Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 10, No. 3, Juni 2009, hal : 250 - 254

ISSN : 1411-1098

250

PREPARASI DAN UJI AKTIVITAS KATALIS NI/KIELSGUHRPADA HIDROGENASI MINYAK JARAK

Galuh Widiyarti dan Wuryaningsih Sri RahayuPusat Penelitian Kimia (P2K) - LIPI

Kawasan Puspiptek Serpong 15314, Tangerange-mail : galuh_w01@ yahoo.com

ABSTRAK

PREPARASI DAN UJIAKTIVITAS KATALIS Ni/KIELSGUHR PADAHIDROGENASI MINYAKJARAK. Telah dilakukan preparasi katalis Ni/kielsguhr dengan menggunakan metode impregnasi dan presipitasi,dengan kandungan logam aktif sebesar 20 %berat. Luas permukaan spesifik katalis yang diukur denganmenggunakan metode Brunauer Emmer Teller (BET), menunjukkan bahwa luas permukaan spesifik katalisNi/kielsguhr hasil presipitasi sebesar 58,9 m2/gram, sedangkan katalis hasil impregnasi 5,4 m2/gram. Karakterisasikatalis dengan menggunakan metode difraksi sinar-X (XRD) menunjukkan bahwa, kedua katalis mempunyaipola difraksi sinar-X yang sama yaitu mengandung kristal nikel oksida (NiO) bunsenite dan kristal quartz SiO

2.

Proses hidrogenasi minyak jarak dilakukan dengan memvariasikan suhu, tekanan dan konsentrasi katalis yangdigunakan. Setelah dilakukan proses hidrogenasi minyak jarak selama 2 jam, diketahui bahwa katalis hasilpresipitasi lebih aktif, dengan kondisi optimum pada suhu 180 oC, tekanan 15 bar dan konsentrasi katalis0,05% (berat logam aktif terhadap minyak jarak). Pada kondisi optimum tersebut pemakaian katalis hasilpresipitasi menyebabkan penurunan bilangan iodium (IV) asam lemak sebesar 92,8%, sedangkan pemakaiankatalis hasil impregnasi menyebabkan penurunan bilangan iodium (IV) hanya sebesar 48,2%.

Kata kunci : Katalis Ni/kieselguhr, Impregnasi, Presipitasi, BET, XRD, Bilangan iodium

ABSTRACT

PREPARATION AND ACTIVITY TEST OF Ni/KIESELGUHR CATALYST AT CASTOR OILHYDROGENATION. Preparation of Ni/kieselguhr catalyst has been done by impregnation and precipitationmethod, with the active metal content of about 20% (weight). The specific surface area of catalyst wasmeasured by Brunauer Emmer Teller (BET) method. It was shown that the precipitated catalyst give specificsurface area of 58.9 m2/gram and impregnated catalyst of 5.4 m2/gram. Catalyst characterization using X-RayDiffraction (XRD) method shown that, both of the catalysts have a nickel oxide (NiO) bunsenite and quartzSiO

2crystals. The hydrogenation of castor oil was varied by temperatures, pressures, and concentration of the

catalyst. After 2 hours hydrogenation process, it is shown that the precipitated catalyst more active than theimpregnated catalyst, with the optimum condition of hydrogenation process was 180 oC of temperature, 15 barof pressure, and 0.05% of catalyst concentration (weight ratio of active metal to the castor oil). At the optimumcondition, the iodine value of fatty acid was decreased about 92.8%, and 48.2% for catalyst prepared byprecipitation and impreguated method respectively.

Key words : Ni/kieselguhr catalyst, Impregnation, Precipitation, BET, XRD, Iodine value

PENDAHULUAN

Minyak jarak (castor oil) diperoleh daribiji tanaman jarak yang terdiri dari 75 %kernel(daging biji) dan 25 %kulit, dengan kandunganminyak sekitar 54%. Selain minyak, biji jarak jugamengandung karbohidrat, serat, abu dan protein [1,2].Minyak jarak banyak mengandung asam lemak takjenuh (unsaturated fatty acids), terutama asam resinoleat(C

18H

34O

3) yang mempunyai titik didih rendah.

