aplikasi nanomaterial katalis pada enhanced oil recovery (eor)

Prosiding Seminar Nasional Material 2012 Fisika Institut Teknologi Bandung

1

Aplikasi Nanomaterial Katalis pada Enhanced Oil Recovery

(EOR)

F. Iskandar*, T.P. Pratiwi, dan A.Y. Nuryantini

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganesa 10 Bandung, 40132

* Email: [email protected]

Abstrak. Minyak berat (heavy oil) merupakan salah satu alternatif untuk mengatasi krisis energi yang dihadapi dunia

termasuk Indonesia. Salah satu metode yang dapat dilakukan untuk memproduksi minyak berat adalah dengan metode

injeksi uap panas. Injeksi uap panas ke dalam sumur minyak akan menimbulkan reaksi aquathermolysis, yaitu reaksi

antara uap air panas dengan minyak berat yang menghasilkan minyak dengan viskositas lebih rendah. Penambahan

katalis akan lebih mengefektifkan proses reaksi aquathermolysis tersebut. Paper ini akan membahas aplikasi

nanomaterial sebagai bahan katalis pada Enhanced Oil Recovery (EOR) untuk mengurangi kekentalan minyak berat,

sehingga minyak berat dapat diangkat/diproduksi secara ekonomis. Beberapa material seperti nano-nikel, NiO, Fe2O3, Fe3O4, dan Co3O4 merupakan contoh katalis nanomaterial yang akan dibahas pada paper ini.

Kata kunci: Nanomaterial, Katalis, Aquathermolysis

PENDAHULUAN

Dengan meningkatnya kebutuhan akan minyak

bumi, maka produksi minyak bumi semakin hari

semakin perlu untuk ditingkatkan. Permasalahan

utama dalam peningkatan produksi minyak ini adalah

faktor menipisnya cadangan minyak bumi yang dapat

diproduksi secara ekonomis.

Minyak berat (heavy oil) merupakan salah satu

alternatif minyak yang dapat memenuhi kebutuhan

tersebut. Akan tetapi dikarenakan biaya produksinya

yang tinggi, maka diperlukan satu teknologi baru

untuk mengangkat minyak berat tersebut secara

ekonomis.

Beberapa metode telah dicoba digunakan untuk

mengangkat minyak berat. Misalnya metode injeksi

uap panas, electromagnetic heating, dan thermal

stimulation [1][2]. Akan tetapi cara yang paling

populer pada saat ini adalah dengan menginjeksikan

uap panas ke dalam sumber minyak [3-6]. Hyne dkk

melaporkan untuk pertama kali bahwa injeksi uap

panas akan menghasilkan reaksi antara uap panas dan

minyak berat yang dikenal dengan reaksi

aquathermolysis [3-7].

Cara untuk menginjeksikan uap panas dikenal

dengan metode Huff and Puff [8], seperti ditunjukkan

pada GAMBAR 1. Metode ini terdiri dari 3 tahap :

pertama, uap panas diinjeksikan ke dalam sumur

minyak. Kemudian setelah itu sumur ditutup dan

didiamkan selama beberapa hari untuk proses

aquathermolysis. Kemudian sumur dibuka kembali

dan minyak yang telah bereaksi dengan uap panas

tersebut diangkat ke permukaan (proses produksi).

GAMBAR 1. Injeksi uap panas Huff and Puff

(reproduksi dari Taylor & Francis group, 2006)

1 : Minyak berat

2 : Daerah pemanasan

3 : Daerah kondensasi uap air

4 : Uap panas

5 : Aliran minyak dan kondensasi

Reaksi aquathermolysis akan menyebabkan rantai

ikatan molekul yang besar pada minyak berat pecah

menjadi ikatan yang lebih kecil sehingga viskositas

minyak akan turun dan mobilitas dalam pori di dalam

bebatuan menjadi meningkat. Berikut ini adalah reaksi

kimia yang terjadi pada proses aquathermolysis :

RCH2CH2SCH3 + 2H2O = RCH3 + CO2 +H2 + H2S + CH4

Dari persamaan reaksi di atas, diketahui bahwa

ikatan C-C pada minyak berat terputus. Dapat diamati

juga bahwa terdapat karbondioksida dan hidrogen

sebagai hasil reaksi. Karbondioksida dapat dihasilkan

dari minyak berat, atau berasal dari logam karbonat


2

yang ada di dalam sumur minyak seperti siderite

FeCO3 atau berasal dari senyawa thiophene dan

thiolane. Hidrogen yang dihasilkan pada peristiwa

aquathermolysis berguna untuk meningkatkan

kualitas minyak yang dihasilkan dan karbon dioksida

berguna juga untuk mengurangi kekentalan minyak

berat [3].

