Teknik Reaksi KimiaKomposisi Katalis

Disusun Oleh:Kelompok: IIIKelas: 3.KAJurusan : Teknik KimiaNama Anggota:1. Dorie Kartika (061330400295)1. Renny Eka Damayanti (061330400310)1. Nurul Agustini (061330400306)1. Dwi Sandi Wahyudi (061330400296)Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Hj. Rusdianasari, M.Si

POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYATahun Ajaran 2014/2015Jalan Srijaya Negara Bukit Besar Palembang 30139 Telpon : +620711353414 Fax: +62711355918 Web : http :// www.polsri.ac.id atau http://www.polisriwijaya.ac.id Email : info@polsri.ac.id

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum wr.wbAlhamdulillah kami mengucapkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya kepada kami, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan sangat baik. Tak lupa kami selalu menghanturkan salam dan shalawat kepada baginda Rasulullah SAW beserta sahabat dan pengikutnya hingga akhir zaman yang tak henti-hentinya membawa kebenaran agama Islam ke seluruh penjuru dunia.Tidak lupa kami mengucapkan terima kasih kepada ibu Dr. Ir. Hj. Rusdianasari, M.Si yang telah mempercayai kami untuk menyusun makalah ini dengan lancar dan sangat baik, serta kepada teman- teman sekalian yang berkat partisipasinya makalah ini dapat terselesaikan dengan baik.Makalah ini kami susun dengan sangat sistematis sesuai sajian dengan bahasan kami yaitu Teknik Reaksi Kimia-Komposisi Katalis. Kami mengulas tema makalah ini dengan wawasan yang kami dapatkan dari berbagai buku dan sumber informasi lainnya.Kami menyadari bahwa makalah yang kami susun ini masih banyak kekurangan baik dari segi penulisan maupun keterbatasan sumber pengetahuan kami.Untuk itu kami mohon kritik dan saran kepada para pembaca sekalian.Akhir kata kami berharap makalah ini dapat bermanfaat dengan baik untuk kehidupan kita dan kami ucapkan terimakasih.Wassalamualaikum wr.wbPalembang, Oktober 2014

PenulisDAFTAR ISIKata pengantar2Daftar isi3BAB I PENDAHULUAN41.1 Latar belakang41.2 Rumusan masalah51.3 Tujuan dan manfaat51.4 Metode penelitian5BAB II PEMBAHASAN62.1 Katalis62.2 Komposisi katalis182.3 Umur katalis242.4 Bentuk katalis252.5 Spent Katalis262.6 Contoh Katalis29BAB III PENUTUP383.1 Kesimpulan38 3.2 Saran38DAFTAR PUSTAKA39

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangKatalis dapat digunakan dalam pengaktifan reaksi yang akan mempercepat laju reaksi dengan menurunkan energi aktivasi. Jika energi pengaktifan reaksi tinggi, maka untuk temperatur normal, hanya akan terjadi sebagian kecil pertemuan molekul yang nantinya dapat menghasilkan reaksi. Katalis dapat menurunkan energi pengaktifan dengan menghindari tahap penentu laju yang lambat dari reaksi yang tidak dapat di katalisa. Dengan menurunnya energi aktivasi maka pada temperatur yang sama didapatkan laju reaksi yang tidak dapat dikatalisa. Fungsi utama dari katalis ini adalah menyediakan reaksi alternatif dalam suatu reaksi kimia. Dengan peranan yang sangat penting ini, maka katalis sangat di perlukan oleh tubuh dalam proses pencernaan makanan di dalam tubuh. Fungsi penting katalis ( enzim ) ini memberikan dampak besar terhadap kelancaran pencernaan makanan di dalam tubuh. Misalnya saja adalah enzim amylase di dalam mulut (air liur) yang membantu memecah amilosa. Selain peranan katalis di dalam tubuh, katalis juga berperan dalam proses kimia lainnya. Katalis memegang peranan penting dalam perkembangan kimia. Dewasa ini, semua produk dihasilkan melalui proses yang memanfaatkan jasa katalis, baik satu atau beberapa proses. Katalis tidak terbatas pada bagian proses konveksi, bahkan juga untuk bagian proses pemisahan. Penggunaan katalis sekitar 50% (Levenspiel,1999). Katalis berdasarkan fase reaksinya dapat digolongkan mejadi katalis homogen dan heterogen. Katalis heterogen adalah katalis yang berbeda fase dengan fase reaktan dan fase produknya. Katalis heterogen mempunyai kelebihan dalam pemisahan dari sisa reaktan dan produk serta tahan terhadap temperatur tinggi.Semakin maju dan berkembangnya dunia industri, pun juga kebutuhan katalis demikian. Dengan mempelajari lebih dalam mengenai katalis, maka penulis tertarik mengambil judul Komposisi Katalis dalam penyusunan makalah ini.

1.2 Rumusan MasalahDari latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan masalah-masalah sebagai berikut.1. Apa yang dimaksud dengan katalis?2. Apa saja yang termasuk komposisi katalis?

1.3 Tujuan PenulisanAdapun tujuan dari penyusunan makalah ini, yaitu.1. Untuk mengidentifikasi pengertian katalis dan fungsinya.2. Untuk mengetahui cara kerja katalis.3. Untuk mengetahui komposisi katalis.

Selain itu, terdapat pula manfaat penyusunan makalah, yaitu.1. Sebagai media pembelajaran mahasiswa dalam penyusunan makalah.2. Sebagai bahan tambahan untuk memperluas wawasan mengenai komposisi katalis.1.4 Metode PenulisanAdapun metode penulisan yang dilakukan penulis dalam penyusunan makalah ini yaitu menggunakan metode studi pustaka, yang merupakan suatu metode mengumpulkan, membaca, menyaring, dan menyimpulkan data-data dari berbagai buku dan sumber lainnya.

