 10-5 kecil 10-4
Tabel 1. Karakteristik-karakteristik non-thermal discharge [1,4]
8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis
http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 3/6
P A G E 1 7
3. Berbagai Desain Reaktor Reaktor Plasma
Untuk Konversi Metana dan Karbon Diox-
sida
Berbagai konfigurasi reaktor plasma khusus-
nya untuk konversi metana dan karbondioksida
telah diusulkan oleh beberapa peneliti, dianta-ranya pulsed-corona discharge (PCD) dan dielec-
tric-barrier discharge (DBD).
Dalam hal reaktor plasma tipe DBD, penulis
juga menggunakan prinsip sama halnya dengan
Gambar 2(c-d) seperti terlihat di Gambar 3(a) dan
3(b) berturut-turut untuk reaktor plasma DBD
non katalitik dan katalitik.
Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20
Gambar 2. Berbagai model reactor plasma [12-18], (a). Corona discharge, (b). Spark discharge, (c-d).
Dielectric barrier discharge
Gambar 3. Reaktor plasma DBD. (a). Non katalitik tanpa pemanasan, (b) Katalitik dengan pema-nasan
8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis
http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 4/6
4. Reaksi-reaksi Yang Mungkin Terjadi
Dalam Aplikasinya untuk Konversi Metana
dan Karbon Dioksida
Reaksi-reaksi yang mungkin terjadi jika reak-
tor plasma diaplikasikan untuk mereaksikan gas
metana dan karbondioksida adalah:
CH4 + e → CH3* + H* + e (1)
CO2 + e → CO + O* + e (2)
CH3* + CH3
* → C2H6 (3)
C2H6 + e → C2H5* + H* + e (4)
C2H5* + CH3
* → C3H8 (5)
H* + H* → H2 (6)
C2H5* + e → C2H4 + H* + e (7)
C2H4 + e → C2H3* + H* + e (8)
C2H3* + e → C2H2 + H* + e (9)
C2H5* + C2H5
* → C4H10 (10)
C4H10 + e → C4H9 + H* + e (11)H2 + e → 2H* + e (12)
CH3* + e → CH2
* + H* + e (13)
CH2* + e → CH* + H* + e (14)
CH* + CH* → C2H2 (15)
CH2* + CH2
* → C2H4 (16)
CH* + e → C + H* + e (17)
Dalam reaksi-reaksi ini, e menyatakan elek-
tron berenergi tinggi, sedangkan * menyatakan
komponen radikal dari reaksi disosiasi. Dari
reaksi ini bisa dihasilkan gas hydrogen, etana,
etilena, asetilena, propana, propilena, karbonmonoksida, dan bahkan sedikit bahan bakar cair
(gasoline) secara bersamaan, tergantung pada
sifat-sifat dielektriknya.
5. Efek Katalisis Heterogen Dalam Reaktor
Plasma
Dalam beberapa reaksi katalitik heterogen,
molekul-molekul yang bereaksi diubah menjadi
spesies aktif. Fungsi katalis di sini adalah untuk
mengontrol pembentukan spesies tertentu.
Kondisi plasma non-equilibrium dapat digunakan
untuk memodifikasi reaksi kimia tertentu. Se-
bagian besar energi elektrik di dalam discas
plasma digunakan untuk menghasilkan elektron
berenergi daripada untuk pemanasan gas. Discas
gas ini mengandung banyak spesies aktif untuk
berbagai reaksi oksidasi dan reduksi melalui
reaksi disosiasi dan ionisasi yang dipengaruhi
oleh elektron. Jika discas diaplikasikan di permu-
kaan katalis maka katalis akan merubah
keadaan elektronik dari gas [12,19]. Jika fasa
gas yang mengandung spesies netral, elektron,
ion dan spesies tereksitasi lainnya mengalir me-
lalui katalis, maka katalis tersebut menjadi ber-
muatan elektrik. Sifat-sifat kemisorpsi dan de-sorpsi katalis (permukaan katalis) menjadi ter-
modifikasi.
