1045-1797-1-PBTHE

Valensi Vol. 4 No. 1, Mei 2014 (1-5) ISSN : 1978 - 8193

1

Membran Reaktor untuk Pembuatan dan Pemurnian Isomer Xylene

Wahyudin*, Hens Saputra

Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri Proses BPPTGedung Teknologi 2 Lantai 3 PUSPIPTEK Serpong Tangerang Selatan 15314

*Email: ggwahyudin@ yahoo.com

Abstrak

Membran reaktor merupakan konsep perpaduan dari sistem reaksi dan prosespemisahan/pemurnian. Membran ini disebut juga sebagai membran katalis atau sistemkatalis-membran. Dengan membran reaktor ini diharapkan konversi suatu reaksi dapat ditingkatkandan diperoleh suatu produk yang memiliki tingkat kemurnian lebih tinggi. Sebagai katalisdigunakan silica alumina yang berukuran 1,0 mm. Membran anorganik zeolit MFI dilapiskanmenutupi seluruh permukaan katalis. Bahan baku yang digunakan antara lain tetraethylortosilicate(TEOS) sebagai sumber silikat dan template organik tetraprophyl ammonium bromide (TPABr).Proses kristalisasi dilakukan pada temperatur 453 K di dalam autogeneous autoclave, dilanjutkandengan kalsinasi pada temperatur 873 K selama 1 jam. Karakterisasi membran zeolit yangdihasilkan dilakukan dengan X-ray diffraction (XRD) dan pengamatan dengan Scanning ElectronMycroscope (SEM). Karakteristik pori dipelajari menggunakan metode physisorption dan BJH poresize distribution. Selain itu dilakukan pula uji selektifitas dan alkilasi toluena dan xylene.Berdasarkan pengamatan menggunakan XRD mengindikasikan adanya struktur zeolit MFI padasampel membrane katalis yang dihasilkan. Diperkuat dengan obserbasi SEM menunjukkan bahwamembran zeolit MFI melapisi seluruh permukaan pelet silika alumina dan terdapat indikasiterjadinya komposit terhadap silika alumina pada daerah perbatasan antara membran zeolit ataulapisan bagian luar dengan katalis silika alumina. Hasil pengujian menunjukkan hasil bahwamembran reaktor zeolit MFI berpotensi untuk diaplikasikan sebagai membran katalis yang bersifatsangat selektif terhadap bentuk suatu molekul.

Kata kunci: membran reaktor, isomer, xylene, zeolit, silika alumina, hidrotermal

Abstract

Membrane fusion reactor is the concept of system reactions and separation processes of purification.These membranes are called also catalyst membrane or catalyst-membrane system. With the reactormembrane is expected conversion of a reaction can be increased and obtained a product having ahigher purity. As the silica alumina catalyst used measuring 1.0 mm. MFI zeolite coated inorganicmembranes covering the entire surface of the catalyst. The raw materials used includetetraethylortosilicate (TEOS) as the source of silicates and organic template tetrapropyl ammoniumbromide (TPABr). Crystallization process carried out at a temperature of 453 K in the autogeneousautoclave, followed by calcination at a temperature of 873 K for 1 hour. Characterization of zeolitemembranes produced performed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron observationswith Mycroscope (SEM). Pore characteristics were studied using physisorption method and BJHpore size distribution. In addition, the selectivity of the test is also conducted and alkylation oftoluene and xylene. Based on observations using XRD indicates a structure of MFI zeolitemembrane on the resulting catalyst samples. Reinforced with SEM showed that the MFI zeolitemembrane coating the entire surface of the silica alumina pellets and there are indications of thesilica alumina composites in the border area between zeolite membrane or outer coating with silicaalumina catalyst. The results show that the results of MFI zeolite reactor membrane has the potentialto be applied as a catalyst membrane that is highly selective to form a molecule.