BAB II PEMBAHASAN

2.1 KatalisKatalis merupakan suatu zat atau substansi yang dapat mempercepat reaksi (dan mengarahkan atau mengendalikannya), tanpa terkonsumsi oleh reaksi, namun bukannya tanpa bereaksi. Katalis bersifat mempengaruhi kecepatan reaksi, tanpa mengalami perubahan secara kimiawi pada akhir reaksi. Peristiwa / fenomena / proses yang dilakukan oleh katalis ini disebut katalisis. Istilah negative catalyst (atau inhibitor) merujuk kepada zat yang berperan menghambat atau memperlambat berlangsungnya reaksi.Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi-reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi ataupun produk.Katalisis merupakan proses yang terjadi akibat adanya peran dari katalis. Katalis merupakan senyawa kimia yang dapat mempercepat reaksi tanpa perubahan bentuk/struktur dari katalis tersebut. Cara kerjanya yaitu dengan menempel pada bagian subtrat tertentu dan pada akhirnya dapat menurunkan energi pengaktifan dari reaksi, sehingga reaksi berlangsung dengan cepat.Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Katalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi.Katalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama: katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang dikatalisinya, sedangkan katalis homogen berada dalam fase yang sama. Satu contoh sederhana untuk katalisis heterogen yaitu bahwa katalis menyediakan suatu permukaan di mana pereaksi-pereaksi (atau substrat) untuk sementara terjerap. Ikatan dalam substrat-substrat menjadi lemah sedemikian sehingga memadai terbentuknya produk baru. Ikatan antara produk dan katalis lebih lemah, sehingga akhirnya terlepas.Katalis homogen umumnya bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk suatu perantara kimia yang selanjutnya bereaksi membentuk produk akhir reaksi, dalam suatu proses yang memulihkan katalisnya. Berikut ini merupakan skema umum reaksi katalitik, di mana C melambangkan katalisnya:A + C AC (1)B + AC AB + C (2)

Meskipun katalis (C) termakan oleh reaksi 1, namun selanjutnya dihasilkan kembali oleh reaksi 2, sehingga untuk reaksi keseluruhannya menjadi,A + B + C AB + Ckatalis tidak termakan atau pun tercipta. Enzim adalah biokatalis. Penggunaan istilah "katalis" dalam konteks budaya yang lebih luas, secara bisa dianalogikan dengan konteks ini. Beberapa katalis ternama yang pernah dikembangkan di antaranya katalis Ziegler-Natta yang digunakan untuk produksi masal polietilen dan polipropilen. Reaksi katalitik yang paling dikenal ialah proses Haber untuk sintesis amoniak, yang menggunakan besi biasa sebagai katalis. Konverter katalitik--yang dapat menghancurkan produk samping knalpot yang paling bandel--dibuat dari platinadanrodium.

Sifat katalis1. Struktur/stoikiometri Mudah ditentukan Sulit ditentukan2. Kemungkinan modifikasi Tinggi Rendah3. Daya tahan suhu Rendah Tinggi4. Tehnik pemisahan katalis Seringkali rumit (distilasi, ekstraksi, dekomposisi kimiawi) Suspensi, filtrasi (sistem slurry)5. Tidak perlu pemisahan (sistem fixed-bed)6. Kemungkinan daur ulang katalis Bisa dilakukan Tidak perlu (fixed-bed)7. Mudah (suspensi atau slurry)8. Potensi kehilangan katalis Tinggi Rendah

Sifat-sifat dari reaksi katalitis yaitu sebagai berikut:1. Pada reaksi katalitis, katalis akan menurunkan energi aktivasi.2. Katalis yang sedikit akan mempercepat reaksi dari zat reaktan dalam jumlah banyak.3. Katalis tidak mengubah letak kesetimbangan untuk reaksi reversibel.

Katalis dan Racunnya

Katalis pada kendaraan diesel (CuO atau Al2O3)

Katalis CuO atau Al2O3 akan mengalami keracunan jika terdapat senyawa sulfur dalam reaktan. Solar Indonesia mengandung sulfur sebesar 0,5% berat, sehingga CuO atau Al2O3 tidak dapat digunakan sebagai katalis untuk katalitik konverter kendaraan diesel.

Katalis pada Sintesis Asam Sulfat (Pt, Fe2O3, V2O5)

Katalis yang digunakan:

a. Pt dengan penyangga asbes atau magnesium sulfat yang telah dikalsinasi atau silika gel.

b. Fe2O3 Kurang reaktif dibandingkan Pt, tetapi murah, terdapat pada terak pemanggangan pirit.

c. V2O5 dengan penyangga zeolit atau natural diatomite brick

Tujuan pemakaian penyangga: memperluas permukaan kontak katalis dengan reaktan

Peracunan katalis

Pada saat terjadi peracunan, aktivitas katalis turun. Proses peracunan terjadi sebagai akibat melekatnya bahan-bahan asing (yang disebut racun, seperti debu, senyawa selenium, tellurium, antimony, lead, dsb.) pada permukaan aktif katalis sehingga tidak dapat dipakai sebagai tempat reaksi. Proses melekatnya benda asing pada permukaan aktif katalis dapat terjadi secara:

a. Fisis dapat diaktifkan kembali. Contoh: Cl2, HCl katalis diaktifkan lagi dengan cara pemanasan di dalam gas yang bebas Cl2 dan HCl.

b. Kimia adsorpsi secara kuat pada permukaan aktif tidak dapat diaktifkan lagi. Contoh: senyawa arsenik, selenium, tellurium, antimony, lead. (Katalis V2O5 dan Platinized-silica-gel tahan terhadap racun arsenik).

Katalis pada Catalitic reforming (Ni)

Pada umumnya katalis yang dipakai di Steam Reforming adalah Nikel. Nikel merupakan sulfur absorbent yang sangat baik. Dalam jumlah sangat sedikit saja akan menyebabkan deaktivasi katalis total. Deaktivasi artinya berkurangnya keaktifan katalis. Dapat terjadi secara kimiawi dan secara fisik.A. Deaktivasi secara kimiawi:

- Oksidasi katalis: katalis mengalami oksidasi kembali ke NiO. Dapat terjadi apabila H2 pada umpan kurang. Ni bereaksi dengan H2O membentuk NiO.

