Jumat, 06 April 2012

KAOLIN sebagai Katalis

NAMA :SRIWIJAVA KUSUMA WIJAYA
NOMOR :23
KELAS :XI IPS 1

KAOLIN SEBAGAI SUMBER SiO2 UNTUK PEMBUATAN
KATALIS Ni/SiO2: KARAKTERISASI DAN UJI KATALIS PADA HIDROGENASI BENZENA MENJADI SIKLOHEKSANA
Abstrak
Mineral clay jenis kaolin telah digunakan sebagai sumber SiO2 dan menghasilkan campuran SiO2 jenis quartz dan quartz alpha sekitar 60 % dari jumlah kaolin yang digunakan. Produk SiO2 berhasil diubah menjadi silika gel dan digunakan sebagai penunjang katalis Ni/SiO2 melalui impregnasi larutan Ni(NO3)2, menghasilkan katalis Ka dan Kb dengan luas permukaan lebih kecil dibanding silika gel. Ukuran pori dan volume pori Ka lebih besar dibanding Kb. Uji katalitik pada hidrogenasi benzena menggunakan katalis Ka menghasilkan sikloheksana lebih banyak dibandingkan dengan menggunakan katalis Kb.
Abstract
Kaolin as a SiO2 Source for Ni/SiO2 Catalyst Syntheses: Characterization and Application of Catalyst for Hydrogenation Benzene to Cyclohexane. Kaolin one of clay minerals has been employed as a SiO2 source and produced a mixture of two type SiO2, quartz and quartz alpha, with the amount of 60 % of kaolin used. The SiO2 produced had been diverted to silica gel and used as supporting agent for Ni/SiO2 catalyst through impregnation of Ni(NO3)2 solution to form Ka and Kb catalysts, that having surface area smaller than the silica gel. The pore size and volume of Ka catalyst is bigger than Kb catalyst. Catalytic properties of Ni/SiO2 catalysts have been investigated for benzene hydrogenation and resulting Ka catalyst had produced more cyclohexane than Kb catalyst.
Keywords: kaolin, silica gel, Ni/SiO2 catalyst, benzene hydrogenation, cyclohexane

1. Pendahuluan
Kaolin atau “Kaolinite” termasuk jenis mineral clay dengan formula Al2O3.2SiO2.2H2O. Nama kaolin berasal dari bahasa Cina “Kau-Ling” yaitu suatu daerah di Cina yang banyak mengandung mineral ini. Kaolin mengandung SiO2 sekitar 50 %, oleh karena itu kaolin dapat digunakan sebagai sumber SiO2 untuk pembuatan silika gel. Silika gel berupa padatan amorf dan berpori yang terbentuk dari proses polimerisasi asam silikat dan mempunyai sifat inert, netral, luas permukaannya besar, dan memiliki daya adsorpsi besar. Oleh karena itu silika gel banyak digunakan sebagai adsorben anorganik, penyerap air, dan sebagai fasa diam pada kromatografi lapisan tipis dan kromatografi gas [1-4].
Pada umumnya hampir semua logam transisi dapat digunakan untuk katalis, karena logam transisi kaya akan elektron, telah mengisi orbital 3d dan memiliki elektron tidak berpasangan sehingga mudah berikatan dengan atom lain. Salah satunya adalah logam Ni yang mempunyai konfigurasi elektron [Ar] 3d84s2 yang banyak digunakan sebagai katalis hidrogenasi alkena [5-9]. Katalis logam nikel mempunyai aktivitas dan selektivitas yang baik dalam suatu reaksi, namun fasa aktif katalis nikel sendiri tidak memiliki permukaan yang luas, sehingga reaksi menjadi tidak efektif dan efisien karena tidak seluruh pusat aktifnya dapat mengadakan kontak dengan reaktan. Oleh karena itu logam nikel perlu didistribusikan pada suatu permukaan padatan penyangga yang memiliki luas permukaan besar, dan pada penelitian ini telah berhasil dibuat katalis Ni/SiO2, dengan cara impregnasi logam Ni pada matriks silika gel yang disintesa dari kaolin [1-2, 6-12]. Katalis Ni/SiO2 yang dihasilkan juga telah dikarakterisasi dengan XRD, IR, BET dan
37 MAKARA, SAINS, VOLUME 12, NO. 1, APRIL 2008: 37-43 38