PERANAN KATALIS DALAM

AQUATHERMOLYSIS

Beberapa penelitian sebelum ini menyatakan

bahwa proses aquathermolysis akan bertambah efektif

jika ditambahkan katalis [3][7]. Untuk pertama kalinya

pada tahun 1982, Hyne dkk melaporkan bahwa

terdapat beberapa logam yang dapat digunakan untuk

mempercepat reaksi aquathermolysis. Ketika katalis

ditambahkan pada sistem reaksi, kekentalan minyak

berat semakin berkurang. Umumnya katalis yang

digunakan pada peristiwa aquathermolysis adalah

mineral, katalis yang larut dalam air (water-soluble),

larut dalam minyak (oil-soluble), dan katalis

terdispersi pada larutan. Masalah yang dihadapi dari

katalis ini adalah harga yang masih relatif tinggi dan

efisiensi aktivitas katalis yang berkurang saat berada di

dasar sumur minyak dikarenakan suhu yang rendah

dibandingkan saat di permukaan minyak. Aktivitas

katalis tersebut bergantung pada kehomogenan

temperatur [3] [9].

Fan dkk mempelajari efek katalis mineral pada

minyak berat. Dilaporkan bahwa tanpa air, mineral

tidak akan bereaksi dengan minyak [4-5] Di samping

itu, Li dkk juga meneliti efek katalis nikel dalam

mereduksi viskositas minyak berat. Mereka

menemukan bahwa katalis nikel menimbulkan efek

yang sama dengan penelitian sebelumnya yang

menggunakan mineral [10].

Katalis nanopartikel lebih efektif daripada katalis

konvensional berskala mikro karena ukuran katalis

nano yang sangat kecil memberikan perbandingan

yang besar antara luas permukaan dengan volume

katalis tersebut. Hal ini cukup penting karena saat

ukuran benda semakin besar, maka luas permukaannya

juga lebih besar tetapi tidak sebanding atau sebanyak

penambahan volumenya. Selain itu, sebagai partikel

dalam skala nano mereka cenderung dipengaruhi oleh

sifat atom atau molekul-molekulnya dan

memperlihatkan sifat yang berbeda dengan ukuran

bulk dari material yang sama [11].

Konduktivitas termal partikel berukuran nano lebih

besar daripada yang berukuran mikro. Hal ini juga

telah dirumuskan dalam korelasi Hamilton-Crosser

(model H-C) (Hamilton, 1962) [3]:

(1)

3n (2)

Keterangan :

keff : konduktivitas termal efektif

kf : konduktivitas termal partikel fasa yang tidak

kontinu

kp : konduktivitas termal fluida

: fraksi volume partikel n : faktor bentuk empiris partikel

: rasio dari luas permukaan bidang dengan volume partikel

Pada model H-C dapat diketahui bahwa nano

partikel bekerja lebih baik dalam mentransfer panas.

Sehingga dengan kondutivitas termal nanopartikel

yang lebih tinggi dapat mempercepat distribusi panas

selama proses aquathermolysis.

NANO KATALIS BERBASIS NIKEL

Nikel merupakan golongan logam transisi yang

memiliki konfigurasi elektron pada orbital d. Tahan

terhadap korosi pada lingkungan alkali yang kuat.

Logam jenis ini memiliki daya adsorpsi yang sangat

kuat. Hal ini berhubungan dengan adanya karakteristik

orbital d yang memiliki pasangan elektron belum

penuh sehingga dapat menjadi komponen aktif sebagai

katalis. Peranan komponen aktif logam nikel pada

permukaan katalis adalah untuk mengadsorpsi reaktan

yang telah terdifusi pada permukaan katalis, sehingga

dapat mempercepat reaksi antar reaktan. Selain itu,

nikel tergolong murah, mudah didapat dan diolah,

serta efektif sebagai katalis.

Untuk menghasilkan nikel dalam skala nano

terdapat beberapa metoda sintesis. Antara lain metoda

sputtering, electrodeposition, hydrogen plasma

treatment, solid-state, flame spray, dan mikroemulsi.

Dalam uji laboratorium yang telah dilaporkan oleh Li

Wei dkk, katalis nano-nikel yang digunakan

merupakan hasil sintesis metode mikroemulsi [11].

