Bidang Riset

Bidang-bidang yang dikembangkan dalam penelitian Rispro-KI adalah sebagai berikut.

1. Nanokatalis untuk Dry Reforming of Methane (DRM) 

2. Nanokatalis untuk Water Gas Shift Reactor (WGSR)

3. Membran Berbasis Logam Pd untuk Pemisahan H2 Berkualitas Tinggi

Penjelasan secara lebih rinci dari bidang-bidang di atas disajikan dalam butir-butir berikut ini :

1. Nanokatalis untuk Dry Reforming of Methane (DRM) 

Latar belakang

 Reformasi Kering Metana

Cadangan gas bumi Indonesia per Januari 2017 mencapai 142,72 TSCF dengan rincian 100,36 TSCF merupakan cadangan terbukti dan 42,36 TSCF merupakan cadangan potensial. Cadangan terbesar berada di wilayah II sebesar 74,83 TSFC termasuk Natuna Timur sebesar 46 TSCF, kemudian wilayah VI sebesar 40,61 TSCF dan wilayah V sebesar 15,35 TSCF (Ditjen Migas dan SKK Migas, 2018). Cadangan gas bumi di Indonesia dan beberapa proyek gas hulu Indonesia dapat dilihat pada Gambar 1.

Teknologi pemanfaatan gas bumi pada umumnya menggunakan teknologi reforming yang dapat mengubah gas bumi menjadi gas sintesis. Di antara teknologi reforming adalah steam reforming, partial oxidative reforming, dan dry reforming. Teknologi steam reforming merupakan teknologi yang digunakan untuk mereaksikan CH4 dan H2O, sedangkan partial oxidative reforming merupakan teknologi yang digunakan untuk mereaksikan CH4 dengan O2. Teknologi dry reforming of methane (DRM) merupakan salah satu cara yang potensial untuk diterapkan dalam menjawab permasalahan tersebut. Konsep proses DRM adalah mereaksikan CH4 dan CO2, sehingga menghasilkan gas sintesis yang mengandung CO dan H2 dengan rasio H2/CO 1, sedangkan pada steam reforming dan partial oxidative reforming adalah 3 dan 2. Hasil reaksi DRM yang diperoleh rasio H2/CO yang lebih tinggi, kecil dibandingkan dengan teknologi reforming lainnya, dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan dimetil eter, asam asetat, dan alkohol melalui sintesis okso-alkohol sebagai produk antara atau produk akhir dalam industri petrokimia.

DRM merupakan reaksi reversibel dan bersifat endotermis sehingga membutuhkan energi yang besar untuk mempertahankan kondisi operasinya. Selain itu, DRM membutuhkan suhu operasi yang tinggi (> 600 oC) dengan kebutuhan panas reaksi sebesar 247 kJ/mol untuk mencapai konversi kesetimbangan yang maksimal. Untuk meningkatkan laju reaksi, DRM membutuhkan katalis yang berperan dalam menurunkan energi aktivasi dan memaksimalkan produksi gas sintesis. Katalis berbasis logam mulia seperti Pt, Rh, Ru, Pd, dan Ir memiliki kinerja tinggi dalam proses DRM dan ketahanan yang tinggi terhadap pengendapan karbon pada permukaan katalis. Namun, karena kurangnya sumber daya logam mulia dan harga yang tinggi, banyak peneliti fokus pada logam transisi seperti Ni, Co, dan Fe yang memiliki harga lebih rendah. Berdasarkan aktivitas katalitik, katalis berbasis logam transisi dalam reaksi DRM, nikel adalah satu-satunya logam transisi yang sebanding dengan logam mulia.

Meskipun katalis berbasis nikel memiliki aktivitas katalitik yang tinggi, katalis berbasis nikel dalam proses DRM dapat mengalami deaktivasi akibat 2 hal, yaitu pengendapan karbon yang terjadi pada suhu lebih rendah sekitar 500–700 °C dan sintering yang terjadi pada suhu lebih tinggi sekitar 700–800 °C. Katalis nikel yang mengalami sintering akan menyebabkan aglomerasi partikel nikel menjadi lebih besar sehingga dapat menutupi pori katalis dan menyebabkan penurunan kinerja katalis. Kurangnya stabilitas katalis berbasis Ni untuk reaksi DRM dapat membatasi penggunaan katalis secara komersial. Oleh karena itu, katalis berbasis Ni harus dimodifikasi untuk meningkatkan kinerja dan ketahanan terhadap pengendapan karbon. Enkapsulasi nikel sebagai situs aktif katalis dalam bahan berpori dapat membatasi aglomerasi dan agregasi partikel nikel serta melindungi situs aktif katalis dari pengendapan karbon. Morfologi core-shell dapat diproduksi dengan melapisi nanopartikel nikel sebagai inti dengan alumina berpori sebagai cangkang untuk melindungi nikel.

2. Nanokatalis untuk Water Gas Shift Reactor (WGSR) 

Latar belakang

Gas alam Laut Natuna diketahui mengandung CO2 sebesar 70% dan belum banyak dieksplorasi. Gas alam dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan H2, namun tingginya kandungan CO2 pada gas alam menjadi sebuah tantangan. Hidrogen dianggap sebagai bahan bakar yang menjanjikan untuk masa depan dan berkontribusi dalam mengurangi emisi gas rumah kaca (Baraj dkk., 2021). Untuk mengolah gas alam menjadi H2 dapat dilakukan melalui dry reforming of methane (DRM). DRM dipilih karena dapat memberdayakan kandungan CO2 yang terdapat di dalam gas alam. Produk gas DRM mengandung H2/CO sekitar 1. Untuk meminimalkan kandungan CO dan meningkatkan produktivitas H2, reaksi water gas shift (WGS) dapat dimanfaatkan.