- Keracunan (poisoning): terjadi apabila senyawa aktif (Ni) bereaksi dengan senyawa racun (misal S, Cl membentuk NiS, NiCl2) sehingga senyawa aktif tersebut tidak dapat mereaksikan gas bumi.

B. Deaktivasi secara fisik terjadi apabila katalis menjadi tidak aktif karena perubahan fisik atau adanya suatu benda/padatan yang menutupi senyawa aktif sehingga tidak dapat kontak dengan reaktan, antara lain :- Karbonisasi- Sintering

Beberapa racun katalis catalytic reforming adalah sebagai berikut :

Sulfur

Konsentrasi sulfur maksimum yang diijinkan dalam umpan naphtha adalah 0,5 wt-ppm. Biasanya diusahakan kandungan sulfur dalam umpan naphtha sebesar 0,1-0,2 wt-ppm untuk menjamin stabilitas dan selektivitas katalis yang maksimum.

Beberapa sumber yang membuat kandungan sulfur dalam umpan naphta tinggi adalah : proses hydrotreating yang tidak baik (temperature reactor kurang tinggi atau katalis sudah harus diganti), recombination sulfur dari naphtha hydrotreater (dan terbentuknya sedikit olefin) akibat temperature hydrotreater yang tinggi dan tekanan hydrotreater yang rendah, hydrotreater stripper upset, memproses feed yang memiliki end point tinggi.

Nitrogen

Konsentrasi nitrogen maksimum yang diijinkan dalam umpan naphtha adalah 0,5 wt-ppm. Kandungan nitrogen dalam umpan naphtha akan menyebabkan terbentuknya deposit ammonium chloride pada permukaan katalis.

Beberapa sumber yang membuat kandungan nitrogen dalam umpan naphtha tinggi adalah : proses hydrotreating yang tidak baik (temperature reactor kurang tinggi atau katalis sudah harus diganti), penggunaan filming atau neutralizing amine sebagai corrosion inhibitor di seluruh area yang tidak tepat guna.

Water

Kandungan air dalam recycle gas sebesar 30 mol-ppm sudah menunjukkan excessive water, dissolved oxygen, atau combined oxygen di unit catalytic reforming. Tingkat moisture di atas level ini dapat menyebabkan reaksi hydrocracking yang excessive dan juga dapat menyebabkan coke laydown. Lebih lanjut lagi, kondisi ini akan menyebabkan chloride ter-strip dari katalis, sehingga mengganggu kesetimbangan H2O/Cl dan menyebabkan reaksi menjadi terganggu.

Beberapa sumber yang membuat kandungan air dalam system tinggi adalah : proses hydrotreating yang tidak sesuai, kebocoran heat exchanger yang menggunakan pemanas pendingin steam/water di upstream unit, system injeksi water catalytic reforming, kebocoran naphtha hydrotreater stripper feed effluent heat exchanger, proses drying yang tidak cukup di drying zone di dalam regeneration tower, dan kebocoran steam jacket di regeneration section.

Metal

Karena efek reaksi irreversible, maka kontaminasi metal ke dalam katalis catalytic reforming sama sekali tidak dibolehkan, sehingga umpan catalytic reformer tidak boleh mengandung metal sedikit pun.

Beberapa sumber kandungan metal dalam umpan naphtha adalah : arsenic (ppb) dalam virgin naphtha, lead mungkin timbul akibiat memproses ulang off-spec leaded gasoline atau kontaminasi umpan dari tangki yang sebelumnya digunakan untuk leaded gasoline, produk korosi, senyawa water treating yang mengandung zinc, copper, phosphorous, kandungan silicon dalam cracked naphtha yang berasal dari silicon based antifoam agent yang diijeksikan ke dalam coke chamber untuk mencegah foaming, dan injeksi corrosion inhibitor yang berlebihan ke stripper naphtha hydrotreater.

Katalis Pada Proses Hydrocracking (Pt)

Keracunan Logam

Pada proses penghilangan logam dari umpan, senyawa logam organik terdekomposisi dan menempel pada permukaan katalis. Jenis logam yang biasanya menjadi racun katalis hydrocracker adalah nikel, vanadium, ferro, natrium, kalsium, magnesium, silica, arsenic, timbal, dan phospor. Keracunan katalis oleh logam bersifat permanent dan tidak dapat hilang dengan cara regenerasi. Keracunan logam dapat dicegah dengan membatasi kandungan logam dalam umpan. Best practice batasan maksimum kandungan logam yang terkandung dalam umpan hydrocracker adalah 1,5 ppmwt untuk nikel dan vanadium, 2 ppmwt untuk ferro dan logam lain, serta 0,5 ppmwt untuk natrium.

Kandungan air dalam katalis

Air dapat masuk ke dalam katalis jika pemisahan air dari feed hydrocracker di dalam tangki penyimpanan tidak sempurna ataupun terjadi kerusakan steam coil pemanas tangki penyimpanan. Air dapat dicegah masuk ke dalam reactor dengan memasang filter 25 micron.

Katalis Pada Proses Reforming

Proses reforming nafta dengan katalis bifungsional dapat menghasilkan komponen bensin bermutu tinggi dan hidrokarbon aromatik rendah (benzena, toulena, dan silena). Umpan nafta mengandung kotoran-kotoran molekul non-hidrokarbon senyawa organic berupa sulfur, nitrogen, oksigen dan juga organik logam, sehingga umpan nafta tersebut perlu dimurnikan lebih dulu pada proses hidromurnian. Katalis reformer bifungsional mempunyai inti aktif logam (mono dan bi-metal) dan inti aktif asam (Al2O3Cl). Kotoran non-hidrokarbon umpan nafta dapat menurunkan aktivitas katalis reformer bi-fungsional.

