May 14, 2010

Katalysator untuk Pencairan Batubara

Posted in Coal processing tagged , at 15:15 by Teman Pembelajar

Proyek pengembangan katalysator untuk pencairan batubara (coal liquefaction) dilakukan pada era: 1980-1990. Studi-studi yang dilakukan meliputi aspek berikut:

Bagaimana mengembangkan katalysator berbasis elementar oksida besi (FexOy) yang efektiv dengan ukuran partikel katalysator kecil berskala mikro ataupun nano.

Pembelajaran penuh mengenai mekanismus reaksi pencairan batubara dengan pertolongan mekanismus dari reaksi yang sudah dikenal, sehubungan dengan re-aktivitas dan selektivitas juga dengan kalkulasi berbasis molekul orbital. Pendekatan-pendekatan model mekanismus ini dilakukan dengan ferifikasi hasil percobaan.

Pengembangan teknologi pembuatan katalysator murni berporus tinggi atau katalysator dengan media pendukung berporus tinggi (supported material).

Studi yang melengkapi adalah tingkat kesulitan daur ulang katalysaor limbah dan dosis pemakaian sehubungan dengan materi transportasi dalam reaktor dan beban biaya produksi total pencairan batubara.

Secara intuisi aktivitas reaksi akan dipengaruhi dengan besarnya daerah permukaan (surface area) yang akan bersinggungan tempat terjadinya fase awal reaksi. Berbagai media pendukung berporus tinggi digunakan, perhatikan hasil dibawah ini:

Media pendukung Permukaan dengan metode BET [m2g-1] Radius pori [nm] Hidrogen inkrement [%]
Carbon black 115 Non Porous 0
SiO2 100 15 0
Al2O3 100 20 0
SiO2-Al2O3 600 3 8

Dari percobaan tabel di atas dapat ditarik kesimpulan bahwa impregnasi dari katalysator ke permukaan media pendukung berporus tinggi tidak menghasilkan aktivitas hidrogen transfer yang tinggi (H-Increment) yang merupakan parameter petunjuk re-aktivitas. Aktivitas hidrogen transfer sebaliknya berhubungan langsung dengan perubahan morfologi permukaan katalysator. Tabel di bawah menunjukkan katalysator tanpa supported material dengan pengeringan sebelumnya dengan teknik spray drying memicu aktivitas transfer hidrogen.

Katalysator Pre treatment Permukaan dengan metode BET [m2g-1] Hidrogen inkrement [%]
Fe2O3 Spray drying 150 10
Fe2O3 160 15
Fe2O3- Al2O3 10% 270 4
Fe2O3- Al2O3 10% 200 18

Kadar belerang (sulfur) dalam proses pencairan batubara.

Dalam prosesnya tekanan parsial H2S akan dapat mencapai 0,5-2% dari keseluruhan gas fase. Studi yang kompleks diperlukan untuk merumuskan proses yang terjadi sebelum keseimbangan dalam proses hidrodesulfurisasi. Dengan kadar H2S yang masih cukup rendah, potensi reduksi sistem mengalami peningkatan. Sejalan komposisi fase gas yang berubah drastis, katalysator oksida besi juga mengalami sintering (kontaminasi oleh belerang). Dengan temperatur yang relativ tidak terlalu tinggi komposisi katalysator berubah menjadi bentuk umum Fe0.91S dan tekanan parsial H2S antara 0,2-1%. Disini terjadi penurunan luas permukaan dengan aktivitas reaksi yang masih terlihat.

Tindakan Fase terbentuk Permukaan dengan metode BET [m2g-1] Activity mol/gs
H2S Fe0.91S 3 4.10-8
H2 Fe0.995S 3 0.3.10-8
H2 Fe 2 10.10-8
H2S Fe0.995S 0.1 0.1.10-8

Dalam suatu kasus proses pencairan batubara dengan Tetralin sebagai larutan (solvent) yang berfungsi sebagai hidrogen-donor, diperlihatkan terbentuknya fase Fe0.995S sebagai kutub sintering yang merupakan mekanismus bolak-balik dehidrogenasi solvent.

Batasan kritis katalysator proses pencairan batubara

Parameter yang penting adalah rasio perbandingan katalysator/coal yang rendah dengan nilai pencapaian konversi pencairan tinggi. Parameter bebasnya adalah proses temperature dan pengunaan solvet yang bukan hydrogen-donor. Nilai konversi yang dicapai berkisar antara 40-50% neto batubara cair.

