(in CATALYST TECHNOLOGY Lecture )

Instructor: Dr. Istadi(h // ki di id/ f/i di )(http://tekim.undip.ac.id/staf/istadi )

Email: istadi@undip.ac.id

I t t ’ B k dInstructor’s Background

BEng. (1995): Universitas DiponegoroMeng. (2000): Institut Teknologi BandungPhD. (2006): Universiti Teknologi Malaysia

Specialization: Catalyst Design for Energy ConversionP  D i  f  E  C iProcess Design for Energy ConversionCombustion EngineeringComputational Fluid Dynamic (CFD)Computational Fluid Dynamic (CFD)

Peningkatan aktifitas katalis mempunyaibeberapa keuntunganp g

Laju reaksi yang tinggi untuk kondisi operasi yang samasamaLaju reaksi yang ekivalen tetapi hasil reaksi yang lebih banyak atau reaktor yang lebih kecilLaju reaksi yang ekivalen pada suhu dan tekananyang lebih rendah dimana yield keseimbangan

i k t i j di l bih d h d ktif imeningkat, operasi menjadi lebih mudah, deaktifasimenjadi lebih kurang, atau selektifitas yang lebihbaik.baik.

J i J i K liJenis‐Jenis Katalis

Katalis HomogenKatalis EnzymeKatalis Heterogen

Katalis Homogenkatalis mempunyai fasa yang sama dengan reaktan dan produk reaksiProses katalisis terjadi melalui perubahan senyawa menjadi senyawayang kompleks dan terjadi pengubahan susunan molekul dan ligankatalisOperasi reaksi katalisis fasa cair mempunyai keterbatasan pada suhudan tekanan, sehingga peralatan reaktor menjadi lebih kompleksKatalis setelah reaksi juga harus dipisahkan dari produk, sehinggamenambah kesulitan lagisistem katalisis homogen hanya dijumpai pada industri‐industri tertentu saja misalnya industri bahan kimia, obat‐obatan, dan makananBeberapa industri petrokimia seperti produksi asam asetat, alkilasiolefin, dan hidroformilasi juga menggunakan sistem katalisis homogen

Katalis EnzimEnzim adalah molekul‐molekul protein dengank k l id  b d di t h hukuran koloid yang berada diantara ranah homogen

molekular dan heterogen makroskopikBiasanya enzim merupakan katalis yang sangat efisienBiasanya enzim merupakan katalis yang sangat efisiendan selektif. Sebagai contoh, reaksi dekomposisi H2O2 yang dikatalisasi oleh enzim catalase adalah lebihcepat 109 kali daripada dikatalisasi oleh katalisanorganik

Katalis HeterogenKatalis Heterogenkatalis dan reaktan berbeda fasanyaDengan perbedaan fasa antara katalis dan reaktan, makamekanisme reaksi menjadi sangat kompleksLaju reaksi dikendalikan oleh fenomena‐fenomena adsorpsi, absorpsi  dan desorpsiabsorpsi, dan desorpsilaju dan energi desorpsi, struktur permukaan aktif, dan sifat‐sifatterbentuknya produk antara yang memerlukan kerja‐kerjaeksperimen yang panjangeksperimen yang panjangBahkan, dalam setiap aplikasi katalisis heterogen tertentuterdapat banyak kontroversi tentang detil mekanisme suatureaksisistem katalis heterogen adalah yang paling mudah digunakan diaplikasi industri karena pelet katalis yang mudah dibuat, katalismudah diletakkan di dalam tabung reaktor di mana reaktanmengalir  dan konstruksi sederhanamengalir, dan konstruksi sederhana

Steps in Heterogeneous Catalysis

External DiffusionInternal DiffusionAdsorptionSurface ReactionDesorptionInternal DiffusionExternal Diffusion

P t ti l E i C t l ti PPotential Energy in Catalytic Process

Struktur KatalisDesain atau formulasi katalis yang benar adalah jika terdapatkesesuaian antara aliran fluida, aktifitas, dan stabilitasHal ini sangat tergantung kepada reaksi, desain reaktor, kondisi proses, g g g p , , p ,dan faktor ekonomi

≅ Aktifitas bahan kim ia

A KTIFITAS TING G IA LIRA N FLU ID A≅ D istribusi a liran

Aktifitasan

, Ben

tuk

≅ Perm ukaan aktif spesifik yang tinggi

≅ Pelle t berpori

≅ Penurunan tekanan yang rendah

≅ Kekuatan m ekanik

Porositkuat

an

Ukura

PELET KATALIS itas

Keku

Um ur Panjang

STABILITASSTABILITASTahan terhadap:

- sin tering- racun kata lis- fou ling

Komponen‐Komponen KatalisKomponen Komponen Katalis

Komponen Aktif (Active Agents)Komponen Aktif (Active Agents)Komponen aktif merupakan komponen katalis yang Komponen aktif merupakan komponen katalis yang bertanggungjawab terhadap reaksi kimia yang utama. Pemilihan komponen aktif adalah tahap pertama dalammendesain katalis. Sementara itu, pengetahuan tentang mekanisme katalitikadalah sangat saintifikadalah sangat saintifiksehingga metode pemilihan komponen aktif menjadi lebihsaintifik juga, walaupun kadang‐kadang bersifat empirikKatalis yang bersifat asam biasanya merupakan pendorongmekanisme ion karbonium, seperti pada reaksi isomerisasiatau perengkahanatau perengkahan

Classification of Catalytic MaterialsClassification of Catalytic Materials

Penyangga (Support)y gg ( pp )Fungsi yang paling penting adalah menjaga agar luas permukaankomponen aktif tetap besarkomponen aktif tetap besarperan penyangga menjadi sangat penting dimana logam aktif(Pt) didispersikan di permukaan penyangga. Penyangga sendiri harus tahan terhadap perubahan termal, sehingga seharusnya mempunyai titik leleh sedikit di ataskomponen aktifkomponen aktifPenyangga dengan luas permukaan yang besar antara lain: γ‐alumina, SiO2, karbon aktif, diatomaceous clay, dan SiO2‐Al2O3y 3Besarnya konsentrasi komponen aktif atau biasa disebut loading juga mempunyai efek yang signifikan agar penyangga bisa

b ik ti k t di i k ktif  bmemberikan tingkat dispersi komponen aktif yang besar

Oksida dengan titik leleh tinggisebagai penyangga katalissebagai penyangga katalis

Jenis/Sifat Oksida Titik leleh (oC)Basa MgO 3073g

CaO 2853Ca2SiO4 2407BaO 2196

Amfoter ThO2 23232

ZrO2 2988CeO2 2873Cr2O3 2708La2O3 2588α-Al2O-3 2318TiO2 2113

Netral MgAl2O4 2408MgCr2O4 2300ZnCr2O4 2173ZnAl2O4 2100CaSiO3 1813

Asam γ-Al2O-3 2318SiO2 1973SiO2-Al2O3 1818

Promotor (Promoter)( )

Tujuan pemberian promotor ini adalah untukh lk k f l k f d f k b lmenghasilkan aktifitas, selektifitas, dan efek stabilitas

yang diinginkanPromotor didesain untuk membantu penyangga atauPromotor didesain untuk membantu penyangga ataukomponen aktif. Salah satu peran penting dari promotor adalah dalamSalah satu peran penting dari promotor adalah dalampengendalian stabilitas katalis. Beberapa kasus lain, promotor ditambahkan ke dalamstruktur katalis atau penyangga untuk menghambatmekanisme reaksi tertentu yang tidak diinginkan, seperti pembentukan karbon (coke)  seperti pembentukan karbon (coke). 

Contoh promotor katalis dalambeberapa prosesbeberapa proses

Katalis Promotor FungsiAl O SiO ZrO P Memperbaiki stabilitas termalAl2O3(Penyangga dan Katalis)

SiO2, ZrO, PK2OHClMgO

Memperbaiki stabilitas termalMeracuni situs cokingMeningkatkan keasamanMencegah sintering komponenaktifaktif

SiO2-Al2O3(Katalis Perengkahan)

Pt Meningkatkan oksidasi CO

Zeolit( k h k li ik)

Ion alkali (rare earth)d

Meningkatkan keasaman danbili l(Perengkahan katalitik) Pd stabilitas termal

Meningkatkan hidrogenasi

Pt/Al2O3(Reformasi katalitik)

Re Mengurangi hidrogenolisis dansintering(Reformasi katalitik) sintering

MoO3/Al2O3(hidrotreating)

Ni, CoP, B

Meningkatkan hidrogenolisis C-Sdan C-NMeningkatkan dispersi MoO3

Ni/ceramic(Reformasi kukus)

K Meningkatkan penghilangankarbon