Kandungan asam lemak dalam minyak jarak dapat dilihatpada Tabel 1.

Minyak jarak dan turunannya banyak digunakandalam industri oleokimia, baik sebagai bahan baku atau

bahan pendukung. Sebelum digunakan sebagai bahanbaku industri, minyak jarak harus diolah terlebih dahulubaik secara dehidrasi, oksidasi, hidrogenasi, sulfitasi,ataupun penyabunan. Salah satu manfaat minyak jarakhasil hidrogenasi adalah sebagai bahan baku industrikosmetika dan pelumas [1,3]. Produksi kosmetika danpelumas di Indonesia setiap tahun semakin meningkatsekitar 16,47% dan 5,78%, sehingga peluang peningkatanproduksi minyak jarak hasil hidrogenasi cukup baik [4,5].Selain itu, minyak jarak juga banyak digunakan padaindustri cat, varnish, tinta cetak, tekstil dan sebagaibahan baku industri plastik dan nilon.

Preparasi dan Uji Aktivitas Katalis Ni/Kielsguhr pada Hidrogenasi Minyak Jarak (Galuh Widiyarti)

251

Katalis mempunyai peranan penting padaindustri kimia karena proses hidrogenasi pada industrikimia merupakan proses katalisis. Menurut fasanya,katalis dibagi menjadi dua golongan, yaitu katalishomogen dan katalis heterogen [6-9]. Katalis homogenadalah katalis yang mempunyai fasa yang sama denganfasa reaktannya, sedangkan katalis heterogen adalahkatalis yang mempunyai fasa yang berbeda denganfasa reaktannya, dimana umumnya katalis yangdigunakan berupa padatan, sedangkan reaktan berupagas atau cairan. Sebagai contoh, hidrogenasi minyaknabati seperti hidrogenasi minyak jarak pada percobaanini merupakan reaksi tiga fasa, yaitu katalis sebagaipadatan, minyak jarak sebagai cairan dan hidrogensebagai gas.

Pada umumnya, katalis terdiri atas dua bagianyaitu bahan aktif dan bahan penyangga. Katalis yangumum digunakan untuk hidrogenasi minyak nabatiseperti hidrogenasi minyak sawit, minyak kedelai danminyak jarak adalah katalis berbahan dasar logamnikel (Ni) dengan bahan penyangga silika-aluminaatau kielsguhr [10,11]. Aktivitas dan selektivitaskatalis dipengaruhi oleh karakteristik katalis dimanakarakteristik tersebut tergantung pada metode preparasikatalis tersebut.

Metode yang sering digunakan dalam preparasikatalis antara lain adalah metode impregnasi danpresipitasi. Preparasi katalis dengan metode impregnasidilakukan dengan cara menempelkan komponensenyawa aktif pada suatu bahan penyangga berporisehingga komponen senyawa aktif tersebut dapatterdispersi secara merata ke seluruh permukaan danpori-pori bahan penyangga. Sedangkan preparasi katalisdengan metode presipitasi, senyawa aktif ditempelkanpada permukaan bahan penyangga denganmenggunakan bahan pengendap.

Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan katalisNi/kielsguhr yang dipreparasi dengan metodeimpregnasi dan presipitasi untuk proses hidrogenasiminyak jarak. Kandungan senyawa aktif Ni dalam katalisdibuat sebesar 20 %berat karena katalis komersial yangdigunakan dalam industri oleokimia biasanyamengandung 20 %senyawa aktif. Katalis yang dihasilkandikarakterisasi dengan menggunakan metode difraksisinar-X untuk melihat struktur kristal logam yang

terkandung dalam katalis dan dengan menggunakanporosimeter Quantasorb/Quantachrome untukmengukur luas permukaan spesifik dari katalis denganmetode Brunauer Emmer Teller (BET). Uji aktivitaskatalis dilakukan dengan mengamati perubahanbilangan iodium (IV) minyak jarak hasil hidrogenasisecara katalitik.

