pembuatan dan uji aktivitas katalis -...

i

PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA UNTUK REAKSI HTSC

TESIS

Karya tulis sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Magister

Institut Teknologi Bandung

Oleh

FITRI RUMIANI

NIM : 23004001

Program Studi Teknik Kimia

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2007

ii

ABSTRAK

PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA UNTUK REAKSI HTSC

Oleh :

FITRI RUMIANI NIM : 23004001

High temperature shift conversion (HTSC) adalah reaksi pergeseran CO menggunakan air menjadi CO2 dan H2 pada temperatur tinggi (370-400 oC). Katalis HTSC yang dipergunakan di industri umumnya berbasis Fe/Cr. Di Indonesia, kebutuhan katalis HTSC ini masih tetap besar walaupun terjadi penurunan produksi pupuk nasional. Penelitian ini diharapkan mampu menghasilkan metode pembuatan katalis yang memiliki kinerja sama dengan katalis komersial, menggunakan bahan baku yang terdapat di dalam negeri, dan nantinya diharapkan mampu memenuhi kebutuhan katalis di Indonesia. Penelitian ini bertujuan untuk menguji coba prosedur pembuatan katalis berdasarkan paten no. 4.482.645 (Jennings, 1984) pada skala laboratorium. Katalis dibuat dengan metode kopresipitasi larutan garam nitrat dari Fe dan Cr dengan Na2CO3 sebagai precipitating agent. Untuk mengetahui keberhasilan penelitian ini, dilakukan penentuan luas permukaan, struktur bahan kristal, dan aktivitas katalis, yang kemudian dibandingkan dengan katalis komersial. Luas permukaan spesifik diukur menggunakan metode BET, sedangkan struktur bahan kristal dianalisis menggunakan metode XRD. Uji aktivitas katalis dilakukan menggunakan reaktor fixed bed dengan komposisi umpan adalah 12,5 %-v gas CO, rasio kukus terhadap gas umpan sebesar 0,87, dan volume hourly space velocity (VHSV) sebesar 22234 per jam. VHSV yang digunakan di industri biasanya berkisar antara 9000-19000 per jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pelaksanaan prosedur pembuatan katalis HTSC ITB sudah dapat diulangi dengan hasil yang sama (reproducible). Berdasarkan prosedur pembuatan tersebut, temperatur kalsinasi sangat berpengaruh terhadap luas permukaan katalis. Dalam rentang temperatur yang dipelajari (300-400 oC), kalsinasi pada temperatur 300 oC menghasilkan katalis dengan luas permukaan paling tinggi yaitu 198 m2/g, hampir sama dengan luas permukaan yang diklaim oleh Jennings (200 m2 /g). Katalis tersebut juga menghasilkan aktivitas paling tinggi, konversi CO yang dihasilkan oleh katalis ini adalah 86 %, sedikit lebih besar dari konversi katalis komersial (81 %). Kata kunci : aktivitas, katalis berbasis Fe/Cr, presipitasi, HTSC

iii

ABSTRACT

PREPARATION AND ACTIVITY TEST OF Fe OXIDE CATALYST FOR HTSC REACTION

By :

FITRI RUMIANI NIM : 23004001

High temperature shift conversion (HTSC) is a water gas shift reaction

using water to produce hydrogen and carbon dioxide in high temperature

(370-400 C). HTSC catalyst used in industry usually has Fe/Cr as a base

component. In Indonesia, the demand of HTSC catalyst is still high although the

national fertilizer production is decrease. This research is expected to produce a

method of catalyst preparation that has a similar performance with the commercial

and using domestic raw material.

The aim of this research is examining the preparation procedure of catalyst

based on patent no. 4.482.645 (Jennings, 1984) in laboratory scale. The catalyst

made by Co-precipitation method of Fe and Cr nitrate solution with Na2CO3 as

precipitating agent. The specific surface area of catalyst was determined by BET

method. The crystal structure was analyzed by XRD method. The catalyst activity

was evaluated by means of fixed bed reactor with 12.5 %-v CO inlet gas

composition, 0.87 steam to gas ratio, and 2234 hour-1 VHSV.

The result shows that the preparation procedure of HTSC ITB catalyst is

reproducible. Based on the preparation procedure, calcinations temperature has a

great influence to the catalyst surface area. The calcinations temperature at 300 C

gave the highest catalyst surface area (198 m2/g), and it is comparable with the

surface area claimed by Jennings (200 m2/g). The catalyst has also the highest

activity by means of CO conversion resulted by the catalyst activity test (86 %)

which is larger than commercial catalyst conversion (81 %).

Keywords : activity, catalyst based on Fe/Cr, precipitation, HTSC

iv

PEMBUATAN DAN UJI AKTIVITAS KATALIS Fe OKSIDA

UNTUK REAKSI HTSC

Oleh :

FITRI RUMIANI

NIM : 23004001

Jurusan Teknik Kimia

Institut Teknologi Bandung

Menyetujui

Tanggal

22 Mei 2007

v

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS

Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut

Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta

ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut

Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi

pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus

disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.

Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin

Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.

vi

“Dan Dia menundukkan untukmu apa yang ada di langit dan apa yang ada di bumi semuanya sebagai rahmat dari-NYA. Sesungguhnya pada hal

tersebut benar – benar terdapat tanda – tanda (kekuasaan allah) bagi kamu yang berfikir” (QS. Al-Jãšiyah:13)

Dipersembahkan kepada ibuku (Suwarni), bapakkku

(Suparno), kakakku (Rumilah), adik - adikku (Muhammad Nur Cholis,

Diah Rani Ramadhani), dan semuanya yang tidak disebutkan

vii

UCAPAN TERIMA KASIH

Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah swt atas karunia dan

hidayah ser ta kesehatan yang telah diberikan, sehingga penulis dapat

menyelesaikan tesis yang berjudul “ Pembuatan dan Uji Aktivitas Katalis Fe

Oksida Untuk Reaksi HTSC”. Dalam menyelesaikan tesis ini, penulis banyak

menerima bantuan, bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu dengan segala

ketulusan dan kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih sebesar –

besarnya kepada :

1. Bapak Dr. IGBN Makertiharta, selaku pembimbing I.

2. Bapak Dr. Subagjo, selaku pembimbing II yang telah banyak mengorbankan

waktu untuk memberikan arahan baik siang maupun malam selama penelitian

dan memberikan saran demi kemajuan penulis selama penyusunan tesis.

3. Ibu Dr. Melia Laniwati yang telah memberikan arahan penggunaan alat

selama penelitian.

4. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Kimia ITB.

5. Seluruh teman – teman di Laboratorium Teknik Reaksi Kimia, terutama

faridah. Terima kasih atas kerja sama, pengorbanan dan dukungan moral

sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini.

Terima kasih secara mendalam penulis haturkan kepada ayahanda dan

ibunda tercinta yang telah bersusah payah memberikan dana, bantuan dan

dorongan moral serta doa kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan

tesis ini dengan baik. Akhirnya penulis mengharapkan semoga tesis ini dapat

memberikan kontribusi dalam memperkaya khasanah ilmu pengetahuan,

khususnya katalisis. Saran dan tanggapan yang konstruktif bagi kesempurnaan

tulisan ini sangat penulis harapkan.

Bandung, Mei 2007

(Fitri Rumiani)

viii

DAFTAR ISI

Hal.

ABSTRAK ........................................................................................................ ii

ABSTRACT ...................................................................................................... iii

LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iv

PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS .............................................................. v

LEMBAR PERUNTUKAN .............................................................................. vi

UCAPAN TERIMAKASIH .............................................................................. vii

DAFTAR ISI ..................................................................................................... viii

DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xii

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xiii

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG.................................................... xiv

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... I-1

I.1 Latar Belakang ................................................................................. I-1

I.2 Rumusan Masalah.............................................................................. I-5

I.3 Tujuan Penelitian .............................................................................. I-5

I.4 Ruang Lingkup Penelitian................................................................. I-6

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ..................................................................... II-1

II.1 Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO2 dan H2 ................................... II-1

II.1.1 Termodinamika Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO2 dan H2....... II-1

II.1.3 Deskripsi Proses Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO2 dan H2 ..... II-2

II.2 Katalis HTSC .................................................................................. II-4

II.2.1 Katalis HTSC berbasis Fe/Cr ........................................................ II-5

II.2.2 Katalis HTSC berbasis Fe/Vanadium ............................................ II-6

II.2.3 Katalis HTSC berbasis Fe-Ce-Cr-O .............................................. II-7

II.3 Pembuatan Katalis............................................................................ II-8

II.3.1 Metode Impregnasi......................................................................... II-8

II.3.1.1 Tahapan Proses Metode Impregnasi ........................................... II-9

II.3.1.2 Keunggulan dan Kelemahan ...................................................... II-9

II.3.2 Metode Presipitasi ......................................................................... II-10

ix

II.3.2.1 Tinggi Rendahnya Kelarutan....................................................... II-10

II.3.2.2 Murah.......................................................................................... II-10

II.3.2.3 Tidak Bersifat Korosif ................................................................ II-10

II.3.2.4 Tidak Menyebabkan Sintering ................................................... II-11

II.3.2.5 Tidak Menimbulkan Polusi Air dan Udara ................................ II-11

II.3.3 Tahapan Proses Metode Presipitasi ............................................... II-12

II.3.3.1 Faktor – Faktor yang Berpengaruh terhadap Metode Presipitasi II-13

II.3.3.1.1 Temperatur Presipitasi.............................................................. II-13

