TUGAS PAPER KATALIS DAN KATALISIS

“FISCHER-TROPSCH PADA KATALIS DAN KATALISIS”

Disusun Oleh:

Triyana Defi (1107120892)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA S1

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS RIAU

2013

ABSTRAK

Fischer-Tropsch (FTS) adalah proses yang berkaitan dengan konversi syngas yang berasal

dari batubara, biomassa dan gas alam menjadi hidrokarbon yang terdiri dari parafin, olefin, alkohol

dan aldehida dengan bilangan cetan yang tinggi dan ramah lingkungan. Karena cadangan minyak

bumi terbatas dan pembatasan lingkungan, Fischer-Tropsch (FTS) yang mendapat perhatian saat

ini daripada sebelumnya. FTS dianggap sebagai reaksi polimerisasi permukaan katalis. Selama

proses ini, CO teradsorpsi pada permukaan transisi logam dan terhidrogenasi memproduksi

monomer CHX yang akibatnya merambat untuk menghasilkan hidrokarbon dan oksigen dengan

berbagai fungsi dan panjang rantai.

Kata kunci: fischer tropsch, katalis, logam

BAB I

PENDAHULUAN

Sejak Perang Dunia ke-II, Jerman mengalami krisis bahan bakar. Hal

mendorong para ilmuan di Jerman untuk membantu memecahkan permasalahan

Jerman akan kebutuhan bahan bakar. Di tengah-tengah krisis kekurangan bahan

bakar, ditemukanlah sebuah metode yang dapat mengkonversi batu bara menjadi

minyak bumi sintetik yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar cair oleh

ilmuan Jerman, Franz Fischer dan Hans Tropsch, yang bekerja di Institut Kaiser

Wilhelm pada tahun 1920an. Bahan bakar inilah yang digunakan Jerman dan

Jepang selama Perang Dunia II untuk produksi bahan bakar pengganti.

Pada proses Fischer-Tropsch, senyawa hidrokarbon disintesis melalui

pencampuran hidrogen dan karbon monoksida melaui permukaan logam transisi.

Dimana reaktan awal (sintesis gas) yang digunakan dalam proses Fischer-Tropsch

adalah gas hidrogen (H2) dan karbon monoksida (CO) menghasilkan sebuah

produk hidrokarbon cair yang dapat digunakan sebagai bahan bakar pengganti.

Awal tahun 1944, penerapan proses Fischer-Tropsch di bidang industri

dapat menghasilkan produk mencapai lebih dari 124.000 barel per hari. Namun,

pemboman fasilitas minyak Jerman selama Perang Dunia II melumpuhkan

sebagian besar produksi bahan bakar sintetik Jerman. Biro pertambangan Amerika

Serikat, dalam sebuah program yang diprakarsai oleh Synthetic Liquid Fuels Act,

mempekerjakan tujuh ilmuan pada Operasi Paperclip untuk sintetis bahan bakar

sebuah proses industri kimia Fischer-Tropsch di Louisiana, Missouri tahun 1946.

Proses ini juga telah digunakan di Afrika Selatan untuk memenuhi

kebutuhan energi selama masa isolasi ekonomi di bawah Apartheid. Setelah masa

pencarian, proses ini menerima perhatian baru dari berbagai kalangan untuk

memproduksi bahan bakar diesel rendah belerang untuk meminimalkan kerusakan

lingkungan dari penggunaan mesin diesel dan mengurangi emisi gas karbon

dioksida di udara. Oleh karena itu, dengan beberapa keuntungan yang dapat

diperoleh berdasarkan uraian di atas, maka teknik pengolahan bahan bakar dengan

menggunakan proses Fischer-Tropsch ini perlu dikembangkan.

BAB II

ISI

Bahan bakar sintetik merupakan alternatif yang menarik untuk minyak

bumi, yang kadang-kadang dapat menjadi persediaan singkat, seperti sekarang ini

dimana harganya yang juga cukup mahal. Salah satu cara yang berprofil paling

tinggi untuk membuat bahan bakar sintetis dikenal sebagai proses Fischer-

Tropsch (FT). Ditemukan pada tahun 1920 oleh Franz Fischer dan Hans Tropsch,

yakni ilmuwan Institut Kaiser Wilhelm pada tahun 1920an.