CO + H2O ⇌ CO2 + H2 ΔH = -41,1 kJ/mol 

Reaksi WGS merupakan reaksi reversible dan bersifat eksotermik. Secara konvensional reaksi WGS dilangsungkan dalam dua tahap, yaitu high temperature shift (HTS) dan low temperature shift (LTS). Pada HTS, reaksi berlangsung pada temperatur 350–500oC dan LTS berlangsung pada temperatur 180–250oC. Tahap pertama (HTS) beroperasi pada temperatur tinggi bertujuan untuk meningkatkan laju reaksi yang mendukung konsumsi CO dan meminimalkan kebutuhan volume reaktor dengan menggunakan katalis berbasis Fe2O3 dan Cr2O3. Tahap kedua (LTS) beroperasi pada temperatur rendah bertujuan untuk meningkatkan konversi CO dengan menggunakan katalis Cu/ZnO/Al2O3. Untuk mengurangi biaya operasional, dilakukan pengembangan katalis yang dapat digunakan satu tahap yaitu pada kondisi medium temperature shift (MTS) (Fuentes dkk., 2014; Lucarelli dkk., 2018). Oleh karena itu, pengembangan katalis pada kondisi MTS menarik untuk dilakukan.

Katalis logam mulia (Pt, Pd, dan Au) diketahui dapat memberikan aktivitas yang baik di dalam reaksi WGS, namun logam mulia tersebut mahal dan tidak mudah didapatkan. Beberapa peneliti telah melakukan riset terhadap logam Cu dan hasil menunjukan bahwa logam Cu dapat memberikan aktivitas yang setara dengan logam mulia. Selain itu, katalis berbasis Cu lebih ekonomis dan mudah didapatkan. Selain fasa aktif dari katalis, penyangga merupakan salah satu komponen penting dari katalis karena penyangga berperan dalam mendispersikan dan menahan fasa aktif dari katalis. Untuk mendorong terjadinya reaksi WGS, penyangga dari katalis diharapkan memiliki sifat asam.

Berdasarkan penjabaran di atas, maka penelitian ini difokuskan pada pengembangan katalis Cu/ZnO/ZSM-5 dengan memvariasikan jumlah pemuatan logam Cu pada kondisi MTS dengan umpan gas berupa produk DRM yang mengandung CO, H2, CO2, dan CH4.

Rumusan Masalah 

Pada penelitian ini, kami melakukan pengembangan katalis berbasis Cu pada konsisi medium temperature shift (MTS). Kondisi MTS merupakan salah satu cara untuk mengoptimasi kondisi HTS dan LTS menggunakan nanokatalis Cu/ZnO dengan penyangga ZSM-5. Berdasarkan permasalahan tersebut, rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana pengaruh jumlah pemuatan logam Cu terhadap reaksi water gas shift pada katalis Cu/ZnO dengan penyangga ZSM-5?

2. Bagaimana pengaruh laju alir dan diameter partikel katalis terhadap aktivitas pada katalis Cu/ZnO dengan penyangga ZSM-5?

3. Manakah katalis yang menghasilkan aktivitas dan stabilitas terbaik dalam reaksi water gas shift?

Tujuan Penelitian 

Berdasarkan rumusan masalah yang telah dijabarkan sebelumnya, tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Untuk mengkaji pengaruh jumlah pemuatan logam Cu terhadap reaksi water gas shift pada katalis Cu/ZnO dengan penyangga ZSM-5;

2. Untuk mengkaji pengaruh laju alir, dan diameter partikel katalis terhadap aktivitas pada katalis Cu/ZnO dengan penyangga ZSM-5;

3. Untuk mengkaji katalis mana yang menghasilkan aktivitas dan stabilitas terbaik dalam reaksi water gas shift.

Hasil Penelitian Singkat

1. Pada penelitian ini, kami mengembangkan katalis Cu/ZnO/ZSM-5 dengan memvariasikan jumlah pemuatan logam Cu sebesar 5, 10, dan 15%-massa. Peningkatan jumlah pemuatan logam Cu pada katalis Cu/ZnO/ZSM-5 dapat meningkatkan aktivitas dari katalis.

2. Katalis 15%-massa Cu/ZnO/ZSM-5 menunjukkan konversi CO tertinggi dibandingkan katalis dengan pemuatan Cu sebesar 5 dan 10%-massa dan menghasilkan konversi CO per satuan massa aktif lebih tinggi daripada katalis komersial 58%-massa Cu.

3. Pada kondisi laju alir ≥60 ml/menit dan ukuran partikel ≥40–60 mesh sudah tidak dipengaruhi oleh perpindahan massa internal maupun eksternal yang ditandai dengan nilai konversi CO yang konstan.

4. Keberadaan excess H2 dan CO2 pada umpan mendorong terjadinya reaksi samping (pembentukan CH4 dan karbon). Katalis Cu/ZnO/ZSM-5 menghasilkan yield CH4 dan karbon lebih rendah dibandingkan dengan katalis komersial.