Metode ini dipilih karena memiliki sifat yang stabil

secara termodinamika (tidak akan pecah atau

memisah), transparan, ukuran serta morfologi dari

sampel dapat dikontrol oleh pilihan komposisi yang

cocok dari sistem mikroemulsinya. Selain itu proses

pembuatan mikroemulsi ini mudah karena terbentuk

secara spontan tanpa membutuhkan pengadukan

intensif dan suhu tinggi, homogen, serta berbentuk


3

cairan isotropik dengan droplet air berukuran nano

yang didispersi dengan minyak dan distabilkan oleh

molekul surfaktan [12].

Dari hasil sintesis nano-nikel tersebut Li Wei dkk

menggunakan 100 gram minyak berat, 10 mL katalis

nano-nikel, dan 50 gram air. Bahan-bahan ini

dipanaskan dengan suhu 280oC pada tekanan 6,4 Mpa

selama 24 jam. Hasilnya viskositas minyak berat

menurun dari 138.900 u/mPa menjadi 2.400

u/mPa.selain itu asphaltenes tereduksi 16%, resin

15%, dan sulfur 49% [10].

Selain nano-nikel, dapat digunakan pula katalis

NiO yang telah dilakukan oleh Nassar dkk. Pada

percobaan tersebut katalis NiO mereduksi asphaltene

sebanyak 37 % pada suhu reaksi 300 oC, sedangkan

untuk mereduksi 30 % asphaltene, NiO membutuhkan

suhu 296 oC [14]. Selain itu suhu yang dibutuhkan

NiO untuk mengurangi massa minyak berat lebih

rendah dibandingkan katalis metal oksida yang lain.

Hal ini menunjukkan bahwa NiO sangat aktif dan baik

digunakan sebagai katalis untuk mereduksi viskositas

minyak berat.

KATALIS Fe2O3

Fe2O3 (maghemite) mempunyai struktur kristal

yang sama dengan magnetite dan juga termasuk ferit

spinel serta bagian dari feromagnetik. Mineral ini

mempunyai warna abu-abu (grey shade), putih dan

coklat. Fasa-fasa pada (Fe2O3) yaitu fasa alpha -Fe2O3 memiliki struktur rhombohedral [13].

Penggunaan katalis besi oksida (Fe3+

) untuk

mengurangi minyak berat sudah dilakukan oleh Wang

dkk, hasilnya menunjukkan kekentalan minyak berat

berkurang sampai 95,6% [6].

Zhong menggunakan Fe sebagai katalis dalam

peristiwa aquathermolysis minyak berat, hasilnya

menunjukkan kekentalan minyak berat berkurang

sampai 60%. Penelitannya juga menunjukkan bahwa

dengan ditambahnya konsentrasi Fe sebagai katalis,

menyebabkan semakin tinggi pula kekentalan minyak

berat berkurang.

KATALIS Fe3O4

Fe3O4 memiliki sifat magnetik yang lebih kuat

dibandingkan dengan Fe2O3. Nassar dkk telah

melakukan percobaan dengan menggunakan katalis

Fe3O4 [14]. Sama seperti yang dilakukan dengan

katalis NiO, kemampuan Fe3O4 sebagai katalis diuji

pada suhu 300 oC. Hasilnya Fe3O4 dapat mereduksi

aspalthene sebesar 21 %. Dan untuk mengkonversi

asphaltene hingga 30 % Fe3O4 membutuhkan suhu

332oC [14].

KATALIS Co3O4

Katalis metal osida lainnya yaitu Co3O4 yang

diketahui dari percobaan Nassar dkk [14]. Mereka

memperoleh hasil bahwa pada suhu 300 oC uap dengan

katalis Co3O4 mereduksi asphaltene sebanyak 32 %.

Lebih banyak jika dibandingkan dengan katalis Fe3O4.

Sedangkan untuk mereduksi 30 % asphaltene katalis

ini memerlukan suhu 298 oC. Dengan mereduksi

asphaltene maka viskositas minyak berat berkurang.

Karena asphaltene merupakan salah satu kandungan

yang terdapat dalam minyak berat.

Pengaruh katalis terhadap reduksi asphaltene

ditunjukkan oleh grafik pada GAMBAR 2. Grafik

tersebut menunjukkann efek katalis NiO, Co3O4, dan

Fe3O4 pada proses reaksi aquathermolysis yang

dibandingkan dengan proses aquathermolysis pada

virgin asphaltenes tanpa katalis. Hasilnya, tanpa

katalis nanopartikel reaksi gasifikasi/pemecahan

asphaltenes terjadi di atas suhu 350 oC. Sedangkan

dengan katalis nano partikel, reduksi asphaltene terjadi

di atas suhu 200 oC.

