Konversi Katalitik Aseton menjadi Hidrokarbon C 1 -C 10 dengan ZSM-5

1. Judul Penelitian Konversi Katalitik Aseton menjadi Hidrokarbon C1-C10 dengan ZSM-5 Presentasi disampaikan di Seminar Nasional Teknologi Proses Kimia (SNTPK) Jakarta, 23 Maret 2005 oleh Setiadi e-mail : setiadi@che.ui.edu Member of Chemical Reaction Engineering and Catalysis Research Group, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok – 16434, Indonesia,

2. Research Background Geological Time Frame Biomass derived liquid Fossil Resources ( Crude Oil, Coal, N.G) Biological time frame Transformasi dan Utilization Biomass Material Hidrokarbon For Fuel Energy or Chemical feedstock Fotosintesis Asimilasi (biological activities) Fuel Combustion CO2 H2O Skema Global Carbon Cycle Route for renewable hydrocarbons fuels & chemicals (Konsep dikembangkan berdasar Kojima, 1998; Metzger & Eissen, 2004 dan Padabed et al.,2002) Scope /area of work

3. Scope Fossil -----Terbatas, non-renewable Petroleum, Coal, NG Sumber hidrokar-bon Biomass derived-liquid (renewable, melimpah) Produk hasil Fermentasi Vegetables Oils (CPO, Coconut Oil, dll,) Hasil Pirolisis Biomass, etc.

4. Scope Proses Transformasi Kimiawi Hidrokarbon C1- C10 Aseton ZSM-5 Aseton merupakan senyawa organic polar yang dapat diproduksi dari materi hayati secara renewable berdasar proses fermentasi maupun dari hasil reaksi katalitik produk turunan biomassa hasil pirolisis C1 : CH4 C2 : C2H4, C2H6 C3 : C3H6, C3H8 C4 : C4H8, C4H10 C5 : C5H10 C6 : C6H6, C6 alifatik C7 : Toulena, Alifatik C8 : Xylena, alifatik C9 : Mesitylene (1,3,5 TMB) C10 :Durene, Naphthalene Kemampuan shape-selectivity ZSM-5 terletak pada bangunan struktur kristalnya yang diameter/bukaan pori sekitar 0,56 nm dan hampir homogen. Katalis ZSM-5 banyak digunakan untuk transformasi reaksi-reaksi hidrokarbon dibanding dgn. ZSM-5 digunakan reaksi senyawa organik polar

5. ZSM-5 Pembentukan saluran lurus berstruktur 10 oxygen-membered ring dari struktur pentagonal (5 membered ring structure) Pembentukan Struktur Pentagonal Pembentukan Struktur dari bebebera Unit Pentagonal Strukutr pada Saluran lurus Struktur pori saluran lurus (pandangan lurus permukaan) Terlihat 5 dan 10 membered ring structure Struktur pori Saluran zigzag Pentagonal

6. ZSM-5 Acidic protons migrate between the four oxygen atoms surrounding the tetrahedral aluminum center in the following fashion (Ryder, dkk., J. Phys. Chem. B 2000, 104, 6998-7011) (Source :Sierka and Sauer, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 1603-1613) Ilustrasi difusi molekul senyawa Hidrokarbon diseputar mulut pori zeolit

7. Tujuan • Pengembangan reaksi katalisis untuk mengetahui kinerja katalis ZSM-5 dalam reaksi aseton • Distribusi Produk Hidrokarbon dan kemampuan shape selective reaction thd. pembentukan hidrokarbon sampai C10 & aromatik • Konversi, selektivitas yield dalam uji reaksi dalam rentang tertentu (Catalytic durability) • Sekilas usulan mekanisme reaksi berdasar self aldol condensation

8. Metode Penelitian Bahan Katalis ZSM-5 komersial Acetone murni sbg. reaktanQuartz sand 10-15 meshAlat Uji ReaksiReaktor Pipa SS 316, 6 mm i.d.Kondisi OperasiSuhu 673 K tekanan atmosferikLaju umpan aseton (SV)= 4 h-1Instrumen analisaProduk cair ---- GC- FIDProduk gas ---- GC- TCD

9. Metode Penelitian (Sarana Uji Reaksi) N2 Flowmeter Pump Acetone fed by pump Pre-heater Acetone liquid drop Quartz sand Electric furnace (1000W) 6 mm , i.d Mixture of ZSM-5 & quartz sand Stainless steel rod N2 gas 19 cm Termokope1 Quartz sand Quartz Wool Unggun Katalis 16 cm Lokasi Pengukuran Suhu Unggun Katalis Quartz Wool Batangan Baja SS 316 Gaseous product 35 cm Reaktor Pipa, 10 mm o.d., SS 316 Reaktor Pipa, 10 mm o.d., SS 316 Ice - water bath Skema Diagram Penyusunan Katalis dalam Reaktor Pipa Skema susunan sarana uji katalis dalam reaksi aseton menjadi hidrokarbon C1-C10