II.3.3.1.2 pH............................................................................................. II-13

II.3.3.1.3 Pengadukan.............................................................................. II-13

II.3.3.1.4 Aging........................................................................................ II-14

II.3.3.2 Keunggulan dan Kelemahan....................................................... II-14

II.4 Karakterisasi Katalis.......................................................................... II-14

II.4.1 Difraktometer Sinar X (XRD)........................................................ II-17

II.4.2 Metode Brunauer Emmet Teller (BET).......................................... II-18

II.5 Aktivasi Katalis................................................................................. II-19

II.6 Pengoperasian.................................................................................... II-21

II.7 Deaktivasi Katalis.............................................................................. II-23

II.7.1 Sintering......................................................................................... II-24

II.7.2 Kerusakan Partikel Katalis............................................................. II-24

II.7.3 Fouling............................................................................................ II-24

II.7.4 Peracunan....................................................................................... II-24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN........................................................ III-1

III.1 Pembuatan Katalis HTSC .............................................................. III-1

III.1.1 Bahan dan Peralatan ..................................................................... III-1

III.1.1.1 Bahan ......................................................................................... III-1

III.1.1.2 Peralatan..................................................................................... III-1

III.1.2 Metode Pembuatan Katalis .......................................................... III-4

III.1.2.1 Tahap Presipitasi ........................................................................ III-6

III.1.2.2 Tahap Pencucian dan Penyaringan ............................................. III-6

III.1.2.3 Tahap Pengeringan ..................................................................... III-7

III.1.2.4 Tahap Kalsinasi........................................................................... III-7

x

III.1.3 Karakterisasi Katalis..................................................................... III-8

III.1.3.1 Prosedur Analisa Luas Permukaan Spesifik dengan

metode BET.................................................................................

III-8

III.1.3.2 Analisa Struktur Bahan Kristal dengan Metode XRD................ III-10

III.2 Uji Aktivitas..................................................................................... III-12

III.2.1 Aktivasi......................................................................................... III-12

III.2.2 Reaksi Pergeseran CO Menjadi CO2 dan H2................................ III-14

III.2.3 Evaluasi dan Analisis.................................................................... III-14

III.2.4 Perhitungan................................................................................... III-15

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... IV-1

IV.1 Karakteristik Katalis ....................................................................... IV-1

IV.2 Kinerja Katalis................................................................................. IV-12

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................ IV-1

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... DP-1

xi

DAFTAR LAMPIRAN

Hal.

Lampiran A Data Fisik, Kimia Reaktan dan Produk Reaksi HTSC.......... A-1

Lampiran B Kalibrasi ................................................................................ B-1

Lampiran C Perhitungan............................................................................ C-1

Lampiran D Prosedur Pengoperasian Alat................................................. D-1

Lampiran E Data Hasil Penelitian............................................................. E-1

Lampiran F Difraktogram Standar Analisa XRD ..................................... F-1

xii

DAFTAR GAMBAR

Hal.

Gambar I.1 Konsumsi pupuk urea di Indonesia 1997-2003 .................... I-3

Gambar I.2 Produksi pupuk urea di Indonesia 1999-2004 ...................... I-3

Gambar I.3 Kapasitas produksi pabrik pupuk di Indonesia tahun 2003 .. I-4

Gambar II.1 Konstanta kesetimbangan sebagai fungsi temperatur ........... II-2

Gambar II.2 Diagram alir metode impregnasi ......................................... II-8

Gambar II.3 Diagram alir metode presipitasi............................................. II-12

Gambar II.4 Hasil analisa XRD magnetit (Fe3O4) nanorod dan hematit

(Fe2O3) nanorod...................................................................

II-17

Gambar II.5 Pola standar XRD magnetit (Fe3O4) murni .......................... II-18

Gambar II.6 Difraktogram XRD hematit (Fe2O3) sintetik ....................... II-18

Gambar III.1 Rangkaian peralatan uji aktivitas katalis pada reaksi

pergeseran CO menjadi CO2 dan H2 ...................................

III-2

Gambar III.2 Diagram alir proses pembuatan katalis HTSC ITB bagian I III-4

Gambar III.3 Diagram alir proses pembuatan katalis HTSC ITB

bagian II...............................................................................

III-5

Gambar III.4 Difraktogram standar Fe2O3 pada PDF 73-2234.................. III-11

Gambar III.5 Difraktogram standar Fe3O4 pada PDF 79-0416.................. III-11

Gambar III.6 Kurva proses reduksi katalis HTSC ITB ............................. III-13

Gambar IV.1 Difraktogram katalis HTSC ITB 1....................................... IV-2




Gambar IV.5 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 5 dan 4....... IV-10

Gambar IV.6 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 6 dan 3....... IV-11

Gambar IV.7 Proses reduksi katalis HTSC ITB........................................ IV-14

Gambar IV.8 Hasil uji aktivitas katalis HTSC ITB................................... IV-16

xiii

DAFTAR TABEL

Hal.