Katalis pada Sintesis -tokoferol (AlC13, BF3, dan ZnCl2)

-tokoferol dikenal sebagai satu vitamin E yang mempunyai aktivitas antioksidan. Senyawa tokoferol terbentuk dari reaksi kondensasi hidrokuinon dengan aklik alkohol merupakan proses yang penting dalam sintesis struktur cincin kroman, dengan menggunakan AlC13, BF3, dan ZnCl2 sebagai katalis asam Lewis.

Kelemahan katalis tersebut, mengalami deaktivasi karena terikatnya molekut air selama reaksi berlangsung. Akibainya katalis tersebut, tidak dapat dipakai ulang walaupun sebenamya masih ada. Untuk mengatasi hal tersebut diperlukan katalis yang efisien. Al bentonit dikenal sebagai katalis asam Lewis dan efisiensi dalam reaksi organik. Katalis ini mempunyai luas permukaan dan sisi aktifnya pada lapisan oktahedral dan tetrahedral sehingga dapat digunakan sebagai katalis asam dan reaksi penukar ion.

Katalis Pada Proses Pembuatan Biodiesel (Katalis Lipase)

Biodiesel rute non-alkohol dari minyak goreng bekas dapat menyiasati semakin menipisnya ketersediaan bahah bakar berbasis minyak bumi. Saat ini, produksi biodiesel pada skala industri dilakukan melalui reaksi transes-terifikasi trigliserida minyak nabati dengan metanol menggunakan katalis alkali. Namun, penggunaan katalis alkali itu memiliki kelemahan, yakni pemurnian produk dari katalis yang bercampur homogen relatif sulit dilakukan. Selain itu, katalis bisa ikut bereaksi sehingga memicu reaksi penyabunan. Reaksi sampingan yang tidak diinginkan itu pada akhirnya membebani proses pemurnian produk dan menurunkan yield biodiesel sehingga berdampak pada tingginya biaya produksi.

Untuk mengatasi masalah-masalah tersebut, diperlukan katalis yang tidak bercampur homogen dan mampu mengarahkan reaksi secara spesifik guna menghasilkan produk yang diinginkan tanpa reaksi samping. Belakangan ini, riset sintesis biodiesel menggunakan enzim li-pase semakin banyak dilakukan. Enzim lipase yang bisa menjadi biokatalis dalam sintesis biodiesel tersebut mampu memperbaiki kelemahan katalis alkali, yakni tidak bercampur homogen sehingga pemisahannya lebih mudah. Selain itu, enzim tersebut juga mampu mengarahkan reaksi secara spesifik tanpa adanya reaksi samping yang tidak diinginkan.Meski mengandung kelebihan, penggunaan lipase sebagai biokatalis menyisakan satu persoalan. Lingkungan beralkohol seperti metanol menyebabkan lipase terdeakti-vasi secara cepat dan stabilitas enzim tersebut dalam menga-talisis reaksi menjadi buruk.

Pada banyak reaksi:

Ada suatu substansi atau bahan atau zat yang bukan reaktan dan juga bukan produk, tetapi dapat dan bahkan sangat mempengaruhi kecepatan reaksinya.Substansi inilah yang dinamakan katalis (atau katalisator).Berzellius pada tahun 1835 merupakan orang (ilmuwan) yang pertama kali menggunakanistilah katalis.Katalisadalah suatu bahan kimia yang dapat mempercepat laju reaksi, tapi tanpa merubah hasil akhir reaksi kimiawi. Ketika reaksi berakhir, katalis akan kembali didapatkan seperti awalnya. Katalis mempercepat laju reaksi dengan menurunkan energi aktivasi (Ea) yakni dengan membentu kompleks teraktifkan baru dengan energi yang lebih rendah, sehingga mempercepat laju reaksi dengan tanpa menimbulkan efek termodinamika reaksi keseluruhan.

Grafik Pengaruh Katalis Terhadap Energi Aktivasi

Energi potensial pada katalis

Kelemahan katalis

Alangkah indahnya bila sebuah reaksi kimia tidak membutuhkan katalis agar bisa berlangsung. Tapi kenyataannya jenis reaksi seperti ini jarang ditemui. Keberadaan katalis dalam campuran reaksi kimia tentu saja memberikan masalah tersendiri. Di industri kimia, masalah terutama berkaitan dengan pemisahan (separation), daur ulang (recycle), usia (life time), dan deaktivasi katalis merupakan isu-isu penting.

Problem pemisahan katalis dari zat pereaksi maupun produk lebih sering ditemui pada sistem katalis homogen. Karena katalis homogen larut dalam campuran, pemisahan tidak cukup dilakukan dengan penyaringan atau dekantasi. Teknik yang umum digunakan adalah destilasi atau ekstraksi produk dari campuran, misalnya katalis asam-basa pada reaksi esterifikasi biodiesel dipisahkan dengan ekstraksi untuk kemudian campuran sisa reaktan-katalis yang tertinggal dialirkan lagi menuju bejana reaksi. Namun demikian, ada beberapa katalis istimewa dari senyawa komplek logam yang didesain sedemikian rupa sehingga bisa terpisah atau mengendap setelah reaksi tuntas. Kasus pemisahan untuk katalis heterogen lebih mudah ditanggulangi karena sudah terpisah dengan sendirinya tanpa membutuhkan usaha lain.

