STRUKTUR KATALIS

1. Faktor yang berpengaruh pada kinerja katalis

Ada 3 faktor yang mempengaruhi kinerja, yaitu aliran fluida, aktivitas katalis, dan stabilitas katalis. Tingkatan kepentingan dari faktor-faktor ini tergantung pada jenis reaksi, perancangan reaktor, kondisi proses, dan faktor ekonomi. Gambar 2.1 merangkum ketergantungan dan hubungan antara beberapa faktor terhadap kinerja katalis.

Gambar 1. Faktor Penentu Kinerja Katalis

Dari gambar 1, distribusi aliran yang baik dan penurunan tekanan yang rendah dapat dicapai melalui seleksi bentuk dan ukuran partikel yang tepat, serta kekuatan mekanik pembuatan katalis. Pembuatan katalis semakin rumit seiring bertambahnya keragaman kondisi operasi karena semakin banyak spesifikasi katalis. Contohnya katalis CoMo yang tersedia dalam bentuk tabung dan bola tergantung pada jenis umpan yaitu nafta, gas oil, atau residu.

Aktivitas dan selektivitas yang tinggi bergantung pada pemilihan material dan metode preparasi yang mampu memberikan luas permukaan yang optimum. Aktivitas yang tinggi saja tidaklah cukup dalam menentukan kelayakan pembuatan katalis tanpa memperhatikan selektivitas dan faktor lain.

Stabilitas menunjukkan ketahanan katalis terhadap deaktivasi akibat dari sintering (hilangnya permukaan aktif karena pertumbuhan kristal), keracunan (tertutupnya inti aktif karena adsorpsi kimia yang kuat), dan fouling (tertutupnya pori dan permukaan oleh karbon).Stabilitas cenderung dipengaruhi oleh kondisi proses. Stabilitas yang baik dapat dicapai melalui penambahan promotor. Contoh keterkaitan faktor-faktor tersebut ialah pada reaksi bolak-balik berikut :

C H 4+H2O⇆CO+H 2

Stabilitas :Tahan terhadap

Sintering, racun katalis, fouling

Aktivitas Tinggi :Aktivitas bahan kimiaPermukaan aktif spesifik

Pelet berpori

Aliran Fluida :Distribusi aliran

Penurunan tekananKekuatan mekanik

LAMA USIA PAKAI

POROSITAS

AKTIVITAS

UKURAN BENTUK

KEKUATAN

PELET KATALIS

Pada reaksi ini digunakan katalis nikel yang dipengaruhi oleh kondisi operasi. Pada reaksi maju yaitu reaksi reformasi uap air menjadi hidrogen, reaksi bersifat endotermis dan kesetimbangannya memiliki rentang suhu terbatas dan ekstrim sehingga suhu yang tinggi (700- 1000° C) diperlukan untuk mendapat yield tinggi. Pada kondisi ini, katalis mengalami sintering secara cepat, namun tidak menurunkan aktivitas katalis sehingga tidak terlalu mengganggu. Pada suhu yang tinggi, diperlukan stabilitas termal agar tidak mudah mengalami perubahan. Oleh karenanya, pada proses ini diberi penyangga, diantaranya MgAl2O4 dan CaAl2O4.

Pada reaksi balik yakni pembentukan metana, reaksi bersifat eksotermis sehingga kesetimbangan dicapai pada suhu rendah (300-500° C). Pada kondisi ini, diperlukan aktivitas yang tinggi dan dispersi yang tinggi. Untuk itu diperlukan preparasi yang menghasilkan kristal nikel berukuran kecil. Sintering harus dihindari karena dibutuhkan luas permukaan besar. Untuk itu dilakukan pemilihan reaktor yang tepat. Beberapa reaktor yang tepat digunakan ialah recycle, fluidized, dan slurry.

Gambar 2. Komponen Katalis

2. Komponen Katalis

Katalis tersusun dari material tunggal atau gabungan dari beberapa material. Sebagian besar katalis memiliki 3 komponen utama, yaitu inti aktif, penyangga, dan promotor.

2.1 Inti Aktif Katalis

Inti aktif bertanggung jawab terhadap prinsip jalannya reaksi. Pengelompokan berdasarkan tipe konduktivitas dan penggunaan reaksi dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel ini bertujuan untuk memudahkan pemilihan katalis yang bergantung pada konfigurasi atom. Pada logam, energi elektron berlebih digunakan untuk mempromosikan elektron melalui adsorpsi molekul.

Semikonduktor oksida dan sulfida memiliki konfigurasi lebih rumit dari logam dan memiliki kemampuan sebagai donor elektron dan akseptor untuk mengaktivasi reaksi redoks

Fungsi pada komponen aktif:ElektronikMorfologiRacun

Fungsi :Luas permukaan tinggiPorositasSifat mekanikStabilitasAktivitas fungsi gandaModifikasi komponen aktif

Fungsi dan penyangga:StrukturalPenghambat aktivitasPromosi aktivitas

Fungsi :Aktivitas Kimia

Jenis :LogamOksida dan sulfida semikonduktorOksida dan sulfida isolator

PROMOTOR

PENYANGGAKOMPONEN AKTIF

KATALIS

sehingga banyak digunakan pada reaksi katalitik. Semakin kompleks bentuk geometri katalis, maka semakin selektif reaksi redoks berlangsung seperti oksidasi parsial dan denitrogenasi.