Tabel I.1 Kapasitas produksi amonia di Indonesia tahun 2003 ............... I-2

Tabel II.1 Perbandingan kondisi proses HTSC dan LTSC....................... II-4

Tabel II.2 Sifat – sifat katalis................................................................... II-15

Tabel II.3 Sambungan sifat – sifat katalis ................................................ II-16

Tabel II.4 Penyebab deaktivasi katalis...................................................... II-23

Tabel III.1 Kondisi operasi uji aktivitas katalis pada skala laboratorium III-12

Tabel III.2 Kondisi pengoperasian GC-8AIT dari Schimadzu.................. III-15

Tabel III.3 Waktu retensi (tR) gas H2, N2, dan CO................................... III-15

Tabel IV.1 Perbandingan difraktogram katalis HTSC ITB 1 dengan

standar Fe2O3, α-Fe2O3, Fe902O, Fe3O4, dan Cr2O3..............

IV-2


standar Fe2O3, α-Fe2O3, Fe3O4, CrO2, CrO3 dan Cr2O3..........

IV-6


standar Fe2O3, Fe3O4, FeO, CrO3 dan Cr2O3.........................

IV-7


standar Fe2O3, α-Fe2O3, Fe3O4, FeO, dan CrO3......................

IV-9

Tabel IV.5 Kondisi pembuatan dan beberapa sifat katalis HTSC yang

dihasilkan................................................................................

IV-12

Tabel IV.6 Hasil uji aktivitas katalis HTSC ITB...................................... IV-17

xiv

DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG

Singkatan Nama Hal.

HTSC High Temperature Shift Conversion I-1

LTSC Low Temperature Shift Conversion I-1

PUSRI Pupuk Sriwijaya I-2

PKG Pupuk Petrokimia Gresik I-2

PKC Pupuk Kujang Cikampek I-2

PKT Pupuk Kalimantan Timur I-2

PIM Pupuk Iskandar Muda I-2

AAF Asean Aceh Fertilizer I-2

BET Brunauer Emmet Teller I-6

XRD X-Ray Diffraction I-6

WGSR Water Gas Shift Reaction II-1

VHSV Volume Hourly Space Velocity II-3

MPa Mega Pascal II-4

LOI Loss On Ignition II-5

S/G Steam to Gas Ratio II-6

DTA Differential Thermal Analysis II-15

SEM Scanning Electron Microscopy II-16

TEM Transmission Electron Microscopy II-16

EXAFS Extended X-Ray Absorption Fine Structure II-16

AES Auger Electron Spectroscopy II-16

XPS X-Ray Photon Spectroscopy II-16

UPS Ultraviolet Photon Spectroscopy II-16

GC Gas Chromatography II-22

PDF Powder Diffraction File III-11

COHb Karboksihaemoglobin A-1

IR Infra Red A-2

TAML Temperatur thermocouple ametek di Laboratorium Metrologi

Bandung B-2

xv

TTRK Temperatur thermocouple di Laboratorium TRK B-2

BM Berat molekul C-1

SV Space Velocity C-7

GHSV Gas Hourly Space Velocity C-9

Lambang Nama Hal

DH Entalpi pada keadaan standar II-1

Kp Konstanta kesetimbangan II-1

T Temperatur II-1

oC Derajat Celcius II-3

Ea Energi pengaktifan II-3

Ao Frekuensi tumbukan antar reaktan II-3

R Konstanta gas ideal II-3

DG Energi bebas Gibbs II-4

t Waktu III-4

Vm Volume monolayer sampel katalis III-9

S Slope III-9

I Intersep III-9

NA Bilangan Avogadro III-9

2NSa Luas permukaan 1 molekul gas N2 III-9

VSTP Volume pada keadaan STP III-9

Sg Luas permukaan spesifik katalis III-9

Sa Luas permukaan katalis III-9

m Berat sampel III-9

d Jarak antar bidang kristal sampel III-10

q Sudut yang terbentuk antara permukaan sampel dan refleksi

berkas cahaya III-10

n orde III-10

λ Panjang gelombang III-10

mA mikro Ampere III-15

tR Waktu retensi III-15

xvi

X Konversi III-15

Q Laju alir IV-14

DHf25o Entalpi pembentukan standar A-2

DGf25o Energi bebas Gibbs pembentukan A-2

Cp/Cv Rasio panas spesifik A-2

p/po Perbandingan tekanan terhadap tekanan jenuh C-5

W Berat katalis C-7

P Tekanan C-7

τ Waktu tinggal C-7

V Volum gas C-8

ε Koordinat reaksi C-14

Ky Tetapan kesetimbangan fraksi mol C-14

pembuatan dan uji aktivitas katalis -...

Documents