Pada proses hidrogenasi, asam lemak yangterkandung dalam minyak jarak diubah dari kondisi takjenuh menjadi jenuh dengan adanya reaksi adisi darihidrogen, yang ditunjukkan dengan adanya penurunanbilangan iodium. Dalam proses hidrogenasi minyak jarak,parameter dari kondisi proses yang divariasikan adalahsuhu, tekanan dan konsentrasi katalis, sehinggadiketahui kondisi optimum dari proses. Tekanan prosesyang diamati 10 bar dan 15 bar, dengan suhu proses140 oC, 160 oC, dan 180 oC, sedangkan perbandingankonsentrasi logam aktif katalis terhadap minyak jarakbervariasi antara 0,05 % dan 0,10 % (berat logam aktifNi terhadap minyak jarak).

METODE PERCOBAAN

Bahan

Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalahminyak jarak, bahan kimia p.a. seperti Ni(NO

3)

2.6H

2O,

kieselguhr, urea dan Na2CO

3untuk preparasi katalis, serta

bahan kimia pro analisis seperti CCl4, KI, larutan Wijs,

Na2S

2O

3, dan amilum untuk analisis bilangan iodium.

Cara Kerja

Metode penelitian ini dibagi menjadi 3 bagianyaitu preparasi katalis dengan metode impregnasidan metode presipitasi, karakterisasi dan uji aktivitaskatalis melalui proses hidrogenasi minyak jarak secarakatalitik.

Preparasi Katalis

Metode Impregnasi

Preparasi katalis dengan metode impregnasidilakukan dengan cara sebagai berikut. Pertama-tamadilakukan penambahan larutan prekursor logam katalisNi(NO

3)

2.6H

2O sedikit demi sedikit ke dalam bahan

penyangga kielsguhr (Al2O

3.SiO

2) sehingga diperoleh

campuran yang homogen. Setelah seluruh larutansenyawa prekursor logam katalis ditambahkan ke dalambahan penyangga, dilakukan pengadukan lanjut padasuhu kamar selama 1 jam. Kemudian keseluruhancampuran diaduk dan dipanaskan pada suhu 60 oC,sehingga seluruh pelarut menguap. Sampel dikeringkanpada suhu 110 oC selama 24 jam, dihaluskan dandikalsinasi dalam udara terbuka pada suhu 500 oC selama10 jam. Hasil kalsinasi direduksi dalam aliran gas H

2pada

suhu 450 oC selama 4 jam.

Tabel 1. Kandungan asam lemak minyak biji jarak

Asam Lemak Jumlah (%)

Asam Risinoleat 85-95

Asam Oleat 2-6

Asam Linoleat 1-5

Asam Linolenat 0,5 - 1

Asam Palmitat 0,5 - 1

Asam Stearat 0,5 - 1

Asam Dihidroksi Stearat 0,3 - 0,5

Lain-lain 0,2 - 0,5

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 10, No. 3, Juni 2009, hal : 250 - 254

ISSN : 1411-1098

252

Metode Presipitasi

Tahapan-tahapan dalam metode presipitasiadalah sebagai berikut, melarutkan sejumlah tertentunikel nitrat (Ni(NO

3)

2.6H

2O), urea, dan kielsguhr ke dalam

aquades. Kemudian menambahkan Na2CO

31M sebagai

presipitant (pengendap) ke dalam larutan garam nikeltersebut dengan laju penambahan tertentu sampaidengan pH 8. Selanjutnya keseluruhan campuran diadukdiatas pemanas pada suhu 90 oC selama 30 menit. Untukmenghilangkan zat, ion dan elektrolit bebas sebagaiproduk samping reaksi, endapan yang terbentuk disaringdan dicuci dengan air panas. Sampel dikeringkan padasuhu 110 oC selama 24 jam, dikalsinasi pada suhu 500 oCselama 10 jam, dilanjutkan dengan reduksi katalis dalamaliran gas H

2pada suhu 450 oC selama 4 jam.

Karakterisasi Katalis

Karakterisasi katalis dilakukan dengan mengukurluas permukaan spesifik dengan metode Brunauer EmmerTeller (BET) dan analisis kristal katalis dengan metodedifraksi sinar-X (XRD) menggunakan radiasi CuKdengan panjang gelombang 1,54058 Å.

Untuk mencegah teroksidasinya kembali logamkatalis hasil reduksi, kedua sampel hasil reduksi dilapisidengan bahan organik seperti asam lemak, denganmencelupkan katalis hasil reduksi tersebut ke dalamminyak dan dikeringkan.

