reff bab 1 peran katalis

8/20/2019 Reff Bab 1 Peran Katalis

http://slidepdf.com/reader/full/reff-bab-1-peran-katalis 1/6

1. Pendahuluan

Pengurangan emisi gas karbon dioksida (CO2)

yang merupakan salah satu kontributor terben-

tuknya gas rumah kaca menjadi agenda yang san-

gat penting dalam hal isu pemanasan global. Se-

mentara itu, konversi gas metana (CH4) menjadihidrokarbon C2+ dan gas sintesa (hidrogen dan

karbon monoksida) mempunyai manfaat besar

dalam pemanfaatan gas alam khususnya untuk

industri petrokimia dan bahan bakar. Seperti kita

ketahui bahwa rasio CH4/CO2 gas alam Natuna

dan Arun dengan komposisi berturut-turut 28/71

and 75/15 harus dimanfaatkan secara baik untuk

menghasilkan gas sintesa, hidrokarbon tinggi, ba-

han bakar cair dan bahan kimia penting lainnya

Beberapa teknologi untuk ini telah diusulkan oleh

beberapa peneliti di dunia untuk meningkatkan

Aplikasi Teknologi Hibrid Katalisis-Plasma Dalam Pengembangan

Reaktor Kimia Masa Depan

Istadi *

Chemical Reaction Engineering & Catalysis (CREC), Jurusan Teknik Kimia,

Universitas Diponegoro, Jln. Prof. H. Sudharto, Tembalang, Semarang

* Corresponding Author. Telp. (024)7460058, Fax. (024)7460058

E-mail address: [email protected] (Istadi)

Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20

Received 20 January 2006; Received in revised form 20 January 2006; Accepted 20 January 2006

Abstract

Teknologi reaktor kimia merupakan disiplin ilmu yang sangat penting dalam teknik proses kimia. Perkem-

bangan teknologi fisika dalam bidang plasma juga mempunyai kontribusi yang besar untuk memajukan

teknologi reaktor kimia. Reaktor plasma ternyata sangat menjanjikan dari sudut pandang tingkat konversi

dan energi pemanasan yang rendah, walaupun selektifitasnya masih rendah. Dalam artikel ini ditampil-

kan aplikasi reaktor plasma (katalitik maupun non katalitik) untuk konversi gas metana dan karbon diok-

sida menjadi gas-gas hidrogen, karbon monoksida, hidrokarbon lebih tinggi (etana, etilena, asetilena, dan

propana). Namun demikian masih banyak kendala-kendala dalam pengembangan reaktor ini untuk

sintesa kimia, terutama selektifitasnya yang masih rendah. Penelitian lanjut masih sangat diperlukan ter-

utama untuk peningkatan selektifitas misalnya dengan kombinasi hibrid katalitik-plasma.© 2006 CREG. All rights reserved.

Keywords: plasma, dielectric barrier discharge, elektron berenergi tinggi

P A G E 1 5

efisiensi pengubahan metana dan karbon dioksida.

Sebagai contoh bahwa pengubahan gas metana

dan CO2 menjadi hidrokarbon C2 mempunyai ken-

dala dalam hal tingkat konversinya yang sangat

rendah (sekitar 5.7%) walaupun selektifitasnya

sudah cukup baik (sekitar 70-80%). Oleh karenaitu, potensi teknologi non-konvensional seperti

reaktor plasma harus dimanfaatkan untuk men-

ingkatkan konversi. Hal ini merupakan salah satu

contoh aplikasi/manfaat teknologi plasma untuk

keperluan reaksi kimia. Berdasarkan penelitian

yang dilakukan oleh penulis sendiri dan beberapa

peneliti di dunia, ditemukan bahwa teknologi reak-

tor plasma dapat digunakan untuk konversi kimia

pada temperatur rendah bahkan temperatur ruan-

gan [1,2]. Kaji menyeluruh terhadap perkemban-

gan terkini teknologi plasma reactor untuk peng-



hasilan gas sintesa dan hidrokarbon C2+ dari

metana dan CO2 telah dilakukan oleh penulis

untuk menelaah fitur-fitur, kendala, tantangan,

dan kelayakan teknologi ini [3].