keasamannya, serta diuji coba pada reaksi hidrogenasi benzena menjadi siklo heksana.
2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini, tahap pertama yang dilakukan adalah membuat silika gel dari kaolin yang banyak mengandung unsur silika. Kemudian silika gel yang dihasilkan diimpregnasi dengan logam Ni dan katalis Ni/SiO2 yang dihasilkan dicoba pada hidrogenasi benzena menjadi siklo heksana.
Isolasi SiO2 dari Kaolin
Kaolin (100 gram ) dipanaskan 800 oC dalam tanur selama 6 jam untuk menghasilkan kaolin metastabil. Kemudian ke dalam 40,0 gram kaolin metastabil ditambahkan 15 mL air, 280 mL HCl pekat dan 94 mL HNO3 pekat (aqua regia), lalu direfluk pada 100 oC selama 4 jam dengan pengadukan merata. Setelah dingin, ke dalam campuran ditambahkan lagi 90 mL HCl pekat dan 30 mL HNO3 pekat untuk dilakukan refluks kembali. Hasil refluks disaring dan endapan SiO2 dicuci dengan aquademin hingga bebas asam kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 110 oC.
Penentuan Kadar SiO2
SiO2 hasil isolasi (1,0 gram) dikeringkan hingga didapat berat yang konstan (berat 1). Kemudian 1,0 gram SiO2 yang sama dilarutkan dengan menambahkan 1,0 mL air, 5,0 mL HF dan 2-3 tetes H2SO4 pekat di dalam krusibel platina. Kemudian larutan tersebut dipanaskan (tidak mendidih) hingga HF menguap (sekitar 1 jam), lalu dipanaskan kembali pada suhu 1.050 oC dalam tanur selama 15 menit. Residu didinginkan dalam desikator dan ditimbang hingga konstan (berat 2). Selisih berat 1 dan berat 2 adalah berat SiO2 murni.
Pembuatan Silika Gel
SiO2 yang dihasilkan dari kaolin dicampur dengan Na2CO3 (natrium karbonat) dengan perbandingan mol 1 :1 (6,0 gr SiO2 + 6,0 gr Na2CO3) kemudian digerus hingga halus dan homogen. Campuran dilebur dalam tanur 800 oC selama 3 jam, dan Na2SiO3 yang dihasilkan didiamkan selama semalam, kemudian direndam dalam aquademin selama 12 jam. Endapan yang tersisa dipisahkan dari filtratnya dengan penyaringan, dan endapan dicuci dengan aquademin. Air cucian dan filtrat dicampur dan ditambahkan larutan 6,0 M HNO3 setetes demi setetes dengan pengadukan hingga terbentuk silika hidrosol, kemudian didiamkan selama 2 malam, agar polimerisasi asam silikat berlangsung sempurna membentuk silika hidrogel. Gel SiO2 yang terbentuk disaring dan dicuci hingga bening, kemudian dikeringkan hingga beratnya konstan dalam oven pada suhu 110 oC.
Pembuatan Katalis Ni/SiO2
Pembuatan katalis Ni/SiO2 dilakukan dengan dua cara, yaitu;
a. Ke dalam empat wadah yang masing-masingnya berisi 25 mL larutan Ni(NO3)2 dengan konsentrasi 0,5; 1,0; 1,5; dan 2,0 M ditambahkan 5,0 gr silika gel, diaduk selama 2 jam dan dibiarkan selama 24 jam. Campuran disaring dan endapan dikeringkan selama 2 jam dalam oven dengan suhu 110 oC, kemudian dikalsinasi pada suhu 500 oC selama 2 jam. Selanjutnya katalis ini disebut katalis a (Ka), dan empat katalis a ini dinamakan Ka-1 untuk penambahan larutan Ni(NO3)2 dengan konsentrasi 0,5 M; Ka-2 (1,0 M); Ka-3 (1,5 M) dan Ka-4 (2,0 M).
b. Dibuat sejumlah hidrosol seperti prosedur 2.3., kemudian dibagi 4 bagian dan ke dalam masing-masing bagian ditambahkan 25 mL larutan Ni(NO3)2 dengan konsentrasi 0,5; 1,0; 1,5; dan 2,0 M sambil diaduk merata. Ke dalam campuran ditambahkan HNO3 6,0 M setetes demi setetes hingga terbentuk gel. Kemudian gel disaring dan dicuci hingga bening, dikeringkan dalam oven (110 oC; 2 jam) dan dikalsinasi pada suhu 500 oC selama 2 jam. Selanjutnya katalis ini disebut katalis b (Kb), dan empat katalis jenis b ini dinamakan Kb-1 untuk penambahan larutan Ni(NO3)2 dengan konsentrasi 0,5 M; Kb-2 (1,0 M); Kb-3 (1,5 M) dan Kb-4 (2,0 M).