Uji Aktivitas Katalis

Aktivitas katalis diukur secara tidak langsungdengan menghitung bilangan iodium dari minyak jarakyang terhidrogenasi secara katalitik menggunakanmetode Wijs. Katalis yang digunakan untuk proseshidrogenasi adalah katalis yang telah direduksi. Proseshidrogenasi minyak jarak dilakukan dalam reaktor batchtekanan tinggi kapasitas 200 mL, pengadukan 750 rpm,selama 2 jam waktu reaksi.

Kondisi proses hidrogenasi minyak jarakdivariasikan dengan beberapa parameter yaitu suhu,tekanan, dan konsentrasi katalis. Kondisi proses yangdipilih adalah suhu 140 oC, 160 oC dan 180 oC dengantekanan 10 bar dan 15 bar, serta konsentrasi katalis0,05 % dan 0,10 % (perbandingan berat senyawa aktifkatalis terhadap minyak jarak). Selama proseshidrogenasi berlangsung dilakukan pengambilan sampelsebanyak 5 kali setiap 30 menit setelah waktu proses0 menit, 30 menit, 60 menit, 90 menit dan 120 menit.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Luas permukaan spesifik katalis dianalisis denganmenggunakan metode Brunauer Emmer Teller (BET)dengan mengamati banyaknya gas N

2yang mampu

diadsorbsi oleh katalis, sehingga dapat diketahui luaspermukaan per gram katalis atau luas permukaan spesifik

katalis. Hasil analisis menunjukkan bahwa, luaspermukaan spesifik katalis hasil presipitasi 58,9 m2/gram,sedangkan katalis hasil impregnasi 5,4 m2/gram.

Pada pengamatan karakteristik katalis denganXRD yang ditunjukkan pada Gambar 1, dapat dilihatbahwa pola difraksi sinar-X dari kedua katalis adalahsama. Logam aktif yang terkandung dalam katalis hasilpresipitasi (A) dan katalis hasil impregnasi (B) adalahoksida logam nikel dalam bentuk nikel oksida (NiO)bunsenite yang ditunjukkan oleh puncak-puncak NiOpada 2 = 37o, 43o, 63o dan 75o secara berurutanberdasarkan standar ASTM No. 47-1049. Selain itu, tampakbahwa, kielsguhr sebagai bahan penyangga beradadalam fasa quartz yang ditunjukkan oleh puncak SiO

2

pada 2 = 26,6o sesuai dengan ASTM No. 33-1161.

Dari pola difraksi sinar-X dapat dilihat bahwa,katalis hasil presipitasi mempunyai puncak yang lebihtajam dibandingkan katalis hasil impregnasi, yangberarti ukuran partikel kristal katalis hasil presipitasilebih besar [12].

Dengan dispersi logam aktif pada permukaanbahan penyangga yang lebih merata pada katalis hasilpresipitasi dapat menyebabkan aktivitas katalis yanglebih baik dibandingkan katalis hasil impregnasi.Aktivitas katalis tersebut dapat dilihat dari penurunanbilangan iodium asam lemak dari minyak jarak hasilhidrogenasi pada katalis hasil presipitasi lebih besardibandingkan katalis hasil impregnasi seperti tampakpada Gambar 2 sampai dengan Gambar 5, yangmenampilkan perubahan bilangan iodium minyak jarakhasil hidrogenasi secara katalitik.

Setelah dilakukan serangkaian percobaan denganvariasi kondisi proses, dapat diketahui bahwa padakondisi proses hidrogenasi tertentu pemakaian katalishasil presipitasi menyebabkan penurunan bilanganiodium cukup besar. Sebagai contoh pada suhu 180 oC,tekanan 10 bar, dan konsentrasi katalis 0,05% terjadipenurunan bilangan iodium sekitar 85,71% dari 85,71menjadi 9,27. Sedangkan pada kondisi proses yang sama,dengan menggunakan katalis hasil impregnasi,penurunan bilangan iodiumnya 27,1% dari 85,71 menjadi62,48 (Gambar 2).