Katalysator Rasio perbandingan katalys/batubara [%]
Fe2O3, 18 m2/g2 0.7
Fe2O3, 71 m2/g2 0.4
Fe2O3, 2.8% MoO3 0.2
Fe2O3, 18% MoO3 0.2

Literatur:

The development of a new iron catalyst for the direct liquefaction of coal, Bacaud R., Besson M., Mariadassou D.

Beberapa jenis katalysator dan hasil yang dicapai

Penyelidikan dalam rangka proses pencairan batubara pyrite tingkat rendah dengan berbagai katalysator besi oksida sulfat dan molybdat dilakukan dengan target melihat efek katalysator jenis2 tersebut baik yang terkalsinasi Fe2O3, Fe2O3/SO4, Mo/Fe2O3/SO4, Fe2O3/MoO4, Fe2O3/WO4, maupun yang masih hidratasi seperti FeOOH/SO4, Mo/FeOOH/SO4 terhadap reaksi konversi batubara cair. Konversi yang cukup maksimal dicapai temperatur 400-425oC dan tekanan H2 antara 1000-1800 psig selama 2-3jam dalam sebuah autoclave stainless steel bevolume 300ml. Sedangkan hampir semua jenis katalysator mendukung kondisi proses tersebut kecuali Fe2O3 murni. Efek penambahan Molybdan sebesar 20-200ppm menghasilkan perbaikan nilai konversi batubara menjadi minyak, dari sekitar 70% menjadi 80% dengan komposisi thermal black sekitar 58% dan minyak sekitar 22%. Konversi terbaik dengan tambahan 200ppm Molybdan dicapai dengan struktur katalysator Mo/Fe2O3/SO4 yaitu sebesar 87% dengan komposisi 52% minyak. Hasil konversi batubara diambil dengan jalan ekstraksi menggunakan methylenchlorid sebagai extractant.

Pembuatan katalysator dan analisa

Katalysator oksida sulfat dan oksihidroksida dibuat dengan bahan baku besi nitrat dan atau sulfat dengan larutan NH4OH sebagai precipitating agent. Dalam fase awal terbentuk gugus FeO(OH) sebagai cikal bakal kristalin daripada katalysator. Penelitian struktur dan metamorfosa katalysator dilakukan dengan mengukur luas permukaan (surface area) metoda BET adsorption isoterm, jumlah sulfat dan quantitativ secara Thermogravimetry (TGA) juga dengan X-ray difraksi serta elektron mikroskop untuk mendapat informasi struktur secara seksama. Hasil samping(residue) dari proses ini juga diteliti dengan X-ray difraktometer dan energi dispersiv X-Ray spektofotometer (EDX). Hal ini untuk mengetahui komposisi dan dispersivitas dari sisa katalysator.

Literatur:

Sulfated and Molybdate Iron (III) Oxide Catalysts in Coal Liquefaction, Pradhan, V. R., Hu J., Tierney J.W., Wender I.

Peran species Fe(1-x)S berskala nano dalam proses pencairan batubara subbituminous

Spesies Fe(1-x)S dikenal sebagai fase terbentuk pada proses konversi katalysator berbasis oksida besi. Dalam sebuah percobaan pencairan batubara berkadar belerang rendah, dengan senyawa besi karbida berukuran skala nano didapati species seperti dikemukakan di atas. Rekasi dilakukan dengan tabung bomb reaktor bervolume 50ml dengan tekanan H2 parsial sebesar 1000 psig. Batubara berkadar belerang rendah 0.17% sebanyak 3 gram dicampur dengan rasio katalysator sebesar 1% dan DMSO berlebih sebagai Sulfur-donor. Reaksi terjadi pada suhu kisaran 385-415oC. Gas yang terjadi dianalisa dengan GC, sedangkan hasil konversi diekstrasi dengan THF untuk menentukuan yield konversi dan keadaan katalysator unuk dianalisa.

Bermacam penelitian dilakukan sehubungan dengan selektivitas proses pencairan batubara, misalnya konversi 4-(naphthylmethyl)bibenzyl, sebuah struktur yang biasa sering benjadi struktur pembentuk batubara dengan menggunakan katalysator berbasis besi karbonil kompleks seperti: Fe(CO)3(PPh3)2,Fe(CO)4PPh3, Fe(CO)2(PPh3)2CS2.

Beberapa penelitian secara kalkulasi molekul orbital juga dilakukan. Hal ini dilakukan untuk mengenal mekanisme aktivasi katalysator yang merupakan fase penting dalam keseluruhan proses konversi.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: