Sintesis Metil Ester Nitrat Sebagai Aditif Bahan Bakar Solar Untuk Meningkatkan Cetane Number

Aries Aufar (2307100113) dan Randi Kharisma Hendra (2307100117)

Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Mahfud, DEA. dan Donny Satria Bhuana, ST, M.Eng, Adv.

Laboratorium Teknologi Proses Kimia Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS

Kata kunci: cetane number, minyak kelapa, minyak jarak pagar, metil ester, transesterifikasi, nitrasi

Abstrak

Peningkatan jumlah kendaraan bermotor mengakibatkan peningkatan konsumsi BBM (Bahan Bakar Minyak) dan polusi udara. Upaya untuk mengurangi laju polusi udara perlu adanya perbaikan pada mesin diesel dan bahan bakar solar. Emisi gas buang dapat diminimalkan dengan memperbaiki kualitas penyalaan pada mesin diesel, antara lain peningkatan nilai cetana (cetane number) pada solar melalui menambahkan aditif dalam solar. Aditif tersebut berasal dari minyak kelapa dan minyak jarak pagar yang mempunyai jumlah senyawa karbon yang hampir sama dengan solar, dan mengubahnya menjadi senyawa nitrat. Sintesis aditif alkil nitrat dilakukan melalui sintesis metil ester dan proses nitrasi. Penambahan aditif 2% dicampurkan dengan solar dan dihitung angka setananya menurut ASTM D-976. Dari hasil penelitian disimpulkan bahwa angka setana mengalami kenaikan sebesar 2,41 angka, dari 48,71 menjadi 51,12 untuk aditif dari minyak kelapa. Sedangkan untuk aditif dari minyak jarak pagar, angka setana bertambah sebesar 3,04 angka, dari 48,71 menjadi 51,75.

1. Pendahuluan

Penggunaan solar sebagai bakar mesin diesel menghasilkan gas buang dengan kandungan NOx, SOx, hidrokarbon dan partikulat-partikulat. Gas buang yang dihasilkan oleh kendaraan di Indonesia masih berada di atas baku mutu yang ditetapkan oleh pemerintah Indonesia. Emisi partikulat yang dikeluarkan oleh mesin diesel ini sangat berbahaya dibandingkan dengan emisi yang dikeluarkan oleh mesin berbahan bakar bensin. Untuk mengurangi laju polusi udara ini maka perlu dilakukan perbaikan pada mesin diesel dan bahan bakar solar. Salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengurangi emisi gas buang seperti NOx, SOx, dan partikulat dengan meningkatkan Cetane Number (CN) pada solar. CN yang tinggi berarti waktu tunda penyalaan lebih singkat.

Untuk meningkatkan CN dapat dilakukan dengan cara menambahkan aditif pada bahan bakar solar. Aditif bahan bakar solar yang telah diproduksi secara komersial adalah 2-Ethyl Hexyl Nitrate (2 EHN). Penambahan 0,05-0,4% 2-EHN meningkatkan CN minyak solar sebesar 3-7.

Pada penelitian ini akan dilakukan sintesis senyawa organic dari minyak kelapa dan minyak jarak pagar dengan metode nitrasi yang menghasilkan metil ester nitrat. Metil ester yang dihasilkan kemudian ditambahkan gugus nitrat karena gugus nitrat ini diharapkan dapat meningkatkan CN sampai 3-7 dengan dosis pemakaian 2%. Metode yang digunakan untuk sintesis senyawa organik ini adalah metode nitrasi menggunakan HNO3 dan H2SO4. 2. Metodologi

Penelitian ini terbagi menjadi 2 bagian, yaitu transesterifikasi dan nitrasi. Reaksi transesterifikasi dilakukan dengan mencampurkan minyak kelapa, methanol, serta katalis NaOH pada suhu 65 oC. Hasil yang diperoleh didiamkan dan kemudian dipisahkan

antara gliserin dan metil ester. Metil ester yang diperoleh dicuci sampai pH= 7 atau netral lalu dipanaskan untuk menghilangkan kadar air dalam metil ester tersebut.

Sintesis metil ester nitrat dilakukan dengan mereaksikan metil ester dengan HNO3 dan H2SO4. Reaksi yang terjadi antara HNO3 dan H2SO4 sangat eksotermis, oleh karena itu dilakukan pada suhu < 55 oC. Kemudian hasil dari reaksi ini dimurnikan dengan cara refluks, lalu dicuci dengan air untuk menghilangkan asam.

Untuk menghitung Cetane Index (CI) digunakan persamaan ASTM D-976 yang memerlukan nilai densitas dan temperatur distilat. Untuk menghitung CN digunakan korelasi CI yaitu CN=CI-2. Perhitungan ini berlaku untuk menghitung CN dari minyak solar, metil ester, dan campuran metil ester nitrat dan minyak solar.