Gambar 1. Pola Difraksi Sinar-X Katalis Presipitasi (a)dan Impregnasi (b)

SiO2

NiO

NiO

NiO

NiO

SiO2

NiO

NiO

NiO

NiO

(a) (b)

Preparasi dan Uji Aktivitas Katalis Ni/Kielsguhr pada Hidrogenasi Minyak Jarak (Galuh Widiyarti)

253

Dari Gambar 2 sampai dengan Gambar 5, yangmerupakan grafik perubahan bilangan iodium asam lemakdari minyak jarak hasil hidrogenasi secara katalitik padaberbagai kondisi proses yang telah ditentukan, dapatdilihat bahwa tingkat kejenuhan produk maksimum terjadipada suhu 180 oC, tekanan 15 bar, dan konsentrasi katalis0,05% dengan menggunakan katalis hasil presipitasi.Pada kondisi proses tersebut diperoleh bilangan iodiumsebesar 6,168 (terjadi penurunan bilangan iodiumsebesar 92,8%) setelah 2 jam waktu proses hidrogenasi(Gambar 4). Pada suhu dan tekanan proses yang sama,dengan konsentrasi katalis yang digunakan dinaikkanmenjadi 0,1%, tingkat kejenuhan produk hanya 6,178,sehingga penambahan konsentrasi katalis tersebuttidak berpengaruh nyata terhadap aktivitas katalis(Gambar 5). Dari berbagai kondisi proses hidrogenasidapat diketahui bahwa, kondisi optimum proseshidrogenasi adalah pada suhu 180 oC, tekanan 15 bar,waktu proses selama 2 jam dengan konsentrasi katalishasil presipitasi sebesar 0,05%.

Perbedaan aktivitas katalis hasil impregnasi danhasil presipitasi yang cukup besar dimungkinkan karenaadanya perbedaan dispersi logam aktif pada permukaanbahan penyangga pada katalis hasil presipitasi yanglebih merata dibandingkan pada katalis hasil impregnasi.Selain itu, dimungkinkan juga karena luas permukaanspesifik katalis hasil presipitasi jauh lebih besardibandingkan dengan katalis hasil impregnasi. Dengansemakin besar luas permukaan spesifik katalis, biasanyaaktivitas katalis makin baik, sehingga dilihat dari aktivitaskatalis pada proses hidrogenasi minyak jarak, katalisyang dihasilkan dengan metode presipitasi lebih aktifdibandingkan metode impregnasi.

Tingginya aktivitas ini dimungkinkan karenapada metode presipitasi, penempelan logam aktif padabahan penyangga dengan bantuan bahan pengendapdan pengontrol pH menyebabkan penempelan logamaktif pada permukaan bahan penyangga menjadi lebihmerata. Dengan dispersi logam aktif Ni yang merata padapermukaan bahan penyangga katalis menyebabkanmakin banyaknya hidrogen yang berikatan dengan logamaktif pada permukaan katalis yang selanjutnya hidrogentersebut diadsobrsi oleh reaktan minyak jarak danterjadilah proses adisi hidrogen dimana ikatan asam lemaktak jenuh yang terkandung dalam minyak jarak berubahmenjadi asam lemak jenuh.

KESIMPULAN

Dari percobaan proses hidrogenasi minyak jarakyang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa, ditinjaudari aktivitasnya, katalis yang dipreparasi dengan metodepresipitasi lebih aktif dibandingkan dengan katalis yangdipreparasi dengan metode impregnasi. Kondisi optimumproses hidrogenasi minyak jarak secara katalitik terjadipada suhu 180 oC, tekanan 15 bar dan konsentrasi katalis0,05 % (berat logam aktif Ni terhadap minyak jarak).

Gambar 2. Perubahan bilangan iodium minyak jarak hasilhidrogenasi pada tekanan 10 bar dengan konsentrasi katalis0,05%.

0

20

40

60

80

100

0 30 60 90 120

WaktuHidrogenasi (menit)

Bil

ang

an

Iodi

um

Impregnasi140

Impregnasi160

Impregnasi180

Presipitasi 140

Presipitasi 160

Presipitasi 180

Gambar 3. Perubahan bilangan iodium minyak jarak hasilhidrogenasi secara katalitik pada tekanan 10 bar dengankonsentrasi katalis 0,1%.