2. Prinsip-Prinsip Dasar Reaktor PlasmaJenis DBD

Konfigurasi dasar reaktor plasma jenis DBD

dapat dilihat di Gambar 1, sedangkan karakter-

istik-karakteristik discas tak panas dapat dilihat

di Tabel 1 [4,5].

Gambar 1. Prinsip-prinsip dasar reaktor plasma

DBD

Ketebalan dan besarnya konstanta dielektrikmenentukan jumlah arus listrik yang dapat dile-

watkan melalui dielektrik. Dalam beberapa ap-

likasi, dielektrik tersebut membatasi densitas

arus rata-rata di dalam ruang gas. Dielektrik

tersebut mendistribusikan discas mikro ke selu-

ruh permukaan elektroda disamping untuk men-

jamin tidak ada spark atau arc di dalam ruang

discas. Salah satu keuntungan plasma reaktor

jenis DBD adalah bahwa energi rata-rata elek-

tron dapat diatur dengan mengubah densitas gas

dan jarak antar elektroda [4,5,7,8].

Reaktor plasma jenis DBD sangat potensialuntuk reaksi-reaksi kimia organik maupun anor-

ganik karena sifat-sifat non-equilibrium, tenaga

input rendah, serta kemampuan mempengaruhi

reaksi kimia dan fisika pada temperature yang

relatif rendah. Plasma tak panas (non-thermal)

didefinisikan sebagai sebuah fasa/gas yang berisi

elektron, atom-atom dan molekul-molekul terek-

sitasi, ion, radikal, foton, dan partikel netral di-mana elektron-elektron mempunyai energi yang

sangat tinggi dibandingkan dengan partikel gas

netral. Plasma ini disebut juga non-equilibrium

plasma karena terdapat perbedaan temperatur

dan energi kinetik yang signifikan antara elek-

tron dan partikel netral [1,2]. Temperatur gas

adalah temperatur kamar sedangkan temperatur

elektron dapat mencapai 104 – 105 K dalam di-

electric-barrier discharge. Pemecahan gas (gas

breakdown) menghasilkan elektron-elektron yang

terpercepatkan oleh medan listrik membentuk

plasma. Discas elektrik dapat dihasilkan denganbeberapa cara tergantung kepada jenis voltase

dan spesifikasi reaktor yang digunakan. Dalam

reaktor plasma elektron berenergi tinggi bertum-

bukan dengan molekul-molekul gas menghasil-

kan eksitasi, ionisasi, pelipatgandaan elektron,

dan pembentukan atom-atom dan senyawa me-

tastabil [2,5]. Jika medan listrik di dalam zona

discas adalah cukup untuk memecahkan ikatan

kimia gas maka akan terlihat discas mikro-discas

mikro dalam jumlah yang banyak. Selanjutnyaatom-atom aktif dan senyawa metastabil akan

bertumbukan dengan molekul-molekul sehingga

akan terjadi reaksi kimia. Tumbukan antara elec-

tron-elektron berenergi tinggi dengan molekul-

molekul gas menghasilkan eksitasi, disosiasi,

atau ionisasi tanpa menyebabkan pemanasan

terhadap gas [2,7,10,11], sehingga temperatur

bulk gas tidak berkeseimbangan dengan elektron

dan selalu rendah .

Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis, 1(2), 2006, 15-20 P A G E 1 6

Parameter Glow Discharge Corona Discharge DBD

Tekanan (bar) < 10-2 1 1

Medan listrik (kV/cm) 0.01 0.5 – 50 0.1 – 100

Energi elektron (eV) 0.5 – 2 5 1 – 10

Temperatur elektron (K) 5000 – 20000 50000 10000 – 100000

Densitas elektron (cm-3) 108 – 1011 1013 1014

Derajat ionisasi 10-6 – 10-5 kecil 10-4

Tabel 1. Karakteristik-karakteristik non-thermal discharge [1,4]



P A G E 1 7

3. Berbagai Desain Reaktor Reaktor Plasma

Untuk Konversi Metana dan Karbon Diox-

sida

Berbagai konfigurasi reaktor plasma khusus-

nya untuk konversi metana dan karbondioksida

telah diusulkan oleh beberapa peneliti, dianta-ranya pulsed-corona discharge (PCD) dan dielec-

tric-barrier discharge (DBD).

Dalam hal reaktor plasma tipe DBD, penulis

juga menggunakan prinsip sama halnya dengan

Gambar 2(c-d) seperti terlihat di Gambar 3(a) dan

3(b) berturut-turut untuk reaktor plasma DBD

non katalitik dan katalitik.


Gambar 2. Berbagai model reactor plasma [12-18], (a). Corona discharge, (b). Spark discharge, (c-d).

Dielectric barrier discharge

Gambar 3. Reaktor plasma DBD. (a). Non katalitik tanpa pemanasan, (b) Katalitik dengan pema-nasan



4. Reaksi-reaksi Yang Mungkin Terjadi

Dalam Aplikasinya untuk Konversi Metana

dan Karbon Dioksida

Reaksi-reaksi yang mungkin terjadi jika reak-

tor plasma diaplikasikan untuk mereaksikan gas

metana dan karbondioksida adalah:

CH4 + e → CH3* + H* + e (1)

CO2 + e → CO + O* + e (2)

CH3* + CH3

* → C2H6 (3)

C2H6 + e → C2H5* + H* + e (4)

C2H5* + CH3

* → C3H8 (5)

H* + H* → H2 (6)

C2H5* + e → C2H4 + H* + e (7)

C2H4 + e → C2H3* + H* + e (8)

C2H3* + e → C2H2 + H* + e (9)

C2H5* + C2H5

* → C4H10 (10)

C4H10 + e → C4H9 + H* + e (11)H2 + e → 2H* + e (12)

CH3* + e → CH2

* + H* + e (13)

CH2* + e → CH* + H* + e (14)

CH* + CH* → C2H2 (15)

CH2* + CH2

* → C2H4 (16)

CH* + e → C + H* + e (17)

Dalam reaksi-reaksi ini, e menyatakan elek-

tron berenergi tinggi, sedangkan * menyatakan

komponen radikal dari reaksi disosiasi. Dari

reaksi ini bisa dihasilkan gas hydrogen, etana,

etilena, asetilena, propana, propilena, karbonmonoksida, dan bahkan sedikit bahan bakar cair

(gasoline) secara bersamaan, tergantung pada

sifat-sifat dielektriknya.

5. Efek Katalisis Heterogen Dalam Reaktor

Plasma

Dalam beberapa reaksi katalitik heterogen,

molekul-molekul yang bereaksi diubah menjadi

spesies aktif. Fungsi katalis di sini adalah untuk

mengontrol pembentukan spesies tertentu.

Kondisi plasma non-equilibrium dapat digunakan

untuk memodifikasi reaksi kimia tertentu. Se-

bagian besar energi elektrik di dalam discas

plasma digunakan untuk menghasilkan elektron

berenergi daripada untuk pemanasan gas. Discas

gas ini mengandung banyak spesies aktif untuk

berbagai reaksi oksidasi dan reduksi melalui

reaksi disosiasi dan ionisasi yang dipengaruhi

oleh elektron. Jika discas diaplikasikan di permu-

kaan katalis maka katalis akan merubah

keadaan elektronik dari gas [12,19]. Jika fasa

gas yang mengandung spesies netral, elektron,

ion dan spesies tereksitasi lainnya mengalir me-

lalui katalis, maka katalis tersebut menjadi ber-

muatan elektrik. Sifat-sifat kemisorpsi dan de-sorpsi katalis (permukaan katalis) menjadi ter-

modifikasi.