Uji Katalis Ni/SiO2
Penentuan Jumlah Ni yang Terdapat dalam Katalis. Katalis Ni/SiO2 (0,5 g) dilarutkan dengan cara menambahkan tetes demi tetes HF di dalam wadah plastik dan diencerkan dengan aquademin hingga 50,0 mL. Larutan ini kemudian diencerkan kembali hingga 100 kalinya, lalu dianalisa dengan menggunakan alat AAS.
Uji Keasaman Katalis. Uji keasaman katalis dilakukan pada reaktor unggun tetap (fixed bed reactor). Katalis dibentuk menjadi pelet kemudian dihaluskan dan di ayak hingga homogen dengan ukuran 0,125 – 0,5 mm. Seberat 0,5 gram katalis dimasukkan ke dalam tempat sampel dan direduksi dengan mengalirkan gas H2 (40 mL/menit; bypass) pada suhu 500 oC selama 2 jam. Setelah selesai suhu reaktor diturunkan menjadi 200 oC, tempat sample (bubler) diisi larutan amonia kemudian dialiri gas N2 untuk membawa uap amonia kepada katalis, agar terjadi adsorbsi amonia oleh katalis. Kemudian katalis dikeluarkan dari reaktor dan dinalisa dengan FTIR untuk mengetahui gugus asam Bronsted dan asam Lewis.
Uji Sifat Katalitik. Uji katalitik dari katalis Ni/SiO2 dilakukan pada reaksi hidrogenasi benzena menjadi siklo heksana dalam reaktor unggun tetap (fixed bed reactor). Reduksi katalis dan uji sifat katalitik dilakukan pada kondisi yang sama yaitu, laju alir H2 dan benzena MAKARA, SAINS, VOLUME 12, NO. 1, APRIL 2008: 37-43 39

40 mL/menit, suhu reaktor 200 oC. Hasil reaksi ditampung dalam suatu trapper yang dingin kemudian dianalisa dengan alat GC-FID (laju alir N2 50 mL/menit; Tinjeksi 100 oC ; Tkolom 50 oC ; Tdetektor 200 oC dan kolom yang digunakan squalen).
3. Hasil dan Pembahasan
Sebelum sampel kaolin digunakan, terlebih dahulu dilakukan uji dengan X-Ray Diffraction (XRD) [11-17]. Hasil analisa XRD sampel kaolin memperlihatkan nilai d yang serupa dengan nilai d kaolin standar (Tabel 1), hal ini menunjukkan bahwa sampel yang digunakan adalah kaolin.
Setelah itu, sampel kaolin tersebut digunakan untuk pembuatan silika gel, yang selanjutnya digunakan untuk pembuatan katalis Ni/SiO2.
Pembuatan Silika Gel. Untuk menghasilkan SiO2 sampel kaolin dipanaskan pada suhu 800 oC selama 6 jam untuk diubah menjadi kaolin metastabil. Suhu 800 oC dipilih berdasarkan data TGA/DTA perubahan kaolin seperti terlihat pada Gambar 1 [18], karena pada suhu tersebut ikatan Si-O-Al menjadi lemah. Jika digunakan suhu lebih rendah dari 800 oC (misal suhu 450-700 oC), maka hanya menghasilkan peristiwa dehidroksilasi (pelepasan air) dari kristal seperti persamaan ;
Al2O3.2SiO2.2H2O → Al2O3.2SiO2 + H2O (1)
Setelah ikatan Si-O-Al lemah, dengan penambahan asam kuat diharapkan Si dapat terpisah dari Al, untuk itu kaolin metastabil direfluks dengan aqua regia (campuran HNO3 pekat dan HCl pekat). Hasil refluks diperoleh endapan SiO2 dan larutan berwarna kuning kehijauan yang mengandung senyawa dari logam-logam pengotor seperti Al, Fe, Mn, Mg, P, Ca dan K yang terdapat dalam kaolin. SiO2 yang dihasilkan di analisa dengan cara melarutkannya dengan HF dan H2SO4 pekat. Silika akan berubah menjadi SiF4 dan me nguap, sedangkan pengotor lain yang tersisa, seperti Al2O3 dan Fe2O3 berubah menjadi bentuk floridanya yang kemudian berubah kembali menjadi bentuk oksida setelah bereaksi dengan H2SO4 pada suhu 1.050-1.100 oC seperti persamaan reaksi 2-6. Selisih antara berat awal SiO2 dengan berat senyawa oksida pengotor dihasilkan berat SiO2 murni, yaitu sekitar 60 % dari berat awal kaolin yang digunakan.
SiO2 + 6 HF → H2(SiF6) + 2 H2O (2)
H2(SiF6) → SiF4 + 2 HF (3)
Al2O3 + 6 HF → 2 AlF3 + 3 H2O (4)
2 AlF3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6 HF (5)
Al2(SO4)3 → Al2O3 + SO3 (6)
Data XRD produk SiO2 (Tabel 2 dan 3) menunjukkan bahwa produk merupakan suatu campuran yang terdiri dari 2 jenis SiO2 yaitu SiO2 quartz dan SiO2 quartz alpha.
Reaksi SiO2 yang dihasilkan dari kaolin dengan Na2CO3 (1:1) menghasilkan Na2SiO3 (waterglass) yang mudah larut dalam air.
SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2 (7)
Tabel 1. Data XRD kaolin d standar (Å) d sampel (Å)
7,14 7,2093
3,57 3,5892
2,34 2,3462

Tidak ada komentar:

Posting Komentar