0

20

40

60

80

100

0 30 60 90 120

WaktuHidrogenasi (menit)

Bil

anga

nIo

dium

Impregnasi140

Impregnasi160

Impregnasi180

Presipitasi140

Presipitasi160

Presipitasi180

Gambar 4. Perubahan bilangan iodium minyak jarak hasilhidrogenasi secara katalitik pada tekanan 15 bar dengankonsentrasi katalis 0,05%.

0

20

40

60

80

100

0 30 60 90 120

WaktuHidrogenasi (menit)

Bil

anga

nIo

dium

Impregnasi140

Impregnasi160

Impregnasi180

Presipitasi140

Presipitasi160

Presipitasi180

Gambar 5. Perubahan bilangan iodium minyak jarak hasilhidrogenasi secara katalitik pada tekanan 15 bar dengankonsentrasi katalis 0,1%

0

20

40

60

80

100

0 30 60 90 120

WaktuHidrogenasi (menit)

Bil

anga

nIo

dium

Impregnasi140

Impregnasi160

Impregnasi180

Presipitasi140

Presipitasi160

Presipitasi180

Jurnal Sains Materi IndonesiaIndonesian Journal of Materials Science

Vol. 10, No. 3, Juni 2009, hal : 250 - 254

ISSN : 1411-1098

254

Berdasarkan hasil penelitian yang telah diperoleh,maka perlu dilakukan penelitian lebih lanjut, khususnyadalam karakterisasi katalis yaitu dengan melihat morfologikatalis menggunakan Scanning Electron Microscope(SEM) sehingga dispersi logam aktif pada bahanpenyangga tampak lebih jelas, dan dilakukanTemperature Programme Reduction (TPR) sehinggadapat diketahui suhu reduksi yang sesuai baik untukkatalis hasil impregnasi ataupun katalis hasil presipitasi.Selain itu, dalam menganalisis kandungan asam lemakminyak jarak hasil hidrogenasi perlu dilakukan denganmenggunakan Gas Chromatography (GC) sehinggadapat diketahui jumlah dari asam lemak tidak jenuh yangterhidrogenasi menjadi asam lemak jenuh.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penulis mengucapkan terimakasih kepada AzizJunaedi dan Jose Rizal dari Departemen Teknik Kimia,Fakultas Teknik Industri, Institut Sains dan TeknologiAl-Kamal, Jakarta atas bantuan dan kerjasamanya dalam

penelitian ini.

DAFTAR ACUAN

[1]. AGUNNIYI, J.Biotech, 97 (9) (2005) 1086-1091[2]. D.J. BARNER, B.S. BALDWINand B.A.BRAASH,

J. Industrial Crops and Product, 29 (2) (2008)509-515

[3]. AKSHAYK CHEMICALS, Castor Oil andDerivatives, Small Business Publication, India,(2006)

[4]. DINASPERINDUSTRIAN dan PERDAGANGAN,Industri dan Pemasaran Kosmetika di Indonesia,Rubrik Publikasi, Jakarta, (2007)

[5]. INDOCOMMERCIAL, Prospek Industri danPemasaran Pelumas di Indonesia, Jakarta, (2003)

[6]. K. OTHMER, Encyclopedia of ChemicalTechnology, 4th Edition, Volume 5, John Wiley andSons, Inc. NewYork, (2001)

[7]. R. I., MASEL, Chemical Kinetics and Catalysis,Wiley Interscience, NewYork, (2001)

[8]. B. ARNO, Organometalic Compounds andHomogenous Catalysis, Wiley-VCH, Weinheim,(2002)

[9]. K. HELMUT and K. KARL, HeterogenousCatalysis and Solid Catalysts, Wiley-VCH,Winheim, (2002)

[10]. Y.H.,HUI, Bailey’s Industrial Oil and Fat Product,5th Edition, Volume 1, John Wiley and Sons, Inc.,NewYork, (1996)

[11]. F. SHARIDI, Bailey’s Industrial Oil and FatProduct, 6th Edition, Volume 2, John Wiley andSons, Inc., NewYork, (2005)