Proses Fischer-Tropsch adalah reaksi katalisasi kimia pada sintesis gas,

dimana senyawa hidrokarbon disintesis melalui pencampuran hidrogen dan

karbon monoksida melaui permukaan logam transisi. Pada proses Fischer-Tropsch

ini dapat mengkonversi berbagai macam bahan bakar menjadi hidrokarbon cair

dalam berbagai bentuk.

Tujuan utama dari proses ini adalah untuk menghasilkan minyak sintetik

pengganti, biasanya dari batu bara, gas alam atau biomassa, untuk digunakan

sebagai minyak pelumas sintetik atau sebagai bahan bakar sintetik karena seiring

penggunaan diesel meningkat dalam beberapa tahun terakhir. Bahan bakar sintetik

ini dapat digunakan pada truk, mobil, dan beberapa mesin pesawat terbang.

Kombinasi gasifikasi biomassa (BG) dan sintesis Fischer-Tropsch (FT) adalah

sebuah cara alternatif untuk memproduksi bahan bakar transportasi terbarukan

(biofuels).

2.1 Sejarah reaksi kimia Fischer-Tropsch

Sejak penemuan awal dari proses asli oleh peneliti Jerman Franz Fischer

dan Hans Tropsch, yang bekerja di Institut Kaiser Wilhelm pada tahun 1920an,

banyak perbaikan dan penyesuaian yang telah dibuat, dan istilah "Fischer-

Tropsch" sekarang digunakan untuk berbagai proses (sintesis Fischer-Tropsch

atau reaksi kimia Fischer-Tropsch). Sejumlah arsip Sintesis Fischer and Tropsch

telah memiliki hak paten. misalnya AS no. 1,746,464 dipatenkan pada tahun 1926,

dipublikasikan pada tahun 1930. 1.746.464, diterapkan 1926, diterbitkan 1930.

Proses ini ditemukan dalam minyak buangan dan batubara berkualitas di

Jerman pada tahun 1920, menghasilkan bahan bakar cair. Ini digunakan oleh Nazi

Jerman dan Jepang selama Perang Dunia II untuk memproduksi bahan bakar

pengganti. 

2.2 Proses kimia

Proses Fischer-Tropsch yang melibatkan proses berbagai persaingan reaksi

kimia, yang menghasilkan sejumlah produk sampingan yang diinginkan dan yang

tidak diinginkan. Yang paling penting adalah reaksi yang dihasilkan dalam bentuk

alkana. Hal ini dapat dijelaskan melaui reaksi kimia berikut:

            (2n+1) H2 + nCO → CnH(2n+2) + nH2O

Di mana, 'n' adalah bilangan bulat positif. Yang sederhana dari ini (n = 1),

hasilnya dalam bentuk metana, yang umumnya dianggap sebagai produk

sampingan yang tidak diinginkan (terutama bila metana adalah sumber utama

yang digunakan untuk menghasilkan gas sintetik). Kondisi proses dan komposisi

katalisator biasanya dipilih untuk menghasilkan reaksi yang kebih baik (n> 1)

sehingga meminimalkan pembentukan metana. Sebagian besar alkana yang

dihasilkan cenderung berantai lurus, meskipun beberapa alkana rantai bercabang

juga terbentuk. Selain bentuk alkana, reaksi juga menghasilkan bentuk alkena,

alkohol dan hidrokarbon oksigenasi lainnya. Biasanya, jumlah produk non-alkana

yang dihasilkan hanya relatif kecil, meskipun katalis pendukung dari beberapa

produk tersebut telah dikembangkan.

Hal lain yang penting adalah reaksi konversi gas-air:

            H2O + CO → H2 + CO2

Meskipun reaksi ini menghasilkan CO2 yang tidak diinginkan, namun dapat

digunakan untuk menggantikan perbandingan rasio H2:CO dalam sintesis gas. Hal

ini sangat penting untuk sintesis gas yang berasal dari batu bara, yang cenderung

memiliki rasio ~ 0,7 dibandingkan dengan rasio ideal ~ 2.

Perlu dicatat bahwa, menurut data yang dipublikasikan pada implementasi

komersial dari batubara berdasarkan proses Fischer-Tropsch, industri ini dapat

memproduksi sebanyak 7 ton CO2 per ton produk hidrokarbon cair (belum

termasuk reaksi produk air). Hal ini disebabkan sebagian kebutuhan energi yang

tinggi diperlukan oleh proses gasifikasi, dan sebagian lagi dari pelaksanaan proses

desain.

Sebelumnya, secara keseluruhan mekanisme dari reaksi ini dapat diterima

meliputi turunan gugus metil pada bagian depan (permukaan) molekul, melaui

beberapa tahap dimana efek dari gugus metilen secara berturut-turut disisipkan

antara logam dan gugus alkil.

2.3 Contoh Katalis Fischer-Tropsch

Berbagai katalis dapat digunakan untuk proses Fischer-Tropsch, namun

yang paling umum digunakan adalah logam transisi seperti kobalt, besi, dan

ruthenium. Nikel juga dapat digunakan, tetapi cenderung membentuk metana.

Kobal kelihatannya katalis yang paling aktif, walaupun besi juga cukup baik dan

lebih cocok untuk sintesis gas berhidrogen rendah seperti yang berasal dari batu

bara karena reaksi promosi konversi udara-gas. Di samping katalis logam aktif

yang biasanya mengandung sejumlah promoter, termasuk kalium dan tembaga,

serta tinggi daerah permukaan yang mendukung seperti silika, alumina, atau

zeolit.

Tidak seperti logam lain yang digunakan pada proses ini (Co, Ni, Ru) yang

tetap dalam bentuk logam selama proses sintesis, katalis besi cenderung

membentuk beberapa tahap reaksi kimia, termasuk berbagai besi oksida dan besi

karbida selama reaksi. Kontrol dari transformasi fase ini merupakan tahap penting

dalam menjaga aktivitas katalis dan mencegah dari gangguan partikel katalis.

Katalis Fischer-Tropsch dikenal sangat peka terhadap keberadaan senyawa

belerang yang bersifat racun. Sensitivitas dari katalisator belerang lebih tinggi

untuk katalisis kobal daripada daripada besi. Katalis kobal lebih diutamakan untuk

sintesis Fischer-Tropsch bila bahan bakunya adalah gas alam yang memiliki

aktivitas lebih tinggi dari katalisasi kobal. Gas alam memiliki tingkat rasio yang

tinggi antara hidrogen dan karbon, sehingga konversi udara-gas tidak diperlukan

lagi untuk katalis kobal. Katalis besi adalah pilihan untuk bahan baku berkualitas

rendah seperti batu bara atau biomassa. Sementara katalis besi juga rentan

terhadap keracunan belerang dari batubara dengan yang mengandung belerang

tinggi, maka semakin rendah biaya katalisator dapat mengakibatkan katalis pada

bagian depan reaktor yang ekonomis.  Selain itu, seperti yang disebutkan

sebelumnya, besi dapat mengkatalisasi konversi udara-gas untuk meningkatkan

rasio karbon hidrogen untuk membuat reaksi lebih baik selektif.

2.4 Sintesis produksi gas Fischer-Tropsch

Reaktan awal (sintesis gas) yang digunakan dalam proses Fischer-Tropsch

adalah gas hidrogen (H2) dan karbon monoksida (CO). Bahan kimia ini biasanya

dihasilkan oleh salah satu dari dua metode:

1)   Sebagian pembakaran dari hidrokarbon:

CnH(2n+2) + ½ nO2 → (n+1)H2 + nCO

Dimana n=1 (metan), sehingga persamaannya menjadi:

2CH4 + O2 → 4H2 + 2CO

2)   Gasifikasi batubara, biomassa, atau gas alam:

CHx + H2O → (1+0.5x)H  + CO

Nilai "x" tergantung pada jenis bahan bakar. Misalnya, gas alam yang

mempunyai kandungan hidrogen yang lebih besar (untuk x = 5 x = 3) dari batu

bara (x> 2).