Keywords : reactor membrane, isomers, xylene, zeolite, silica alumina, hydrothermal


2

1. PENDAHULUAN

Membran reaktor atau disebut jugasebagai membran katalis atau sistemkatalis-membran adalah merupakan gabungandari sistem yang terdiri dari proses reaksi danproses pemisahan/pemurnian menjadi satu sistemyang kompak (Hsieh 1996; Karge et al. 1998).Dengan membran reaktor ini diharapkan dapatmeningkatkan konversi suatu reaksi yangdikehendaki sekaligus meningkatkan derajatkemurnian produk yang dihasilkan dan efisiensitempat karena adanya penggabungan dua unitproses menjadi satu. Membran berfungsimemisahkan bahan baku yang memilikikemurnian rendah secara selektif untuk masukkedalam system agar dapat lebih efektif danefisien terjadinya reaksi dengan kehadiran katalis.Selain itu membran juga berperan memurnikanproduk hasil reaksi yang keluar dari system agarmemiliki derajat kemurnian yang tinggi (Hsieh1996).

Pada penelitian ini membahas pembuatanmembran reaktor yang terdiri dari membrananorganik zeolit MFI dan katalis silika alumina.Karakterisasi produk menggunakan XRD, SEMdan Physisorption. Berdasarkan bahan baku yangdigunakan pada proses pembuatannya, membaransintetis dapat diklasifikasikan menjadi dua yaitumembran organik dan membran anorganik

(Thomas and Thorpe 1995). Membran organikadalah membran yang terbuat dari bahan-bahanseperti polimer, komposit, dll. Sedangkanmembran anorganik adalah membran yangterbuat dari bahan-bahan anorganik sepertikeramik, logam.

Membran organik sudah lebih dahuludikembangkan dan diaplikasikan pada skalakomersial karena lebih mudah disintesadibandingkan dengan membran anorganik sertabiaya pembuatannya lebih murah. Tetapimembran ini memiliki keterbatasan, antara laintidak tahan terhadap temperatur yang tinggi sertapelarut organik atau bahan kimia yang bersifatekstrim asam atau basa. Membran anorganiklebih sulit dibuat karena sifat fisiknya yang kakudan keras tetapi memiliki stabilitas yang sangatbaik terhadap temperatur tinggi, pelarut organikdan bahan kimia asam maupun basa. Denganpertimbangan spesifikasinya tersebut, makamembran anorganik dipilih untuk dibuat menjadimembran reaktor.

Prinsip kerja membran adalah memisahkansuatu molekul atau bahan berdasarkan ukuran danbentuknya (Caro 2008). Ukuran yang lebih besartidak dapat masuk kedalam pori dan melewatimembrane, sedangkan ukuran yang lebih kecilmelewati membran sebagai permeate. Ukuranbeberapa material dan membran serta contohmolekul dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Klasifikasi membran dan ukuran beberapa contoh molekul

nm 0 nm 00 nm m

ULTRAFILTRATIONREVERSEOSMOSIS MICROFILTRATIONMICROPORES MESOPORES MACROPORES

GAS SEPARATION

Zeolite Silica Alumina

0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 nm

XY

LTL

hydroge

n

helium

oxygen

methan

enitr

ogenCO2

n-alkan

es

CHA

DDR

ANA

LTA MFI

MTW

BEA

MOR

FAU

Sulfur h

exafluri

dep-xy

lene, be

nzene

cyclohe

xane

m-xylen

e, o-xyl

ene

naphth

alene

1,3,5-trim

ethylben

zene

1,3,5-trii

sopropy

lbenzen

e

n-butan

e

i-butane

FER


3

Pemisahan menggunakan prinsipperbedaan bentuk terjadi pada contoh kasuspemisahan isomer p-xylene terhadap o-xylene danm-xylene. Ketiga isomer tersebut memilii beratdan ukuran molekul sama, tetapi bentuknyadibedakan dengan gugus alkil yang menempelpada struktur aromatiknya. Sehingga hanyap-xylene yang dapat melewati membran (Gambar2).

Gambar 2. Ilustrasi Pemisahan p-xylene Terhadap o-dan m-xylene Menggunakan Membran

Adapun prinsip kerja suatu membranreaktor adalah sebagaimana terlihat pada gambar3. Pada gambar 3.a menjelaskan adanyaselektifitas yang tinggi oleh membran terhadapreaktan. Dalam hal ini memungkinkan untukterjadinya reaksi A menjadi R dan B menjadi S.Akan tetapi reaksi B menjadi S tidak dikehendakiatau dengan kata lain produk R lebih diharapkandaripada S. Maka membran yang melapisiseluruh permukaan katalis diharapkan dapatmemisahkan secara selektif A dan B, dimanareaktan A dapat melewati membran menuju intikatalis sedangkan reaktan B tidak dapat melewatimembran. Gambar 3.b menjelaskan adanyapemisahan produk secara selektif pada produkyang mengalami kesetimbangan dengan sideproduct. Dengan demikian maka komponen Rdapat ditingkatkan jumlahnya dalam produk.