Sementara insulator memiliki proton di permukaannya sehingga komponen aktif ini biasanya digunakan pada jenis reaksi isomerasi atau perengkahan.

Tabel 1. Klasifikasi Komponen Aktif

Jenis katalis Konduktivitas Reaksi Contoh katalis aktifLogam Konduktor

RedoksHidrogenasiHidrogenolisiDehidrogenasi(Oksidasi)

Fe, Ni, PtPd, Cu, Ag

Oksida dan sulfida logam

Semikonduktorredoks

(Hidrogenasi selektif)HidrogenolisisDehidrogenasiDesulfurisasiOksidasi

NiO, ZnO, CuOCr2-O3 MoS2

InsulatorOksida Asam

IsolatorIon Karbonium

Polimerisasi

IsomerisasiPerengkahanDehidrasiAlkilasi

Al2O3 SiO2 MgOSiO2-Al2O3

Zeolit

Keterangan : fungsi kurang penting dalam kurung

2.2 Penyangga

Fungsi utama penyangga ialah menyediakan luas permukaan yang besar bagi inti aktif. Contohnya adalah katalis platina yang memiliki aktivitas tinggi dengan penambahan penyangga. Platina idealnya berukuran 0,5- 5 nm sebagai koloid, namun penggunaan koloid cenderung menyebabkan sintering atau aglomerasi.

Perilaku dispersi dapat juga dianalisis dari suhu, khususnya perilaku dispersi. Pada suhu Huttig, yaitu 0,3 Tm dimana Tm adalah titik leburnya, permukaan atom kristal platinum akan melebur dan membentuk lekukan. Pada suhu 0,5 Tm, kristal yang bersentuhan akan saling melebur dan bersatu. Pertumbuhan kristal ini dipengaruhi kinetika dan termodinamika.

Dispersi adalah sebagian bagian permukaan atom logam yang terbuka ke sekeliling dibandingkan dengan keseluruhan permukaan atom logam yang menyusun partikel. Misalnya, partikel berbentuk bola yang tersusun dari sejumlah atom logam hanya memiliki sisi aktif di logam yang berada pada paling luar permukaan partikel. Perbandingan jumlah atom logam di permukaan luar partikel terhadap seluruh logam penyusun partikel inilah disebut sebagai dispersi. Apabila partikel hanya terdiri dari satu atom, maka dispersi 100%. Sedangkan, diameter partikel yang semakin besar menunjukkan atom yang semakin banyak dan menyebabkan nilai dispersi turun. Model perhitungan dispersi menggunakan kubus sebagai partikel dengan panjang sisi sama dan atom logam juga berbentuk kubus dengan panjang sisi sama dengan diameter atom. Persamaan dispersi adalah sebagai berikut:

D=¿¿ Keterangan :D = dispersi, %η = panjang sisi partikel/ panjang sisi atoms = diameter partikel/ diameter atom

Fungsi penyangga lainnya ialah sebagai permukaan yang stabil agar inti aktif terdispersi sehingga sintering berkurang. Oleh karenanya, penyangga harus memiliki titik lebur lebih tinggi dari titik lebur inti aktif. Oksida juga harus dipreparasi menjadi koloid untuk menghasilkan luas permukaan yang besar. Apabila tidak diperlukan dispersi tinggi, maka preparasi koloid tidak rumit, seperti pada reformasi uap air.

Sintering masih dapat terjadi walaupun inti aktif terpisah satu sama lainnya di permukaan penyangga.Sintering terjadi melalui perpindahan inti aktif yang saling mendekat dan kemudian bersatu. Faktor yang mempengaruhinya adalah suhu, konsentrasi inti aktif(loading), interaksi dengan penyangga, dan mobilitas atom.

Contoh pengaruh konsentrasi inti aktif terhadap luas permukaan atom inti aktif adalah pada katalis Ni/Al2O3. Luas permukaan Ni meningkat seiring meningkatnya loading Ni pada penyangga. Namun, pada konsentrasi diatas 50% berat, terjadi pertumbuhan kristal karena interaksi meningkat sehingga luas permukaan Ni berkurang.

Pada loading yang tinggi, penyangga tetap digunakan meskipung fungsinya hanya seperti pengatur jarak (spacer).

Faktor lain yang meningkatkan permukaan katalis adalah porositas, termasuk bentuk pori dan distribusi ukuran pori yang memunculkan tahanan difusi. Penyangga terbaik bersifat mudah dimodifikasi untuk menghasilkan ukuran bentuk, dan distribusi ukuran pori yang optimum, seperti alumina dan silika.

Pada pembuatan penyangga, campuran oksida ditambahkan dan dibakar pada suhu tinggi untuk menghasilkan keramik. Setelah penyangga dibentuk barulah inti aktif ditambahkan kemudian.

Penyangga seharusnya tidak memiliki aktivitas katalis yang dapat memicu reaksi samping. Pada oksida dengan titik lebur tinggi, pembakaran akan memberikan luas permukaan penyangga yang rendah. Koloid oksida terdapat di alam dalam bentuk asam, contohnya dehidrasi alumina. Pada reaksi dehidrasi, air masih teradsorpsi pada permukaan katalis menghasilkan asam Bronsted.