Energi yang diperlukan untuk reaksi endotermik ini biasanya dihasilkan

secara eksotermik dari pembakaran oksigen dan hidrokarbon.

Campuran karbon monoksida dan hidrogen disebut sintesis gas atau syngas.

Produk hidrokarbon menghasilkan produk murni untuk memproduksi bahan bakar

sintetis.  Karbon dioksida (CO) dan karbon monoksida (CO2) yang dihasilkan dari

sebagian oksidasi bahan bakar batu bara dan kayu. Manfaat dari proses ini

terutama perannya dalam memproduksi cairan hidrokarbon dari bahan baku

padatan, seperti batu bara atau karbon padat yang berisi dari berbagai jenis

limbah. Pirolisis non-oxidatif dari material padat menghasilkan syngas yang dapat

digunakan langsung sebagai bahan bakar tanpa melalui transformasi Fischer-

Tropsch. Proses Fischer-Tropsch dapat diterapkan jika cairan minyak bumi yang

diperlukan seperti bahan bakar, pelumas, atau lilin.

2.5 Aplikasi dan Penggunaan Fischer-Tropsch di Bidang Industri

Saat ini, hanya segelintir perusahaan yang memiliki FT teknologi mereka, seperti:

1. Shell (gas alam) di Bintulu, Malaysia, menggunakan gas alam sebagai

bahan baku, dan memproduksi terutama bahan bakar belerang diesel rendah

dan bahan baku lilin berkualitas.

2. Sasol (batu bara) di Afrika Selatan menggunakan batu bara dan gas alam

sebagai bahan baku, dan memproduksi berbagai produk minyak bumi

sintetis. Sasol memproduksi sebagian besar bahan bakar diesel berbagai

Negara.

Sebagian kecil perusahaan US, Rentech, saat ini sedang memfokuskan pada

industry konversi pupuk nitrogen dari menggunakan bahan baku gas alam sampai

menggunakan batu bara atau batu arang, dan produksi hidrokarbon cair sebagai

produk. Industri Choren juga telah membangun sebuah industri FT di Jerman.

Proses FT yang didirikan adalah sebuah proses dan teknologi yang sudah

diterapkan pada skala besar di beberapa sektor industri, meskipun popularitasnya

terhambat oleh tingginya biaya modal, tingginya biaya operasi dan pemeliharaan,

dan ketidakpastian dan naik-turunnya harga minyak mentah, dan masalah

lingkungan hidup.

Secara khusus, penggunaan gas alam praktis hanya menjadi bahan baku bila

menggunakan “gas terlantar” yaitu sumber-sumber gas alam yang jauh dari kota

besar yang praktis digunakan sebagai gas Pipelines konvensional dan teknologi

LNG; jika tidak, penjualan langsung gas alam ke konsumen akan menjadi lebih

menguntungkan. Ada beberapa perusahaan yang praktis mengembangkan proses

eksploitasi yang disebut cadangan gas terlantar. Teknologi ini telah diusulkan

sebagai cara untuk membuat bahan bakar transportasi dari batu bara jika minyak

konvensional menjadi lebih mahal.

Di bulan September 2005, gubernur Pennsylvania, Edward Rendell

mengumumkan sebuah pekerjaan berisiko dengan Limbah dan Prosesor Inc.

menggunakan teknologi berlisensi dari Shell dan Sasol untuk membangun sebuah

pabrik FT yang akan mengkonversi limbah batu bara (sisa dari proses

pertambangan) menjadi solar rendah belerang di sebuah situs di luar Kota

Mahanoy, barat laut dari Philadelphia. Negara Pennsylvania telah berkomitmen

untuk membeli sebuah industry dengan persentase yang signifikan dari produksi

industry, bersama dengan Departemen Energi US, telah menawarkan lebih dari $

140 juta dalam pajak insentif. Gubernur Brian Schweitzer dari Montana juga telah

mengusulkan mengembangkan sebuah industri yang akan menggunakan proses

FT untuk mengembalikan ke tempat asal cadangan batu bara menjadi bahan bakar

untuk membantu meringankan ketergantungan Amerika pada minyak asing.