(a) (b)

Gambar 3. Prinsip Operasi Membran Reaktor

2. METODE PENELITIAN

Proses pembuatan membran reaktor padapenelitian ini adalah menggunakan bahan silikaalumina sebagai katalis dengan komposisi 82%SiO2 dan 13% Al2O3. Katalis silika aluminatersebut diseragamkan ukurannya menjadi sekitar1 mm. Proses pelapisan membran zeolit dibuatdari larutan induk yang terdiri dari colloidal silica,tetrapropylammonium bromide (TPABr),tetrapropylammonium hidroxide (TPAOH) danaquades. Katalis silika alumina dimasukkandalam larutan induk tersebut. Proses kristalisasizeolit dilakukan pada temperatur 453 K selama24 jam. Selanjutnya dicuci menggunakanaquades, dikeringkan dan dikalsinasi padatemperatur 873 K selama 1 jam. Secara lengkaptahapan proses pembuatan membran reaktor inidapat dilihat pada gambar 4.

Karakterisasi produk membran reaktoryang dihasilkan dilakukan menggunakan X-raydiffraction (XRD) untuk mengidentifikasistruktur zeolit pada lapisan permukaan silikaalumina, diperkuat oleh data pengamatanmenggunakan Scanning Electron Mycroscope(SEM) dan ujicoba proses pembentukan xylenedari toluene, yang dikontrol menggunakan gaskromatografi yang dipasang secara on line.Karakteristik pori membran dianalisis denganmetode adsorpsi-desorpsi isothermalmenggunakan nitrogen pada 44 K. Tekanan uaprelatif ditingkatkan dari 0 hingga 1 dengankenaikan/increment 0.001. Data yang diperolehdari Autosorb 1, Quantachrome dapatmenghasilkan distribusi ukuran pori BJH.

Gambar 4. Diagram proses pembuatan membranreaktor zeolit MFI-Silika Alumina

XX

A R

A

B

R

A RA R

A

B

R AR

S

RAR

S

R

SIZE REDUCTION MIXING

AGING

WASHING

DRYING

CALCINATION

Membran reaktor

Silika alumina Colloidal silica, TPABr, TPAOH, H2O

SIZE REDUCTION MIXING

AGING

WASHING

DRYING

CALCINATION

Membran reaktor

Silika alumina Colloidal silica, TPABr, TPAOH, H2O

Membran Reaktor Untuk Pembuatan dan Pemurnian Isomer Xylene Wahyudin, et.al.

4

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Berdasarkan hasil analisis menggunakanXRD diketahui bahwa telah dihasilkan zeolit MFIyang melapisi silika alumina. Grafik XRD yangdihasilkan dari silika alumina sebelum dansesudah dilapisi dengan zeolit dapat dilihat padagambar 5.

Gambar 5. Grafik XRD partikel silika aluminasebelum dan sesudah dilapisi denganmembran zeolit

Pada gambar 5 tersebut dapat diketahuiadanya grafik XRD yang sesuai dengan strukturkristal MFI pada permukaan partikel silikaalumina. Tampak berbeda sekali karakteristikyang ditunjukkan pada grafik XRD tersebut biladibandingkan dengan silika alumina sebelumdilapisi dengan zeolit. Hasil pengamatan denganSEM pada permukaan membran reaktor dapatdilihat pada gambar 6.