Prinsip-prinsip pengkombinasian reaktor

plasma DBD dengan katalis heterogen adalah

sangat mungkin untuk mengaktifasi reaktan di

dalam discas sebelum reaksi katalisis berlang-

sung yang memberikan efek positif terhadapkondisi reaksi. Perbedaan signifikan antara

katalisis biasa dan katalisis yang dipengaruhi

discas gas non-equilibrium adalah terletak pada

distribusi energi antara produk dan katalis.

Dalam katalisis biasa, temperature produk gas

adalah sama dengan katalis, sedangkan dalam

katalisis berbantuan discas gas terdapat perbe-

daan energi yang signifikan antara spesies gas

bermuatan dan katalis, dimana gas bermuatan

mempunyai energi yang paling besar. Peranan

katalis sebagai sumber spesies bermuatan men-

ingkatkan sifat ketidakseimbangan dari discasgas. Liu et al. [12] menyimpulkan bahwa hibrid

plasma-katalisis sangat ditentukan oleh kemam-

puan katalis mempengaruhi energi vibrasi

plasma di permukaan katalis. Dalam konversi

CH4-CO2, katalis berperanan untuk menjerap

radical dari metana dan karbon dioksida, semen-

tara itu tanpa adanya plasma fungsi katalis

adalah untuk menjerap gas-gas reaktan metana

dan karbon dioksida untuk mendisosiasi ikatan-

ikatan C-H dan C=O, dan akhirnya mendesorpsi

produk dari reaksi.

Katalis yang ditempatkan di ruang discas me-

rupakan solusi alternatif untuk meningkatkan

luas dan waktu kontak antara elektron berenergi

tinggi dengan spesies gas netral. Selain itu,

katalis juga menjaga dan meningkatkan sifat ket-

idakseimbangan discas gas, berfungsi sebagai

bahan dielektrik, dan meningkatkan selektifitas

dan efisiensi proses plasma [1,9,10,19,20]. Sifat-

sifat dasar dari dielektrik dan permukaan elek-

troda juga merupakan faktor penting untuk dis-

tribusi produk dari reaksi CH4 dan CO2 dalam

reaktor plasma DBD.

Teknologi plasma dalam reaksi kimia mem-

punyai ciri khas mempengaruhi reaksi fasa gasmelalui tumbukan-tumbukan elektron. Namun

demikian, teknologi plasma mempunyai kele-

mahan dalam hal rendahnya selektifitas produk

dibandingkan dengan teknologi reaksi katalisis

konvensional. Reaksi katalisis konvensional da-

pat memberikan selektifitas produk yang tinggi,

tetapi memerlukan komposisi gas reaktan ter-

tentu, katalis yang cocok, dan temperature tinggi

(untuk reaksi endotermik). Pemanasan dan sifat-

sifat elektronik dari katalis karena adanya

plasma mempengaruhi penjerapan kimia terha-

dap spesies di permukaan katalis [6,20]. Namundemikian, hingga sekarang peran nyata dari

katalis dalam reaktor plasma DBD adalah belum




P A G E 1 9

jelas dari sudut pandang kimia.

Dalam aplikasinya, kinerja dari reaksi katal-

isis heterogen dengan bantuan teknologi plasma

sangat tergantung kepada beberapa parameter

seperti:

• Efek voltase discas• Efek laju alir gas umpan

• Efek frekuensi sumber listrik

• Efek perbandingan umpan (misalnya rasio

metana/karbon dioksida)

• Efek tekanan system

Efek-efek tersebut secara jelas telah dideskripsi-

kan oleh penulis di referensi jurnal FUEL

(Elsevier B.V.) [3].