Prinsip-prinsip pengkombinasian reaktor
plasma DBD dengan katalis heterogen adalah
sangat mungkin untuk mengaktifasi reaktan di
dalam discas sebelum reaksi katalisis berlang-
sung yang memberikan efek positif terhadapkondisi reaksi. Perbedaan signifikan antara
katalisis biasa dan katalisis yang dipengaruhi
discas gas non-equilibrium adalah terletak pada
distribusi energi antara produk dan katalis.
Dalam katalisis biasa, temperature produk gas
adalah sama dengan katalis, sedangkan dalam
katalisis berbantuan discas gas terdapat perbe-
daan energi yang signifikan antara spesies gas
bermuatan dan katalis, dimana gas bermuatan
mempunyai energi yang paling besar. Peranan
katalis sebagai sumber spesies bermuatan men-
ingkatkan sifat ketidakseimbangan dari discasgas. Liu et al. [12] menyimpulkan bahwa hibrid
plasma-katalisis sangat ditentukan oleh kemam-
puan katalis mempengaruhi energi vibrasi
plasma di permukaan katalis. Dalam konversi
CH4-CO2, katalis berperanan untuk menjerap
radical dari metana dan karbon dioksida, semen-
tara itu tanpa adanya plasma fungsi katalis
adalah untuk menjerap gas-gas reaktan metana
dan karbon dioksida untuk mendisosiasi ikatan-
ikatan C-H dan C=O, dan akhirnya mendesorpsi
produk dari reaksi.
Katalis yang ditempatkan di ruang discas me-
rupakan solusi alternatif untuk meningkatkan
luas dan waktu kontak antara elektron berenergi
tinggi dengan spesies gas netral. Selain itu,
katalis juga menjaga dan meningkatkan sifat ket-
idakseimbangan discas gas, berfungsi sebagai
bahan dielektrik, dan meningkatkan selektifitas
dan efisiensi proses plasma [1,9,10,19,20]. Sifat-
sifat dasar dari dielektrik dan permukaan elek-
troda juga merupakan faktor penting untuk dis-
tribusi produk dari reaksi CH4 dan CO2 dalam
reaktor plasma DBD.
Teknologi plasma dalam reaksi kimia mem-
punyai ciri khas mempengaruhi reaksi fasa gasmelalui tumbukan-tumbukan elektron. Namun
demikian, teknologi plasma mempunyai kele-
mahan dalam hal rendahnya selektifitas produk
dibandingkan dengan teknologi reaksi katalisis
konvensional. Reaksi katalisis konvensional da-
pat memberikan selektifitas produk yang tinggi,
tetapi memerlukan komposisi gas reaktan ter-
tentu, katalis yang cocok, dan temperature tinggi
(untuk reaksi endotermik). Pemanasan dan sifat-
sifat elektronik dari katalis karena adanya
plasma mempengaruhi penjerapan kimia terha-
dap spesies di permukaan katalis [6,20]. Namundemikian, hingga sekarang peran nyata dari
katalis dalam reaktor plasma DBD adalah belum
Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20 P A G E 1 8
8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis
http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 5/6
P A G E 1 9
jelas dari sudut pandang kimia.
Dalam aplikasinya, kinerja dari reaksi katal-
isis heterogen dengan bantuan teknologi plasma
sangat tergantung kepada beberapa parameter
seperti:
• Efek voltase discas• Efek laju alir gas umpan
• Efek frekuensi sumber listrik
• Efek perbandingan umpan (misalnya rasio
metana/karbon dioksida)
• Efek tekanan system
Efek-efek tersebut secara jelas telah dideskripsi-
kan oleh penulis di referensi jurnal FUEL
(Elsevier B.V.) [3].
6. Permasalahan dan Tantangan Dalam
Pengembangan Reaktor Plasma DBD Untuk
Konversi Metana dan Karbon DioksidaWalaupun beberapa keuntungan telah dijelas-
kan tentang reaktor plasma DBD dalam aplikasi
ko-generasi gas sintesa (H2 dan CO) dan hidro-
karbon C2+ dari metana dan karbon dioksida, be-
berapa permasalahan dan tantangan masih ban-
yak ditemui. Karena teknologi ini merupakan
campuran elektron berenergi tinggi, atom-atom
dan molekul-molekul tereksitasi, ion-ion, radikal
dan foton, maka studi saintifik kimia reaktor
plasma menjadi sangat kompleks. Sementara itu,
pengetahuan tentang saintifik kimia plasma un-
tuk reaksi metana dan karbon dioksida masihsangat terbatas. Oleh karena itu kajian mendasar
terhadap teknologi ini dari segi saintifik ki-
mianya masih sangat diperlukan.
Kendala lainnya adalah pembentukan karbon
di permukaan elektroda dan katalis karena de-
komposisi metana, apalagi jika metana murni
digunakan sebagai umpan reaksi. Pada ken-
yataannya karbon tersebut menurunkan jumlah
discharge streamer dan membatasi jumlah elek-
ton bernergi tinggi yang dapat berinteraksi den-
gan gas umpan di dalam zona reaksi, yang selan-
jutnya dapat menurunkan konversi reaksi.
Salah satu permasalahan yang penting lagiadalah masih rendahnya selektifitas terhadap
produk yang diinginkan. Beberapa usaha untuk
meningkatkan selektifitas ini adalah dengan cara
menggunakan katalis didalam zona discas. Den-
gan kombinasi katalis dan non-equilibrium dis-
charge diharapkan dapat meningkatkan selekti-
fitas produk.
7. Kesimpulan
Teknologi reaktor kimia plasma jenis Dielec-
tric-Barrier Discharge (DBD) merupakan jenis
reaktor kimia yang sangat menjanjikan dari segitingkat konversinya dan lebih efisiennya tenaga
yang diperlukan. Dalam jenis reaktor ini, daya
discas (discharge power) yang ditentukan oleh
discas voltase dan frekuensi, laju alir umpan, ra-
sio umpan, dan katalis adalah sangat menentu-
kan kinerja reaksi kimianya. Bahkan dengan
adanya plasma discas, tanpa adanya pemanasanpun reaksi sudah dapat berlangsung. Sinergi
antara katalis dan plasma mempengaruhi distri-
busi produk secara signifikan.
Daftar Pustaka
[1] Liu, C.J., Xu, G.H., Wang, T. Non-Thermal
Plasma Approaches in CO2 Utilization. Fuel
Process. Technol. 1999;58:119-134.
[2] Larkin, D.W., Zhou, L., Lobban, L.L., Mal-
linson, R.G. Product Selectivity Control and
Organic Oxygenate Pathways from PartialOxidation of Methane in a Silent Electric
Discharge Reactor. Ind. Eng. Chem. Res.
2001;40:5496-5506.
[3] Istadi, Amin, N.A.S. Co-Generation of Syn-
thesis Gas and C2+ Hydrocarbons from
Methane – Carbon Dioxide Reaction in A
Hybrid Catalytic Plasma Reactor: A Review.
Fuel 2006;85:577-592. (Available online at
http://www.istadi.net)
[4] Lieberman, M.A., Lichtenberg, A.J. Princi-
ples of Plasma Discharges and Materials
Processing. New York: John Wiley & Sons,
Inc; 1994.
[5] Kogelschatz, U. Dielectric-barrier Dis-
charges: Their History, Discharge Physics,
and Industrial Applications. Plasma Chem.
Plasma Proc. 2003;23:1-46.
[6] Eliasson, B., Liu, C.J., Kogelschatz, U. Direct
conversion of Methane and Carbon Dioxide
to Higher Hydrocarbons Using Catalytic Di-
electric-Barrier Discharges with Zeolites.