Gambar 6. Foto SEM permukaan silika alumina yangtelah dilapisi zeolit

Gambar 7. Adsorpsi-desorpsi Nitrogen pada zeolitMFI

Berdasarkan Gambar 7 jelas terlihatadanya struktur mikroporus pada zeolit MFI(Haile et al. 2008;Pina et al. 2011), yaitu ditandaidengan kenaikan grafik yang tinggi pada daerahtekanan uap relative (P/P0) kurang dari 0.1. Padabagian mesoporous tampak adanya hysteresis,kemungkinan disebabkan oleh perbedaan ukuranpori antara bagian luar dan bagian dalam yangmenyerupai gua. Kondisi ini mengakibatkanlambatnya proses desorpsi nitrogen. Adapunprofil distribusi ukuran pori membrane MFI yangdihasilkan dapat dilihat pada Gambar 8.Berdasarkan kurva tersebut dapat disimpulkanbahwa membran MFI memiliki ukuran pori yghomogen, rata-rata sekitar 0.55 nm.

Gambar 8. Distribusi ukuran pori BJH, zeolit MFIyang dihasilkan

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

6

5

4

3

2

1

0

Pore diameter (nm)

dV/d

r[cm

3 /g.n

m]


5

Uji coba pembuatan xylene dari toluenamenggunakan membran reaktor tersebut hasilnyadapat dilihat pada tabel 1. Berdasarkan hasilpembuatan xylene dari toluene seperti yangterlihat pada tabel 1 dapat diketahui bahwapenggunaan katalis silika alumina cukup efektifuntuk menghasilkan xylene dengan rendemenyang cukup tinggi, tetapi komposisi para, metadan orto xylene nya hampir sama. Sedangkanpenggunaan zeolit saja tidak dapat menghasilkanreaksi pembentukan xylene. Dengan membranreaktor zeolit MFI yang dibuat pada katalis silikaalumina dapat memisahkan para-xylene dengansangat selektif terhadap metadan orto-xylene.Proses reaksi yang dilakukan pada temperatur673 K menunjukkan proses pemisahan terjadisecara sempurna, yaitu mencapai 100% untukfraksi p-xylene. Hasil analisis struktur membransetelah panas reaksi pada temperatur 673 Kmengindikasikan stabilitas yang sangat baik(Nishiyama et al. 2001), tidak terjadi perubahan.

4. SIMPULAN

Suatu membran reaktor dapat dibuatmenggunakan zeolit MFI pada katalis silikaalumina yang memiliki selektifitas sangat baikterhadap isomer-isomer xylene yaitu (p-xylene)atau dapat dikatakan memiliki para selektifitas.Pada proses yang dilakukan pada temperatur 673K terjadi proses pemisahan secara sempurna.

Membran zeolit yang dihasilkan daripenelitian memiliki stabilitas yang sangat baikterhadap temperatur tinggi. Distribusi ukuran porimembran yang sempit (homogen), rata-ratasekitar 0.55 nm.

Daftar Pustaka

Caro, J., Noack, M., 2003, Zeolite membranesRecentdevelopments and progress, Micropor.Mesopor Mater., 115:215233.

Haile, T., Nakhla, H., 2008, A Novel Zeolite Coatingfor Protection of Concrete Sewers fromBiological Sulfuric Acid Attack,Geomicrobiologi Journal., 25: 322331.

Hsieh, 2006, Inorganic Membranes for Separation andReaction, 1996.

Karge, H.G., J. Weithkamp, 1998, Molecular SievesScience and Technology, Springer, Berlin.

Nishiyama, N., L. Gora, V., Teplyakov, F., Kapteijn,J.A. Moulijn, 2001, Evaluation ofreproducible high flux silicalite-1membranes : gas permeation and separationcharacterization, Separation and PurificationTechnology, Elsevier.

Pina, M.P., Mallada, R., Arruebo, M., Urbiztondo, M.,Navascus, N., de la Iglesia, O., 2011,Microporous and Mesoporous Materials, J.Santamaria., 144:1927.

Thomas, J., and Thorpe, M.F., 1995, Access inNanoporous Materials, Plennum Press, NewYork.

Tabel 1. Uji coba pembuatan xylene dari toluene menggunakan silika alumina dan membran reaktor

No. Sampel Katalis Temperaturproses (K)

RendemenXylene (%)

Fraksi xylene (%)p m O

1.

2.

3.

Silika alumina

Zeolit / silika alumina

Zeolit

673

673773

673

1.5

0.080.4

0

23

10091

-

52

06

-

25

03

-

1045-1797-1-PBTHE

Documents

Transcript of 1045-1797-1-PBTHE