6. Permasalahan dan Tantangan Dalam

Pengembangan Reaktor Plasma DBD Untuk

Konversi Metana dan Karbon DioksidaWalaupun beberapa keuntungan telah dijelas-

kan tentang reaktor plasma DBD dalam aplikasi

ko-generasi gas sintesa (H2 dan CO) dan hidro-

karbon C2+ dari metana dan karbon dioksida, be-

berapa permasalahan dan tantangan masih ban-

yak ditemui. Karena teknologi ini merupakan

campuran elektron berenergi tinggi, atom-atom

dan molekul-molekul tereksitasi, ion-ion, radikal

dan foton, maka studi saintifik kimia reaktor

plasma menjadi sangat kompleks. Sementara itu,

pengetahuan tentang saintifik kimia plasma un-

tuk reaksi metana dan karbon dioksida masihsangat terbatas. Oleh karena itu kajian mendasar

terhadap teknologi ini dari segi saintifik ki-

mianya masih sangat diperlukan.

Kendala lainnya adalah pembentukan karbon

di permukaan elektroda dan katalis karena de-

komposisi metana, apalagi jika metana murni

digunakan sebagai umpan reaksi. Pada ken-

yataannya karbon tersebut menurunkan jumlah

discharge streamer dan membatasi jumlah elek-

ton bernergi tinggi yang dapat berinteraksi den-

gan gas umpan di dalam zona reaksi, yang selan-

jutnya dapat menurunkan konversi reaksi.

Salah satu permasalahan yang penting lagiadalah masih rendahnya selektifitas terhadap

produk yang diinginkan. Beberapa usaha untuk

meningkatkan selektifitas ini adalah dengan cara

menggunakan katalis didalam zona discas. Den-

gan kombinasi katalis dan non-equilibrium dis-

charge diharapkan dapat meningkatkan selekti-

fitas produk.

7. Kesimpulan

Teknologi reaktor kimia plasma jenis Dielec-

tric-Barrier Discharge (DBD) merupakan jenis

reaktor kimia yang sangat menjanjikan dari segitingkat konversinya dan lebih efisiennya tenaga

yang diperlukan. Dalam jenis reaktor ini, daya

discas (discharge power) yang ditentukan oleh

discas voltase dan frekuensi, laju alir umpan, ra-

sio umpan, dan katalis adalah sangat menentu-

kan kinerja reaksi kimianya. Bahkan dengan

adanya plasma discas, tanpa adanya pemanasanpun reaksi sudah dapat berlangsung. Sinergi

antara katalis dan plasma mempengaruhi distri-

busi produk secara signifikan.

Daftar Pustaka

[1] Liu, C.J., Xu, G.H., Wang, T. Non-Thermal

Plasma Approaches in CO2 Utilization. Fuel

Process. Technol. 1999;58:119-134.

[2] Larkin, D.W., Zhou, L., Lobban, L.L., Mal-

linson, R.G. Product Selectivity Control and

Organic Oxygenate Pathways from PartialOxidation of Methane in a Silent Electric

Discharge Reactor. Ind. Eng. Chem. Res.

2001;40:5496-5506.

[3] Istadi, Amin, N.A.S. Co-Generation of Syn-

thesis Gas and C2+ Hydrocarbons from

Methane – Carbon Dioxide Reaction in A

Hybrid Catalytic Plasma Reactor: A Review.

Fuel 2006;85:577-592. (Available online at

http://www.istadi.net)

[4] Lieberman, M.A., Lichtenberg, A.J. Princi-

ples of Plasma Discharges and Materials

Processing. New York: John Wiley & Sons,

Inc; 1994.

[5] Kogelschatz, U. Dielectric-barrier Dis-

charges: Their History, Discharge Physics,

and Industrial Applications. Plasma Chem.

Plasma Proc. 2003;23:1-46.

[6] Eliasson, B., Liu, C.J., Kogelschatz, U. Direct

conversion of Methane and Carbon Dioxide

to Higher Hydrocarbons Using Catalytic Di-

electric-Barrier Discharges with Zeolites.