GAMBAR 2. Grafik reduksi pemecahan asphaltene

dengan dan tanpa nano katalis (reproduksi dari Nassar

dkk, 2011) [8]

KESIMPULAN

Dari pembahasan di atas diketahui bahwa katalis

nano-nikel, NiO, Fe2O3, Fe3O4, dan Co3O4 sangat


4

prospektif untuk diaplikasikan pada EOR (Enhanced

Oil Recovery). Dalam proses injeksi uap panas, katalis

nano tersebut dapat mereduksi viskositas minyak berat

dengan suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan

proses injeksi tanpa katalis. Hal ini terjadi karena

dengan ukuran yang berskala nano, katalis memiliki

konduktivitas termal yang lebih baik sehingga dapat

mempercepat reaksi. Beberapa faktor yang dapat

mempengaruhi performa katalis yaitu jenis katalis,

besar partikel, jenis minyak berat, lama pemanasan,

dan lama waktu reaksi.

REFERENSI

1. Hunter Herron. E, Heavy Oil : A solution to Dwindling Domestic Oil Supplies, Petroleum Equities Inc, 2000.

2. Sahni, A., Kumar, M. And Knap, R.B. Electromagnetic Heating Methods for Heavy Oil

Reservoir, SPE 62550, SPE/AAPG Western

Regional Meeting, Long Beach, California, 2000. 3. Maity. S.K and Ancheyta. J and Marroquin. G,

Catalytic Aquathermolysis Used for Viscosity Reduction

of Heavy Crude Oils: A Review, Energy Fuels, 2010, 24,

pp. 28092816. 4. Fan, H., Liu, Y., Zhang, L., and Zhao, X. 2002. The

Study on Composition Changes of Heavy Oils During

Steam Stimullation Processes. Fuel 81 (13) : 1733-1738.

5. Fan, Hongfu. Zhang, Yi. Lin Yujuan. 2004. The catalytic effects of minerals on aquathermolysis of heavy

oils. Scince Dircect Fuel 83 (2004) 20352039. 6. Wang, Yuanqing. Chen, Yanling. He, Jing. Li, Ping.

Yang, Chao. (2010). Mechanism of Catalytic

Aquathermolysis: Influences on Heavy Oil by Two Types

of Efficient Catalytic Ions: Fe3+ and Mo6+. Energy

Fuels , 24, 15021510. 7. Jiang, S. Liu, X. Liu, Y.Zhang, L .2005. In Situ

Upgrading Heavy Oil by Aquathermolytic Treatment

Under Steam Injection Conditions. SPE 91973.

8. Speight, J.G. 2007. The Chemistry and Technology of Petroleum 4th Ed. CRC Press/Taylor & Francis

Group : Boca Raton. FL. 9. Hyne, J. B., Greidanus, J.W., Tyrer, J.D., Verona, D.,

Rizek, C., Clark, P.D., Clarke, R. A., Koo, J. 1982. The

Second International Conference on Heavy Crude and

Tar Sands. Caracas, Venezuela. P.25.

10. Li, W., Zhu, J., adn Qi, J. 2007. Application of Nano-nickel Catalyst in the Viscosity Reduction of Liaohe

Heavy Oil by Aquathermolysis. J Fuel Technol 35 (2):

176-180.

11. Yokoyama, T., Masuda, H., Suzuki, M., Ehara, K., Nogi, K., Fuji, M., Fukui, T. 2008. Basic Properties and

Measuring Method of Nanoparticles. In Nanoparticle

Technology Handbook. Chap 1, 5-48.

12. Bakan, J.A. 1995. Microemulsion. Swarbrick, J., J.C. Boylan (eds.). 1995. Encyclopedia of

pharmaceuticaltechnology. Volume Marcel Dekker

Inc, New York: 335-369. 13. Hadi. Ariski Prasetio, Kajian Transformasi antar Fasa

pada Komposit Fe3O4/Fe2O3 , Jurusan Fisika Institut

Teknologi Sepuluh November Surabaya, 2009.

14. Nassar, Nashaat N., Hassan, Azfar., Pereira-Almao, Pedro. Application of Nanotechnology for Heavy Oil

Upgrading: Catalytic Steam Gasification/Cracking of

Asphaltenes. Energy Fuels. 2011.

13. KI PR ARISKI PRASETYO HADIO H ARISKI

PRASETYO HADIADI

aplikasi nanomaterial katalis pada enhanced oil recovery (eor)

Documents