Perhitungan CI menggunakan ASTM D-976 CCI = 454,74 1641,416 D + 774,74 D2 0,554 T50 +

97,803 (log T50)2 dimana:

CCI = Calculate Cetane Index D = densitas pada 15 oC (g/ml) T50 = mid-boiling temperature (oC)

Perhitungan yield reaksi dilakukan untuk menentukan berapa banyak nitrat yang bereaksi dengan metil ester. Perhitungannya dilakukan dengan menggunakan hasil FTIR dari HNO3 dan metil ester nitrat. Perhitungannya dilakukan dengan membandingkan puncak spektra dari HNO3 dan metil ester nitrat dengan memanfaatkan puncak spektra asam asetat sebagai referensi. Masing-masing puncak asetat dalam HNO3 dan metil ester nitrat diukur tingginya terhadap baseline masing-masing. Kemudian tinggi puncak dari spektra nitrat yang ada di HNO3 dan metil ester nitrat juga diukur dengan menggunakan baseline masing-masing dan kemudian

2

dihitung konsentrasi aktualnya menggunakan tinggi puncak asam asetat. 3. Hasil dan Pembahasan

Reaksi organik nitrat ini dilakukan dengan mereaksikan metil ester yang telah dibuat dari minyak kelapa dengan HNO3 pekat dan H2SO4 pekat. Metil ester nitrat yang terbentuk berwarna kuning seperti warna minyak kelapa awal. Warna yang ditimbulkan lebih gelap dibandingkan warna metil esternya disebabkan karena penambahan senyawa nitrat. Reaksi yang terjadi pada reaksi nitrasi adalah sebagai berikut: HNO3 + H2SO4 NO2+ + H2O + HSO4- .(a) CH3OCHOR + NO2+ CH3OCHONO2OR (b) dimana R adalah rantai karbon dari minyak kelapa. Tabel 1: Nilai CN solar sebelum dan setelah penambahan aditif dari minyak kelapa. No. Sampel Sebelum Setelah 1. 40/1:3 48,71 51,12 2. 40/1:4 48,71 49,91 3. 40/1:5 48,71 50,07 4. 50/1:3 48,71 50,22 5. 50/1:4 48,71 49,91 6. 50/1:5 48,71 49,75 7. 60/1:3 48,71 50,22 8. 60/1:4 48,71 50,07 9. 60/1:5 48,71 49,75

Hasil perhitungan CN dapat dilihat pada Tabel 1.

Perhitungan angka setana dilakukan dengan mengurangi hasil CI dengan angka 2. Dari hasil perhitungan CN yang diperoleh, dapat dilihat bahwa angka setana solar meningkat dengan ditambahkannya metil ester nitrat pada solar.. Di samping itu, aditif metil ester nitrat memiliki keunggulan yaitu disintesis dari bahan yang terbarukan, ramah lingkungan, dan harga yang lebih murah.

Gambar 1: Hubungan Penambahan Nitrat-Sulfat terhadap Cetane Number untuk Aditif Minyak Kelapa Gambar 1 menunjukkan bahwa grafik variasi penambahan nitrat-sulfat terhadap Cetane Number memiliki kecenderungan menurun. Hal ini menjelaskan bahwa variasi penambahan nitrat-sulfat 1:3 menghasilkan angka setana yang lebih tinggi daripada variabel penambahan nitrat-sulfat yang lainnya, yaitu 1:4 dan 1:5.

Perhitungan yield dapat dilakukan dengan membandingkan hasil spektra IR dari HNO3 dan metil ester nitrat. Konsentrasi metil ester nitrat ditentukan dengan:

mol MEN = 2,8 M x 1L massa MEN = 2,8 mol x 230 gram/mol = 644,86 gr Yield reaksi diperoleh dengan mengasumsikan banyaknya larutan campuran 1 L. Dari 1 L campuran tersebut dapat ditentukan berat dari campuran

G = 0,870 x 1000 = 870 gram

Yield reaksi dihitung dengan cara membandingkan berat metil ester nitrat dengan berat larutan campuran, yaitu: Dari perhitungan didapatkan yield metil ester nitrat sebesar 0,7412. Hasil ini menandakan bahwa reaksi cukup efektif karena yield yang dihasilkan lebih dari 0,50. 4. Kesimpulan 1. Metil ester nitrat dapat disintesis dari minyak

kelapa atau minyak jarak pagar dengan metode nitrasi menggunakan HNO3 dan H2SO4 pekat.

2. Penambahan asam nitrat dan asam sulfat pekat dengan perbandingan 1:3 menghasilkan metil ester nitrat yang dapat menaikkan angka setana lebih tinggi dari perbandingan 1:4 dan 1:5, yaitu sebanyak 2,41 angka, dari 48,71 menjadi 51,12 untuk metil ester nitrat dari minyak kelapa. Sedangkan untuk metil ester nitrat dari minyak jarak pagar menghasilkan kenaikan angka setana sebanyak 3,04 angka, yaitu dari 48,71 menjadi 51,75. Penambahan metil ester nitrat ke dalam solar masing-masing sebanyak 2%.

Daftar Pustaka M. Nasikin, R. Arbianti, dan A. Azis, 2002. Aditif

Peningkat Angka Setana Bahan Bakar Solar Yang Disintesis Dari Minyak Kelapa, Jurnal Makara Vol. 6 : Jakarta.

M. Nasikin dan A. Makhdiyanti. 2003. Sintesis Metil Ester Sebagai Aditif Bahan Bakar Solar dari Minyak Sawit, Jurnal Teknologi Edisi No.1 : Jakarta.

PERTAMINA. 1999. Karakter Minyak Solar Indonesia, Jakarta.

Rizky A. 2003. Sintesis Aditif Cetane Improver dari Minyak Sawit dengan Menggunakan Reagen Grignard, Prosiding Seminar SNTPK V: Jakarta.

Wara Dyah P.R. 2008. Sintesis Alkil Nitrat dari Minyak Sawit Sebagai Bahan Aditif Alternatif Untuk Meningkatkan Nilai Cetana Solar, Jurnal Teknologi Proses : Semarang.

Wilson Parawuira. 2010. Biodiesel Production from Jatropha Curcas:a Review, Department of Applied Biology, Kigali Institute of Science and Technology (KIST): Rwanda.