Ind. Eng. Chem. Res. 2000;39:1221-1227.

[7] Eliasson, B., Kogelschatz, U. Modeling and

Applications of Silent Discharges Plasmas.

IEEE Trans. Plasma Sci. 1991;19:309-323.[8] Schütze, A., Jeong, J.Y., Babayan, S.E.,

Park, J., Selwyn, G.S., Hicks, R.F. The At-

mospheric-Pressure Plasma Jet: A Review

and Comparison to Other Plasma Sources.

IEEE Trans. Plasma Sci. 1998;26:1685-1694.

[9] Kim, S.S., Lee, H., Na, B.K., Song, H.K.

Plasma-assisted Reduction of Supported

Metal Catalyst using Atmospheric Dielectric-

barrier Discharge. Catal. Today 2004;89:193-

200.

[10] Pietruszka, B., Heintze, M. Methane Conver-

sion at Low Temperature: The Combined Application of Catalysis and Non-




Equilibrium Plasma. Catal. Today

2004;90:151-158.

[11] Zhang, K., Eliasson, B., Kogelschatz, U. Di-

rect Conversion of Greenhouse Gases to Syn-

thesis Gas and C4 Hydrocarbons over Zeolite

HY Promoted by a Dielectric-Barrier Dis-charge. Ind. Eng. Chem. Res. 2002;41:1462-

1468.

[12] Liu, C.J., Marafee, A., Mallinson, R., Lobban,

L. Methane Conversion to Higher Hydrocar-

bons in A Corona Discharge over Metal Ox-

ide Catalysts with OH Groups. Appl. Catal.

A 1997;164:21-33.

[13] Chavadej, S., Supat, K., Lobban, L.L., Mal-

linson, R.G. Partial Oxidation of Methane

and Carbon Dioxide Reforming with Meth-

ane in Corona Discharge with/without Pt/KL

Catalyst. J. Chem. Eng. Jpn. 2005;38:163-170.

[14] Kado, S., Sekine, Y., Nozaki, T., Okazaki, K.

Diagnosis of Atmospheric Pressure Low

Temperature Plasma and Application to

High Efficient Methane Conversion. Catal.

Today 2004;89:47-55.

[15] Kado, S., Urasaki, K., Sekine, Y., Fujimoto,

K., Nozaki, T., Okazaki, K. Reaction Mecha-

nism of Methane Activation Using Non-

Equilibrium Pulsed Discharge at Room Tem-

perature. Fuel 2003;82:2291-2297.

[16] Kado, S., Urasaki, K., Sekine, Y., Fujimoto,

K., Nozaki, T., Okazaki, K. Direct Conver-

sion of Methane to Acetylene or Syngas at

Room Temperature Using Non-Equilibrium

Pulsed Discharge. Fuel 2003;82:1377-1385.

[17] Li, Y., Liu, C.J., Eliasson, B., Wang, Y. Syn-thesis of Oxygenates and Higher Hydrocar-

bons Directly from Methane and Carbon Di-

oxide Using Dielectric-Barrier Discharges:

Product Distribution. Energy Fuels 2002;16:

864-870

[18] Kim, Y., Kang, W.S., Park, J.M., Hong, S.H.,

Song, Y.H., Kim, S.J. Experimental and Nu-

merical Analysis of Streamers in Pulsed Co-

rona and Dielectric Barrier Discharges.

IEEE Trans. Plasma S ci. 2004;32:18-24

[19] Heintze, M., Pietruszka, B. Plasma Catalytic

Conversion of Methane into Syngas: TheCombined Effect of Discharge Activation and

Catalysis. Catal. Today 2004;89:21-25.

[20] Liu, C.J., Mallinson, R., Lobban, L. Com-

parative Investigations on Plasma Catalytic

Methane Conversion to Higher Hydrocar-

bons over Zeolites. Appl. Catal. A

1999;178:17-27.


reff bab 1 peran katalis

Documents