Ind. Eng. Chem. Res. 2000;39:1221-1227.
[7] Eliasson, B., Kogelschatz, U. Modeling and
Applications of Silent Discharges Plasmas.
IEEE Trans. Plasma Sci. 1991;19:309-323.[8] Schütze, A., Jeong, J.Y., Babayan, S.E.,
Park, J., Selwyn, G.S., Hicks, R.F. The At-
mospheric-Pressure Plasma Jet: A Review
and Comparison to Other Plasma Sources.
IEEE Trans. Plasma Sci. 1998;26:1685-1694.
[9] Kim, S.S., Lee, H., Na, B.K., Song, H.K.
Plasma-assisted Reduction of Supported
Metal Catalyst using Atmospheric Dielectric-
barrier Discharge. Catal. Today 2004;89:193-
200.
[10] Pietruszka, B., Heintze, M. Methane Conver-
sion at Low Temperature: The Combined Application of Catalysis and Non-
Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20
8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis
http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 6/6
Equilibrium Plasma. Catal. Today
2004;90:151-158.
[11] Zhang, K., Eliasson, B., Kogelschatz, U. Di-
rect Conversion of Greenhouse Gases to Syn-
thesis Gas and C4 Hydrocarbons over Zeolite
HY Promoted by a Dielectric-Barrier Dis-charge. Ind. Eng. Chem. Res. 2002;41:1462-
1468.
[12] Liu, C.J., Marafee, A., Mallinson, R., Lobban,
L. Methane Conversion to Higher Hydrocar-
bons in A Corona Discharge over Metal Ox-
ide Catalysts with OH Groups. Appl. Catal.
A 1997;164:21-33.
[13] Chavadej, S., Supat, K., Lobban, L.L., Mal-
linson, R.G. Partial Oxidation of Methane
and Carbon Dioxide Reforming with Meth-
ane in Corona Discharge with/without Pt/KL
Catalyst. J. Chem. Eng. Jpn. 2005;38:163-170.
[14] Kado, S., Sekine, Y., Nozaki, T., Okazaki, K.
Diagnosis of Atmospheric Pressure Low
Temperature Plasma and Application to
High Efficient Methane Conversion. Catal.
Today 2004;89:47-55.
[15] Kado, S., Urasaki, K., Sekine, Y., Fujimoto,
K., Nozaki, T., Okazaki, K. Reaction Mecha-
nism of Methane Activation Using Non-
Equilibrium Pulsed Discharge at Room Tem-
perature. Fuel 2003;82:2291-2297.
[16] Kado, S., Urasaki, K., Sekine, Y., Fujimoto,
K., Nozaki, T., Okazaki, K. Direct Conver-
sion of Methane to Acetylene or Syngas at
Room Temperature Using Non-Equilibrium
Pulsed Discharge. Fuel 2003;82:1377-1385.
[17] Li, Y., Liu, C.J., Eliasson, B., Wang, Y. Syn-thesis of Oxygenates and Higher Hydrocar-
bons Directly from Methane and Carbon Di-
oxide Using Dielectric-Barrier Discharges:
Product Distribution. Energy Fuels 2002;16:
864-870
[18] Kim, Y., Kang, W.S., Park, J.M., Hong, S.H.,
Song, Y.H., Kim, S.J. Experimental and Nu-
merical Analysis of Streamers in Pulsed Co-
rona and Dielectric Barrier Discharges.
IEEE Trans. Plasma S ci. 2004;32:18-24
[19] Heintze, M., Pietruszka, B. Plasma Catalytic
Conversion of Methane into Syngas: TheCombined Effect of Discharge Activation and
Catalysis. Catal. Today 2004;89:21-25.
[20] Liu, C.J., Mallinson, R., Lobban, L. Com-
parative Investigations on Plasma Catalytic
Methane Conversion to Higher Hydrocar-
bons over Zeolites. Appl. Catal. A
1999;178:17-27.
Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20 P A G E 2 0