Judul SPESI AKTIF KATALIS HASIL IMPREGNASI BORON OKSIDA UNTUK REAKSI OKSIDATIF DEHIDROGENASI ETANA disampaikan dalam Seminar Katalis dan Katalisis : Peningkatan Nilai Tambah, Efisiensi, dan Ramah Lingkungan Depok, 26-27 Juni 2006 oleh Setiadi e-mail : setiadi@che.ui.edu Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus UI, Depok – 16434, Indonesia,

Petrochemicals Industries Research Background – Relevancy ??? The origin of Ethane compound Petroleum refinery Natural Gas Light Hydrocarbons Fractionation (gas product) LNG Naphtha Ethane Research Work with partial Oxidation Ethylene Petrochemicals Industries (PE, Ethylene Oxide, Ethylbenzene, Vinyl Chloride, etc.)

Oxidative Dehydrogenation Etilena / oksigenat (CH3CHO, HCHO, dll) Scope – Catalytic Process Oxidative Dehydrogenation Etilena / oksigenat (CH3CHO, HCHO, dll) Etana B2O3/YSZ, B2O3/ Al2O3, B2O3/Sm2O3 C2H4 : senyawa penting sbg. building block bahan baku utama yang sangat penting bagi industri petrokimia Etana : salah satu fraksi komponen gas alam dan hasil fraksinasi fraksi ringan minyak mentah. Jumlahnya cukup melimpah. Kemampuan katalisis terimpregnasi B2O3 dalam reaksi dehidrogenasi, dehidrasi maupun deoksigenasi terletak pada kemampuan interaksi berupa terbentuknya spesi peroksida (O2-2) Lattice oxygen (oksigen kisi, O-2), umumnya sangat aktif untuk oksidasi total menjadi CO2, dan sangat tidak cocok untuk partial oxidation etana menjadi etilena ataupun produk oksgenat. Perlu modifikasi dengan penambahan boron oksida untuk menghilangkan peran oksigen kisi dalam reaksi dehidrogenasi.

Reaction Mechanism of ethane oxidative dehydrogenation Catalytic Process by B2O3/YSZ or B2O3/Al2O3 Interaksi antar partikel B2O3 support YSZ, Al2O3 disertai terbentuknya spesi peroksida (O22-) saat kalsinasi atau reaksi apa & mengapa B2O3-YSZ B2O3-Al2O3 ??? Kerjanya ??? B : Boron M : Logam Al, Zr, Lattice Oxygen (O2-), Oksg. kisi Adsorpsi dan aktivasi molekul etana pada spesi peroksida (O2-) Pembentukan produk C2H4 dan regenerasi dengan O2 membentuk spesi peroksida Pembentukan produk okdigenat asetal dehida & pemulihan dengan O2 membentuk spesi peroksida Reaction Mechanism of ethane oxidative dehydrogenation (Sumber : Otsuka dan Setiadi, Master Thesis & Catalysis Today 1995)

Tujuan Pengembangan reaksi katalisis oxidative dehidrogenasi dgn. mengetahui kinerja katalis B2O3 Studi reaksi oksidasi parsial etana dengan membandingkan kereaktifan masing-masing paduan katalis B2O3/YSZ, B2O3/Al2O3 dan B2O3/ Sm2O3. Mengkaji hasil pengamatan hasil karakterisasi XRD, BET dan XPS untuk mengklarifikasi peran dan keberadaan spesi peroksida pada permukaan katalis.

Metode Penelitian Bahan H3BO3, YSZ, Al2O3, Sm2O3 Etana (Reaktan), Quartz Wool Quartz sand 10-15 mesh Alat Uji Reaksi Reaktor Quartz sand 8 mm i.d. Kondisi Operasi Suhu 823, 873 K Tekanan atmosferik Instrumen analisa Produk gas ---- GC- TCD

Katalis B2O3 hasil akhir metode impregnasi Metode Penelitian Impregnasi Pengeringan Kalsinasi Katalis B2O3 hasil akhir metode impregnasi Larutan H3BO3 YSZ, Al2O3, Sm2O3 padatan 300 oC, 2 jam 750 oC, 2 jam 75 oC 80 oC Metode Penelitian : Langkah-langkah Preparasi katalis Metode Impregnasi Ilustrasi Penyebaran Partikel B2O3 pada permukaan YSZ, Al2O3 atau Sm2O3 YSZ, etc.

Skema sarana uji katalis dalam reaksi oxidative dehidrogenasi Etana C2H6 O2 He SAMPLING BOX REAKTOR On Line GC Vent Skema sarana uji katalis dalam reaksi oxidative dehidrogenasi Etana Furnace Quartz wool Katalis Profil Fixed Bed Reactor & Furnace Metode Penelitian : Reaksi dilakukan pada reaktor unggun tetap beraliran kontinyu, bertekanan atmosferik

Hasil dan Pembahasan Kandungan B2O3 vs laju konversi etana B2O3/YSZ B2O3 > 5 % wt region for Peroxide (O2-2 ) generation 0% B2O3/YSZ : High Active for Total Oxidation (O2-) 15 % B2O3 content Highest Active Catalyst For Oxidative Dehydrogenation 0 – 5 % B2O3/YSZ region The Destruction Active Site of Total Oxidation Kandungan B2O3 vs laju konversi etana B2O3/YSZ