10. Metode Penelitian Tabel 1 Data FID ANALYSIS (Hewlett Packard) for liquid product analysis ) Tabel 2 The condition of GC for gaseous analysis

11. Metode Penelitian Waktu retensi hasil deteksi chromatogram GC-FID kolom kapier DB-1 Posisi keberadaan Peak dikonfirmasi dgn.GC-MS Larutan Standard murni/ campuran

12. Metode Penelitian Table 4Waktu retensi produk gas dideteksi menggunakan GC-TCD

13. Metode Penelitian (Perhitungan konv.aseton) % Carbon??? % Carbon ???

14. Metode Penelitian (Perhit. Selektivitas &Yield)

15. Hasil dan Pembahasan Ethanol-Absorben Acetone C5-C6 aliph. Benzene Toluene Ethylbenzene m+p-Xylene O-Xylene C10-aromatik C9-aromatik (Trimethyl benzene) Naphthalene Methylnaphtahlene (MMN) Dimethylnaphtahlene (DMN) Trimethylnaphtahlene (TMN) Tipikal GC-FID Chromatogram sampel produk cair

16. Hasil dan Pembahasan Tipikal Chromatogram GC-TCD sampel gas produk reaksi konversi aseton H2 C2H4 N2 –Carrier gas C2H6 CH4 C3H6 CO C3H8 C4

17. Hasil dan Pembahasan Konversi aseton dengan katalis ZSM-5 ( W katalis = 1 g, suhu = 673 K, SV = 4 h-1, tekanan atmosferik) Katalis mulai terdeaktivasi setelah 17 jam

18. Hasil dan Pembahasan Disribusi produk hidrokarbon Selektivitas ZSM-5 thd. Pembentukan monoarmatik sangat tinggi. Kondisi operasi W = 1 g, suhu = 673 K, SV = 4 h-1, tekanan atmosferik Produk dari sampel cair setelah akumulasi 40 min pertama reaksi

19. Hasil dan Pembahasan Yield aromatik hasil konversi aseton menggunakan katalis ZSM-5 ( W katalis = 1 g, suhu = 673 K, SV = 4 h-1, tekanan atmosferik) Yield aromatik > 60 % selama 16 jam uji reaksi

20. Proposed Reaction Mechanism for Acetone Conversion O isophorone Aromatics (Shape Selective Product Formation) H3C CH3 C=HC O CH=C H3C ║ CH3 C=CH-C-CH=C H3C CH3 C=HC CH=C H3C CH3 • Monoaromatic Compounds : Benzene Xylene Toluene EthylBenzene C9 monoaromatic C10monoaromatic • Diaromatics compounds : Napthalene Monomethylnaphthalene Dimethylnapthalene Trimetylnaphthalene Tetramethylnapthalen Reaction at the internal and external surface ZSM-5 O ║ 2[H3C-C-CH3] 2 molecules of acetones O ║ H3C- C-CH=C(CH3)2 Mesityl oxide (MSO) O OH ║ │ CH3 C CH2 C (CH3)2 Diacetone alcohol (DAA) Self Aldol condensation Dehydration - H2O Further self Aldol condensation + (CH3)2CO - H2O Reaction at internal surface Reaction at external surface of ZSM-5 Cracking inside the Pores at higher Temp > 350 oC O ║ (H3C)2C=CHCCH=C(CH3)2 phorone or diisopropylideneketone Acetic acid Isobutylene Decomposition Condensation – Dehydrocyclization CH4 CO2 In progress of reaction: Continued condensation, forming higher molecular weight species which may accumulate in pore channel and shutting down the reaction 1,3,5-Trimethylbenzene (Mesitylene)

21. Kesimpulan • Konversi aseton menjadi hidrokarbon C1-C10, secara pasti telah dapat dilakukan dengan baik pada suhu 678 K, SV 4 h-1, tekanan atmosferik. Konversi aseton yang didapat mendekati 100% selama rentang waktu uji reaksi 17 jam. • Produk utama yang dihasilkan adalah berupa hidrokarbon aromatik, menunjukkan bahwa kemampuan ZSM-5 baik dalam mengakalisis reaksi aromatisasi berdasarkan shape selective-nya maupun kemampuannya menahan terbentuknya senyawa hidrokarbon dengan rantai C lebih tinggi dari C10 adalah sangat tinggi. • Namun kemungkinan terjadinya penurunan aktivitas katalis (deactivation) terlihat, terutama setelah 17 jam reaksi. Berdasar uraian mekanisme reaksi aseton, penyebab utama penurunan kinerja katalis tersebut oleh karena terjadinya penutupan pori oleh kokas yang pembentukannya diduga berasal dari hasil samping reaksi konversi aseton, yakni reaksi multiple condensation terjadi pada permukaan external ZSM-5.

22. Terima kasih atas perhatiannya