Pada bulan Oktober 2006, pabrik bubur kertas UPM yang memproduksi

biodiesel melaui proses Fischer-Tropsch disamping proses manufaktur kertas dan

bubur kertas Eropa, dengan menggunakan limbah biomassa yang dihasilkan oleh

proses pabrik bubur kertas sebagai sumber bahan baku.  Pada bulan Agustus 2007,

Universitas Louisiana State mengumumkan mereka telah menerima dana dari

Departemen Energi AS dan Conoco Phillips untuk pengembangan nanoteknologi

baru untuk katalisis batubara syngas untuk konversi etanol. 

Syntroleum adalah sebuah perusahaan publik Amerika Serikat yang telah

memproduksi lebih dari 400.000 galon bahan bakar diesel dan jet dari

proses Fischer-Tropsch menggunakan gas alam dan bukan batu bara pada

demonstrasi industry di dekat Tulsa, Oklahoma. Syntroleum bekerja untuk

mengkomersialisasikan teknologi Fischer-Tropsch yang berlisensi melalui industri

konversi batu bara ke cair di Amerika Serikat, Cina, dan Jerman, serta industri

internasional gas-ke-cair dengan menggunakan gas alam sebagai bahan baku,

yang ultra-bersih, bahan bakar rendah belerang yang telah diuji secara luas oleh

Departmen Energi US, di Departemen Perhubungan, dan terakhir, Syntroleum

telah bekerja dengan Air Force US untuk mengembangkan bahan bakar sintetis

campuran jet yang akan membantu Angkatan Udara untuk mengurangi

ketergantungan pada impor minyak bumi.

Pada 15 Desember 2006, sebuah B-52 mengambil dari Edwards Afb,

California untuk pertama kalinya yang didukung sepenuhnya oleh 50-50

campuran JP-8 dan bahan bakar Syntroleum FT. Tujuh jam penerbangan test telah

dinilai sukses. Tujuan dari program uji penerbangan adalah untuk memenuhi

syarat bahan bakar campuran untuk digunakanpada armada operator's B-52s, dan

kemudian penerbangan pengujian dan kualifikasi lainnya pada pesawat terbang.

Demonstrasi pengujian dari pembakaran bahan bakar oleh C-17-Fischer Tropsch

telah selesai pada 22 Oktober 2007 di Edwards Air Force Base. Ujian ini terdiri

dari tes dasar dan dua penerbangan yang menunjukkan performa mesin sepanjang

penerbangan C-17 dan selama beberapa kali pengoperasian diwakili oleh

manuver-manuver. Berdasarkan keberhasilan dua tes, Air Force berharap semua

keaslian dari armada C-17 untuk sintetis bahan bakar campuran pada awal 2008.

BAB III

KESIMPULAN

Fischer-Tropsch (FTS) adalah proses yang berkaitan dengan konversi

syngas yang berasal dari batubara, biomassa dan gas alam menjadi hidrokarbon

yang terdiri dari parafin, olefin, alkohol dan aldehida dengan bilangan cetan yang

tinggi dan ramah lingkungan. Berbagai katalis dapat digunakan untuk proses

Fischer-Tropsch, namun yang paling umum digunakan adalah logam transisi.

Katalis Fischer-Tropsch dikenal sangat peka terhadap keberadaan senyawa

belerang yang bersifat racun. Penggunaan katalis Fischer-Tropsch pada bidang

industri mengalami perkembangan yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

Choi, G.N., Kramer, S.J., Tam, oS.T., Fox, J.M. Design/economics of a natural gas based Fischer-Tropsch plant. in Spring National Meeting, American Institute of Chemical Engineers, Houston, 1996 .

Gates, B. C., (1992), ”Catalytic Chemistry”, John Wiley and Sons Inc, Singapore, hal. 259-276

Kismojohadi, E.L., (1995), “Zeolite ZSM-5 and Aluminophosphate Molecular Sieves as catalysts in the Fischer-Tropsch Reaction: Synthesis, Characterization and Modification”, M.Sc. thesis, Universiti Teknologi Malaysia