Hasil dan Pembahasan B2O3 > 5 % wt region for Peroxide (O2-2 ) generation 15 % B2O3 Highest Active For Oxidative Dehydrogenation Products Ethylene & acetaldehyde 0% B2O3 /YSZ : High Active for Total Oxidation (O2-) 0 – 5 % B2O3/YSZ region The Destruction Active Site of Total Oxidation Decreasing COx Rate Kandungan B2O3 vs laju pembentukan produk Katalis B2O3/YSZ

Kandungan B2O3 vs Luas Permukaan Katalis B2O3/YSZ Hasil dan Pembahasan 0% B2O3 /YSZ : High Active for Total Oxidation (O2-) 15 % B2O3 Highest Active Catalyst for oxidative dehydrogenation, S.A < 20 m2/g 0 – 5 % B2O3/YSZ region The Destruction Active Site of Total Oxidation Kandungan B2O3 vs Luas Permukaan Katalis B2O3/YSZ

Highest Active Catalyst for oxidative dehydrogenation Hasil dan Pembahasan Highest Active Catalyst for oxidative dehydrogenation Perbandingan Spektrum XRD sample katalis B2O3 /YSZ

simbol warna hitam – hasil reaksi tanpa katalis Hasil dan Pembahasan simbol warna hitam – hasil reaksi tanpa katalis simbol putih – data hasil reaksi dengan katalis Induction period Perbandingan hasil reaksi dehidrogenasi etana dengan kat. 15% B2O3/YSZ vs non katalitik pada berbagai suhu reaksi

~15 % B2O3- awal pembentukan spesi peroxide Hasil dan Pembahasan Laju konversi maks, 0,22 mmol/h.m2 pada ~ 30 % B2O3 ~15 % B2O3- awal pembentukan spesi peroxide Kandungan Boron oksida vs Laju Konversi Etana (B2O3/Al2O3)

Hasil dan Pembahasan Laju maksimal produk etilen, ~200 μmol/h.m2 Laju maksimal produk CH3CHO, 10μmol/h.m2 ~15 % B2O3 Minimum laju Produk hasil Kandungan Boron oksida vs. Laju produk (B2O3/Al2O3)

Kandungan 30 % B2O3, SA ~ 60 m2/g, komposisi terbaik Hasil dan Pembahasan 0% B2O3 /YSZ : High Active for Total Oxidation (O2-) Kandungan 30 % B2O3, SA ~ 60 m2/g, komposisi terbaik Kandungan boron oksida vs Luas katalis (B2O3/Al2O3)

Perbandingan Spektrum XRD katalis B2O3/Al2O3 Hasil dan Pembahasan Highest Active Catalyst for oxidative dehydrogenation Amorphous Perbandingan Spektrum XRD katalis B2O3/Al2O3

Kandungan Boron Oksida vs Laju Konversi Etana (B2O3/Sm2O3) Hasil dan Pembahasan 0 – 10 % B2O3/Sm2O3 region The Destruction Active Site of Total Oxidation Kandungan Boron Oksida vs Laju Konversi Etana (B2O3/Sm2O3)

Kandungan Boron oksida vs Laju Produk (B2O3/Sm2O3) Hasil dan Pembahasan Kandungan Boron oksida vs Laju Produk (B2O3/Sm2O3)

Hasil dan Pembahasan Gambar 11 Spektrum XPS untuk katalis 15 % B2O3/ Sm2O3 (Sumber : Setiadi, Thesis 1994) Gambar 9 Spektrum XPS untuk katalis 15 % B2O3/YSZ (Sumber : Setiadi, Thesis 1994) Sekitar 531 eV Tidak ada Peak Spesi Peroxide pada sekitar energi ikat 531 eV Gambar 12 Spektrum XPS untuk katalis 30 % B2O3/ Sm2O3 (Sumber : Setiadi, Thesis 1994) Gambar 10 Spektrum XPS untuk katalis 30 % B2O3/ Al2O3 (Sumber : Setiadi, Thesis 1994)

Inti aktif katalis dalam reaksi dehidrogenasi etana menjadi etilena Hasil dan Pembahasan spesi permukaan peroxide terjadi pd. kandungan B2O3 > 15 % (YSZ) &maksimum pd. 30 % B2O/Al2O3, untuk Sm2O3------ No Formation + C2H6 + O2 Inti aktif katalis dalam reaksi dehidrogenasi etana menjadi etilena

Kesimpulan Pengaruh kandungan B2O3 dalam sistem katalis B2O3/YSZ maupun B2O3/Al2O3 mampu menekan terbentuknya produk total oksidasi (CO &CO2) dengan penambahan kandungan B2O3 sampai 5% untuk YSZ, dan 15 % untuk Al2O3. Sedangkan pengaruh penambahan B2O3 pada Sm2O3 malahan mematikan kereaktifan katalis. Penambahan B2O3 diatas 5% untuk katalis B2O3/YSZ dan diatas 15 % untuk katalis B2O3/Al2O3 merubah sifat katalis menjadi sangat aktif untuk reaksi dehidrogenasi etana. Komposi terbaik untuk katalis B2O3/YSZ adalah 15 % berat B2O3 dan 30 % untuk katalis B2O3/Al2O3. Hasil karakterisasi katalis metode XPS ternyata konsisten dengan hasil kinerja katalitiknya, sehingga sangat kuat diduga bahwa inti aktif katalis untuk reaksi dehidrogenasi etana adalah spesi peroksida yang berasal dari hasil interaksi antara B2O3 dengan YSZ dan Al2O3 pada bidang kontak antar permukaan partikel kedua tersebut.

Terima kasih atas perhatiannya