Daur ulang dan usia katalis memiliki kaitan. Selama bisa dipisahkan, katalis homogen boleh dikatakan tetap aktif dan memiliki usia yang sangat panjang bahkan nyaris tak terhingga dan bisa digunakan berulang-ulang. Nyawa katalis homogen mungkin tamat jika mengalami deaktivasi akibat teracuni atau perubahan struktur akibat proses ektrim. Katalis heterogen memiliki takdir berbeda. Sering kali katalis heterogen harus diaktivasi dulu sebelum siap digunakan, misalnya dengan jalan direduksi atau dioksidasi. Setelah mengalami proses reaksi berkali-kali, kereaktifan katalis tersebut pelan-pelan menurun akibat perubahan mikrostruktur maupun kimianya, misal terjadi penggumpalan (clustering), migrasi partikel aktif membentuk kristal baru (sintering), oksidasi, karbonisasi, maupun teracuni (poisoned). Untuk mengembalikan reaktifitas katalis heterogen perlu dilakukan regenerasi dengan cara, misalnya kalsinasi, reduksi-oksidasi kembali, atau pencucian dengan larutan aktif. Seringkali proses regenerasi tidak dapat mengembalikan 100% kereaktifan katalis sehingga pada saatnya nanti katalis tersebut akhirnya mati juga dan perlu diganti yang baru.

2.2 Komposisi Katalis

Katalis dibentuk dari komponen-komponen yang dapat menunjang sifat-sifat katalis, yaitu aktivitas, selektivitas, stabilitas, dan ekonomis. Untuk memenuhi sifat-sifat tersebut dibutuhkan tiga komponen utama.1. Fasa aktif (catalyst agent)Komponen aktif merupakan komponen katalis yang bertanggung jawab terhadap reaksi kimia yang utama. Fasa aktif berfungsi mempercepat dan mengarahkan reaksi, dapat bersifat konduktor atau semi konduktor. Reaktan yang akan bereaksi harus dapat kontak dengan zat ini. Pemilihan komponen aktif adalah tahap pertama dalam mendesain katalis. Sementara itu, pengetahuan tentang mekanisme katalitikadalah sangat saintifik, sehingga metode pemilihan komponen aktif menjadi lebihsaintifik juga, walaupun kadangkadang bersifat empirik. Katalis yang bersifat asam biasanya merupakan pendorongmekanisme ion karbonium, seperti pada reaksi isomerisasiatau perengkahan.

Klasifikasi bahan katalis

2. Penunjang (support)

Sebagai support adalah zat padat yang porous dengan luas permukaan dapat mencapai beberapa ratus meter persegi per gram katalis.Sebagai contoh: alumina = 1- 10 m2/gram dan alumina = 100 200 m2/gramFungsi yang paling penting adalah menjaga agar luas permukaankomponen aktif tetap besar. Fungsi lainnya adalah agar aktivitas katalis berbanding lurus dengan bagian aktifnya, untuk itu digunakan suatu support yang mempunyai luas permukaan yang besar. Peran penyangga menjadi sangat penting dimana logam aktif(Pt) didispersikan di permukaan penyangga.Penyangga sendiri harus tahan terhadap perubahan termal,sehingga seharusnya mempunyai titik leleh sedikit di atas komponen aktif. Penyangga dengan luas permukaan yang besar antara lain: alumina, SiO2, karbon aktif, diatomaceous clay, dan SiO2Al2O3. Besarnya konsentrasi komponen aktif atau biasa disebut loadingjuga mempunyai efek yang signifikan agar penyangga bisamemberikan tingkat dispersi komponen aktif yang besar.

Oksida dengan titik leleh tinggi sebagai penyangga katalis

3. Promotor Promotor ditambahkan pada katalis untuk meningkatkan aktivitas, selektivitas, dan stabilitas. Biasanya ditambahkan dalam jumlah kecil 3-10 % pada saat pembuatan katalis. Promotor dibagi dua macam yaitu physical promotor dan chemical promotor. Sebagai contoh pada reaksi :FeN2 + 3H2 2NH3

Physical promotor yang digunakan adalah Al2O3 untuk menghindari sintering (mencegah Fe menjadi cair). Chemical promotor dilakukan dengan penambahan H2O untuk menaikkan aktivitas interistik dari katalis Fe sehingga katalis hanya terdapat pada permukaan saja. Untuk reaksi:S2O32-(aq) + 2I-(aq) I2(s) + 2SO42-(aq)Reaksi ini dikatalis dengan FeSO4 3,1 x 10-5 M.Sebagai promotor CuSO4 4,0 x 107 M.Pada pembuatan amonia dengan proses Haber efisiensi katalis dipertinggi dengan menambah Fe2O3 dan Al2O3. Tujuan pemberian promotor ini adalah untuk menghasilkan aktifitas, selektifitas, dan efek stabilitasyang diinginkan. Promotor didesain untuk membantu penyangga ataukomponen aktif. Salah satu peran penting dari promotor adalah dalampengendalian stabilitas katalis. Beberapa kasus lain, promotor ditambahkan ke dalamstruktur katalis atau penyangga untuk menghambatmekanisme reaksi tertentu yang tidak diinginkan,seperti pembentukan karbon (coke).Biasanya promotor berupa Pd, Pt, NiW, NiMo, CoMo, dan CoW.

Contoh promotor katalis dalam beberapa proses:

Penggunaan Promotor Promotor dapat memberikan tambahan kinerja katalis dengan memodifikasi katalis asal. Promotor dapat berupa logamlogam transisi atau logam mulia, ataupun anionanion yang aktif seperti sulfat untuk membuat katalis jadi bersifat asam. Promotor tersebut menjadi bahan tambahan yang dapat :1) menstabilisasi bilangan atau kekuatan oksidasi dari suatu katalis,2) mengoptimalisasi fasa atau struktur aktif dari bahan penyusun katalis,3) memberikan jalur alternatif untuk memfasilitasi reaksi,4) mengubah konsentrasi keadaan oksidasi dari fase aktif katalis,5) meningkatkan aktifitas atau selektifitas,6) menambah kekuatan mekanik dan mencegah sintering,7) meningkatkan luasan permukaan aktif dari katalis,8) ataupun mengubah tektur katalis. Proses penyiapan atau pembuatan katalis juga menentukan keaktifan dari promotor,misalnya dengan impregnasi, kopresipitasi, atau solgel. Promotor struktur tertentu dapat ditambahkan untuk mengendalikan porositas katalis,memaksimalkan jumlah situs aktif, dan mengontrol ukuran kristal. Oksida asam juga dapat digunakan untuk menetralisasi komponen oksida basa di dalamkatalis. Oksidaoksida lainnya dapat juga mengendalikan struktur elektronik di situs-situsaktif yang mempengaruhi proses adsorpsi reaktan ke permukaan situs aktif.

Komponen inti katalis menurut derajat kepentingannya:

1. SelektifitasSelektifitas adalah kemampuan katalis untuk memberikan produk reaksi yang diinginkan (dalam jumlah tinggi) dari sekian banyak produk yang mungkin dihasilkan. Produk yang diinginkan tadi sering disebut sebagai yield sedangkan banyaknya bahan baku yang berhasil diubah menjadi aneka produk dikatakan sebagai konversi.Yield = %selektifitas x konversi2. StabilitasKemampuan sebuah katalis untuk menjaga aktifitas, produktifitas dan selektifitasnya dalam jangka waktu tertentu.3. AktifitasKemampuan katalis untuk mengubah bahan baku menjadi produk atau aneka produk yang diinginkan (lebih dari satu). Aktifitas = massa (kg) bahan baku yang terkonversi/(kg atau liter katalis x waktu) atau Konversi, yaitu persentase dari bahan baku menjadi aneka produk. Atau TON (turnover Number), yaitu banyaknya molekul yang bereaksi/(waktu, misalnya detik x setiap situs aktif).Tiga metode untuk mengukur aktifitas katalis :1. Aktifitas dapat dinyatakan dalam konsep kinetika. Aktifitas dapat dinyatakan dari pengukuran kecepatan reaksi dalam jangkauan tertentu suhu dan konsentrasi. Kecepatan reaksi, r, dihitung sebagai kecepatan perubahan sejumlah zat, nA dari reaktan A persatuan waktu dan per satuan volume (atau per satuan massa) katalis, sehingga r ini memiliki unit mol L-1 h-1 atau mol kg-1 h-1.2. Aktifitas dapat pula dinyatakan oleh turnover number (TON) yang didefinisikan sebagai banyaknya molekul reaktan yang terlibat dalam reaksi tiap situs aktif dan tiap detik.3. Dalam prakteknya, sebagai perbandingan aktifitas, ukuran-ukuran berikut ini dapat pula digunakan:a) Konversi dalam kondisi reaksi tetapb) Space velocity untuk konversi tetap yang tertentuc) Space-time yieldd) Suhu yang dibutuhkan untuk suatu konversi tertentu

2.3 Umur KatalisSalah satu faktor kunci kinerja katalis adalah umur katalis.Kadangkadang engineers mengorbankan aktifitas dan selektifitas katalis dengan menggunakannya melewati umur katalis. Pengujianpengujian laboratorium tidak bisa digunakan untuk menguji umur katalis nyata, paling tidak hanya bisa tahu kecenderungan dari umur katalis. Kebanyakan katalis menunjukkan kehilangan aktifitas dengan berlangsungnya waktu operasi, tetapi biasanya operator mengkompensasi deaktivasi katalis dengan menaikkan temperatur atau memvariasi parameterparameter proses yang lain untuk mengubah yield produk. Kadangkadang promotor yang digunakan untuk menaikkan kekuatan mekanik bahkan bisa memblok situs aktif yang ada.2.4 Bentuk KatalisBentuk katalis harus didesain agar bisa sesuai dengan ukuran reaktor.Untuk reaktor fixedbed harus diusahakan agar penurunan tekanan sepanjang reaktor tidak terlalu besar dengan cara membuat katalis dengan bentuk yang lebih langsing dan kecil dibandingkan dengan bentuk pelet. Untuk hal ini terdapat kajiankajian yang berkaitan dengan external and internal diffusion limitation agar ukuran katalis bisa sesuai dengan ukuran reaktor tanpa mengorbankan penurunan tekanan. Reaktor fluidized bed memerlukan bentuk katalis yang memungkinkan agar katalis mudah terfluidisasi, tentunya bentuk yangpaling sesuai adalah bulat.Penurunan porositas katalis juga mengakibatkan reaktan tidak bisa mencapai semua bagian katalis selama waktu tinggal di dalam reaktor, sehingga kekerasan pellet harus disesuaikan dengan porositas optimum.Katalis logam tunggal paladium aktif dan selektif untuk reduksi nitrat. Katalis ini membutuhkan logam lain sebagai promotor untuk meningkatkan aktivitas dan selektivitasnya dalam mereduksi nitrat. Promotor katalis merupakan bahan yang digunakan sebagai aditif untuk meningkatkan aktivitas katalis dengan menjaga dispersi fasa aktif dan meningkatkan stabilitas termal dari pendukung. Promotor yang sering digunakan adalah Cu, Sn, In dan Zn (Prsse et al., 2000 dan Pintar et al., 2004). Hrold et al. (1993) telah meneliti berbagai logam pada golongan VIII dan Ib meliputi Fe, Co, Pt, Ni, Ag dan Cu sebagai promotor terhadap katalis paladium dan ternyata promotor Cu merupakan promotor yang aktif dalam penghilangan nitrat dibanding logam promotor lainnya. Hasil penelitian tersebut didukung oleh penelitian Chollier-Bryme et al. (2002). Oleh karena itu dalam penelitian ini akan digunakan katalis logam ganda berbasis Pd dengan promotor Cu untuk denitrifikasi.

2.5 Spent KatalisKatalis yang banyak digunakan di industri kimia dan industri minyak secara bertahap akan kehilangan kemampuan katalitiknya akibat perubahan struktur, keracunan, atau karena permukaan aktifnya tertutup oleh material lain. Penggantian katalis dilakukan bila tingkat aktivitasnya sudah tidak memenuhi kriteria yang dibutuhkan dalam proses oleh penggunanya. Katalis yang sudah jenuh atau sudah tidak berfungsi sebagaimana mestinya biasa disebut spent katalis.Komposisi Spent Katalis Komposisi spent katalis akan menentukan cara reklamasi atau proses recovery yang dapat dilakukan, dan perusahaan mana yang mungkin dapat memprosesnya. Komposisi asli katalis dapat diperoleh dari supplier. Namun informasi tersebut masih perlu di kombinasikan dengan potensi kontaminan yang muncul dari proses produksi yang memungkinkan perubahan kimia atau fisika yang dialami katalis. Ketika spent katalis dihasilkan, spent katalis perlu dianalisis dan diuji agar dapat memberikan informasi yang jelas untuk pengamanan, laporan kepada pengawas dan untuk perusahaan yang rencananya akan terlibat dalam pengangkutan dan pengolahan spent katalis. Bahaya Spent KatalisTingkat bahaya katalis dapat diperoleh melalui MSDS. Namun perlu dipahami bahwa informasi tersebut bukan untuk spent katalis, yang mungkin memiliki property bahaya berbeda dibanding dengan katalis aslinya. Pengujian spent katalis dapat meliputi komposisi spent katalis dan potensi bahayanya. Secara umum, para pengguna katalis perlu memperhatikan hal-hal berikut sebelum spent katalis dihasilkan dan dibuang: Komposisi spent katalis Bagaimana perlakuan sebelum dan ketika dibuang? Apakah katalis terkontaminasi dalam penggunaannya? Perkiraan karakteristik kimia-fisika spent katalis? Apakah spent katalis memiliki potensi bahaya? Bagaimana spent katalis dikelompokan, dikemas, ditandai, disimpan dan diangkut setelah dihasilkan? Pengelolaan Spent Katalis Terhadap spent katalis, ada beberapa alternative pengelolaan yang dapat dilakukan, namun semuanya tergantung pada perubahan kimia atau struktur yang terjadi dalam spent katalis. Alternatif pengelolaan yang dapat dilakukan yaitu: Melakukan regenerasi dan penggunaan kembali bahan katalis Pengambilan sebagian atau seluruh komponen dalam bahan katalis Penggunaan kembali untuk kegiatan/proses yang berbeda, atau Pembuangan Regenerasi dan penggunaan kembali katalis Jika katalis menjadi tidak berfungsi karena ada deposisi bahan asing pada permukaannya atau disebabkan oleh racun (gangguan dari senyawa lain yang menghambat berfungsinya katalis) yang dapat dihilangkan, maka sangat memungkinkan bagi spent katalis tersebut untuk diregenerasi atau diaktifkan kembali kemampuan katalitiknya. Regenerasi katalis biasanya dilakukan dengan cara pembakaran pengotor katalis.Jika secara teknis memungkinkan, maka regenerasi katalis merupakan pilihan terbaik bagi Lingkungan dan (mungkin) disukai secara ekonomi karena memperpanjang umur katalis, meminimalkan penggunaan bahan baku baru, serta mengurangi kebutuhan untuk proses daur ulang atau pembuangan.Spent katalis dari proses hydrotreating di pengilangan perlu dicek kelayakan teknis untuk diregenerasi. Kegiatan ini biasanya dilakukan oleh perusahaan regenerasi menggunakan kombinasi uji coba skala lab bersamaan dengan analisis kimia-fisika yang tepat. Evaluasi merupakan dasar apakah spent katalis dapat diregenerasi atau tidak. Katalis yang dapat diregenerasi biasanya dapat dipergunakan beberapa kali siklus produksi.Pengambilan Komponen dalam Spent Katalis Perubahan struktur katalis secara signifikan atau keracunan yang parah akibat penggunaan seringkali bersifat tidak berbalik. Kondisi ini menyebabkan katalis tidak memungkinkan untuk diregenerasi untuk digunakan kembali. Pada kondisi ini, katalis harus dikeluarkan dari unit operasi, dan jika memungkinkan dikirim untuk pengambilan sebagian atau seluruh komponen, atau digunakan sebagai bahan baku proses yang lain seperti fluid cracking catalyst untuk pembuatan semen, misalnya.Penghancuran spent katalis dengan diikuti pengambilan kembali material tertentu merupakan metode yang telah diterapkan secara meluas dalam penanganan spent katalis. Banyak katalis memiliki kandungan logam dalam jumlah yang signifikan yang dapat diperoleh melalui berbagai metode pengolahan. Reklamasi menawarkan alternative ramah Lingkungan dibandingkan dengan metode pembuangan karena tidak hanya mengurangi jumlah limbah yang harus dibuang tetapi juga menghemat sumber daya alam, selain memberikan keuntungan ekonomi bagi pelakunya.Di samping nilai kandungan logam mulia, spent katalis juga dapat mengandung campuran kompleks bahan-bahan yang berbeda seperti: Base metal dan promotor seperti: Sn, Pb, Ni, Co, dan lain-lain; Fe, Ni, Cr dari korosi dinding dan tabung reaktor; Unsur-unsur berbahaya berasal dari umpan bahan atau crude oil (As, Hg, dll) yang mengkontaminasi; Halogen (Cl, F, dll) seperti yang ditemukan dalam katalis isomerasi Karbon (misalnya, high cooked heel CCR catalyst) dan kontaminasi hidrokarbon dari proses katalitik Rantai daur ulang spent katalis tidak hanya berurusan dengan logam mulia tapi juga harus bertanggung jawab terhadap seluruh kontaminan yang terdapat dalam spent katalis tersebut.

2.6 Contoh Katalis2.6.1 Katalis ZeolitZeolit merupakan mineral yang terdiri dari kristal alumiosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensinya. Zeolit pertama kali ditemukan pada tahun 1756 oleh Cronstedt, ahli mineral dari Swedia. Zeolit merupakan kristal alumina-silika yang mempunyai struktur berongga atau berpori dan mempunyai sisi aktif yang bermuatan negatif yang mengikat secara lemah kation penyeimbang muatan. Zeolit terdiri atas gugusan alumina dan gugusan silika-oksida yang masingmasing berbentuk tetrahedral dan saling dihubungkan oleh atom oksigen sedemikian rupa sehingga membentuk kerangka tiga dimensi. Karakteristik umum dari sebuah zeolit adalah memiliki 3-dimensi, 4-struktur kerangka penghubung dari TO4 tetrahedra ( unit bangunan dasar), dimana T adalah kation yang terkoordinasai secara tetrahedral (T=Si atau Al). Zeolit digunakan sebagai pengemban karena struktur kristalnya berpori dan memiliki luas permukaan yang besar, tersusun oleh kerangka silikaalumina seperti yang terlihat pada Gambar 1. Zeolit alam memiliki stabilitas termal yang tinggi, harganya murah serta keberadaannya cukup melimpah.

Gambar: Contoh Kerangka Zeolit Alam (jenis SOD)

Penggunaan zeolit secara umum digunakan untuk detergen, industri petrokimia dan pertambangan minyak, katalis, adsorben, pemisah gas, agrikultural dan hortikultural, pigmen, dan perhiasan. (Bekkum, 2003) Penggunaan zeolit alam sebagai katalis sudah dikembangkan dalam berbagai percobaan. Salah satu aplikasinya adalah pada penggunaan katalis yang digunakan dalam proses hidrasi dan dehirasi diantaranya pada senyawa alumina dan MgO (Foggler, 1992) serta silika alumina dan WO3 (Thomas, 1970 dalam Smith, 1981). Karakteristik katalis silika alumina sebagai katalis proses perengkahan mempunyai luas permukaan antara 200 600 m2/gram, volume pori 0,2 0,7 cm3/gram dan diameter rata-rata 33 150 Ao (Wheeler, 1950 dan Smith, 1981). Dalam perkembangannya banyak peneliti yang mengembangkan zeolit sebagai katalis dalam proses dehidrasi. Komposisi dari zeolit alam adalah silika oksida, aluminium oksida, dan magnesium. Komponen ini dapat dikembangkan sebagai katalis dalam proses dehidrasi etanol. a. Struktur zeolit Karakteristik umum dari sebuah zeolit adalah memiliki 3-dimensi, 4-struktur kerangka penghubung dari TO4 tetrahedra ( unit bangunan dasar), dimana T adalah kation yang terkoordinasai secara tetrahedral (T=Si atau Al). Dalam penjelasan struktur zeolit hampir selalu didahului dengan penjelasan tipe kerangka dalam pembukaan pori-pori dan dimensionalitas dari sistem saluran. Terbukanya pori-pori ditandai dengan ukuran cincin, n adalah jumlah dari atom-T ( biasanya juga jumlah dari atom O) di cincin. Banyaknya bentuk struktural seperti sangkar, saluran, rantai, dan lembaran adalah tipe dari beberapa kerangka zeolit, jadi desainnya pun seperti rongga, dan sangkar, unit segi delapan, poros, dan rantai dobel poros. Sebagai contoh :

Gambar 2.3. Contoh Struktur n-Cincin

Karakteristik yang dapat dilihat dari struktur zeolit adalah tipe kerangkanya, yang dijelaskan dalam susunan sangkar, dimensionalitas dari sistem saluran dan perkiraan ukuran dari bukaan pori-pori. Untuk mengerti secara dalam mengenai material zeolit sesungguhnya, tidak hanya meninjau tipe kerangka, tapi juga harus mengeksplorasi komposisi dan geometri kerangka, lokasi dan sifat dasar dari kerangka extra, jumlah dan tipe kerusakan yang ada. ( C ejka dan Bekkum, 2007)

b. Sintesis Zeolit Jumlah dari silica dalam sebuah zeolit sangat mempengaruhi ukuran dan morfologi dari kristal zeolit, dan alumina mempengaruhi kristalisasi dari zeolit. Rasio Si/Al mempunyai peran yang penting dalam menentukan struktur dan komposisi dari produk kristal. Penentuan rasio Si/Al dapat dilakukan dengan alat Spektroskopi Serapan Atom (AAS). Beberapa jenis Ratio Si/Al yang mempengaruhi zeolit adalah : 1) Zeolit dengan ratio Si/Al yang rendah (Si/Al 5) Pada umumnya, zeolit ini hampir jenuh oleh aluminium pada kerangkanya dengan perbandingan Si/Al mendekati satu. Bentuk kerangka molekul merupakan tetrahedral aluminosilikat. Banyak mengandung panukar kation. Kedua sifat ini menimbulkan permukaan yang heterogen. Permukaan sangat efektif untuk air, senyawa polar, dan berguna untuk pengeringan dan pemurnian. Volume pori-pori dapat mencapai 0,5 cm3 / vol zeolit (cm3 ). 2) Zeolit dengan ratio Si/Al sedang (Si/Al = 5) Zeolit jenis ini lebih stabil terhadap panas dan asam daripada zeolit dengan silika rendah dan mempunyai perbandingan Si/Al = 5. permukaannya masih heterogen dan sangat efektif untuk air dan molekul polar lainnya. 3) Zeolit dengan ratio Si/Al tinggi (Si/Al > 5) Zeolit ini mempunyai perbandingan kadar Si/Al antara 10-100, bahkan lebih. Permukaannya mempunyai karakteristik lebih homogen dan selektif dalam organofilik dan hidrofobic. Zeolit ini sangat kuat untuk menyerap molekul-molekul organic kepolarannya dan hanya sedikit bereaksi dengan air dan molekul yang kepolarannya tinggi. Dari pembagian rasio Si/Al, maka dapat disebutkan beberapa tipe zeolit yang ditulis berdasarkan aturan dari IUPAC commitee on chemical nomenclature of zeolit , yaitu ditulis dengan kode tiga huruf. Sebagai contoh: analcime disingkat menjadi ANA. Seperti terlihat pada tabel 2.1 di bawah ini:

Tabel 2.1.Klasifikasi Zeolit Berdasarkan Rasio Si/Al

Si/Al2Silika Rendah2