A Study of CO2 Conversion to Dimethyl Ether (DME)

Abstract

 

CO₂ conversion into dimethyl ether (DME) can be done using two methods connected online which are CO₂ electrolysis with Cu cathode and heterogeneous catalysis of output syngas under CuO-ZnO-Al₂O₃(CZA)/γ-Al₂O₃ catalyst. Constant current electrolysis was performed on a single cell reactor with the potential range of -6V to -10V, whereas the catalysis method was performed in a fixed bed reactor at temperature of 240˚C to 300˚C. The quantity of dimethyl ether depended on the ratio of syngas (CO and H₂) generated from the electrolysis of CO₂ and water, while the ratio of the syngas is affected by the pH of electrolyte solution. The amount of the active catalyst CZA/γ-Al₂O₃ affected to quantity of DME product and also the temperature of catalysis reaction. The highest amount of DME was obtained at pH 8, temperature catalyst of 300˚C, and 3 gram catalyst with the percent conversion of 8.20% and amount of DME product is 12.47 μmol. The low product yield was assumed de to the adsorption of Cu has a great power to the CO, so that the amount of CO gas formed in the reduction of CO₂ to be not optimal.

Keywords: Electrolysis of CO₂; Syngas Catalysis; GC-FID analysis

LATAR BELAKANG

Gas alam sebagai energi memiliki peranan yang penting bagi Indonesia saat ini dan di masa yang akan datang. akan tetapi, kendungan karbon dioksida (CO₂) dalam beberapa sumur gas alam mempunyai kadar yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan unsur lain yang dibutuhkan, sehingga menyebabkan eksplorasi sumber daya gas alam tidak dapat dilakukan. konversi CO₂ menjadi senyawa lain merupakan salah satu solusi untuk mengurangi kadar CO₂ dalam sumur gas alam. Konversi CO₂ menjadi dimetil eter (DME) dapat menjadi solusi yang tepat dalam mengurangi kadar CO₂ dalam sumur gas alam. konversi CO₂ menjadi dimetil eter (DME) dapat dilakukan menggunakan dua tahapan proses elektrolisis menggunakan elektroda Cu dan katalisis menggunakan katalis CuO-ZnO-Al₂O₃/y-Al₂O₃.

TUJUAN

1. Mengubah (mengkonversi) CO₂ menjadi dimetil eter (DME) dengan menggunakan metode reduksi elektrokimia (elektroreduksi) dan reaksi katalis yang terhubung secara online.
2. Mengetahui pengaruh pH larutan elektrolit terhadap hasil reaksi elektrolisis CO₂. 
3. Mengetahui pengaruh temperatur dan berat katalis terhadap hasil reaksi katalisis keluaran elektrolisis CO₂. 
   

 TINJAUAN PUSTAKA

Karbon dioksida (CO₂) adalah senyawa dengan atom karbon C dalam keadaan teroksidasi sempurna, sehingga diperlukan energi luar untuk mereduksinya. CuO-ZnO-Al₂O₃ merupakan katalis sintesis metanol dan γ-Al₂O₃ merupakan katalis dehidrasi metanol. Campuran keduanya yang diendapkan secara bersamaan menjadi satu katalis, dapat digunakan untuk sintesis dimetil eter (DME) tanpa melalui pembentukan metanol.

 

METODE PENELITIAN

Konversi karbon dioksida CO₂ menjadi dimetil eter (DME) C₂H₆O dilakukan dengan menggunakan dua metode, yaitu metode elektrokimia dan metode katalisis, yang mana keduanya terhubung secara online. Hasil reaksi elektrolisis CO­₂ langsung masuk pada reaksi katalisis, dan hasil reaksi katalisis dianalisis menggunakan gas kromatografi (GC).

Pada metode elektrokimia, jenis reaksi yang terjadi adalah reaksi reduksi CO₂ secara elektrokimia atau yang dikenal dengan istilah elektroreduksi CO₂ di mana produk utama yang dihasilkan adalah gas CO dengan menggunakan elektroda Cu_. Selain itu juga dilakukan reduksi air menjadi gas H₂ dengan menggunakan elektroda Stainless steel, sehingga hasil yang diharapkan adalah perbandingan CO dan H₂ mempunyai nilai 1:2, maka campuran syngas ini dapat diubah menjadi gas dimetil eter (DME) melalui metode berikutnya yaitu metode katalisis. Pada metode katalisis, campuran syngas (CO/H₂) yang dihasilkan dari reaksi elektroreduksi CO₂ diubah menjadi gas dimetil eter (DME) menggunakan katalis CuO-ZnO-Al₂O₃/γ-Al₂O₃.

 

HASIL PENELITIAN

Skema Rancangan Reaktor Konverter CO₂ Double Process

Skema rancangan reaktor seperti ditunjukkan pada gambar 1. Reaktor konverter CO₂ double proses terdiri dari tabung gas CO₂ yang tersambung pada reaktor elektrolisis CO₂, kemudian tersambung pada reaktor elektrolisis H₂O. Dari kedua reaktor  elektrolisis tersebut akan dihasilkan syngas (CO dan H₂) yang akan masuk pada reaktor katalisis. Pada reaktor tersebut terpasang termokontrol yang berguna untuk mengatur temperatur pada reaktor. Adapun produk DME yang dihasilkan dari reaktor katalis, diuji dengan gas kormatografi.

Karakterisasi Katalis

Struktur XRD prekursor katalis (sebelum dilakukan kalsinasi) yang telah dikeringkan dalam oven 110 C d

Struktur XRD prekursor katalis (sebelum dilakukan kalsinasi) yang telah dikeringkan dalam oven 110^oC ditunjukkan pada gambar 2. Dari hasil percobaan  didapatkan hidroksikarbonat dari sistem biner Cu-Zn dengan ratio molar Cu:Zn = 2:1 mengalami transisi warna dari biru sian menjadi biru kehijauan selama masa pencucian 6 x 12 jam dengan air. Hal ini menunjukkan bahwa terbentuk fasa transisi dari tembaga nitrat hidroksida Cu₂(NO₃)(OH)₂, dan  hydrozincite Zn₅(CO₃)₂(OH)₆ menjadi beberapa senyawa seperti hidrotalsit yang mempunyai rumus stoikiometri CuxZn6-xAl₂(OH)16(CO₂).4H₂O dan malasit Cu₂CO₃(OH)₂. Kedua fasa tersebut akan terlihat secara jelas pada peak hasil XRD. Diketahui hidrotalsit merupakan prekursor katalis dan akan membentuk CuO-ZnO-Al₂O₃ setelah dilakukan kalsinasi dalam furnace  temperatur 350^oC dengan laju kenaikan temperatur 2^oC/detik. CuO yang terdispersi kuat ke dalam ZnO dikatakan dapat menaikkan aktifitas katalis.

Gambar 2. Strurtuk XRD katalis sebelum kalsinasi

Data hasil XRD menunjukkan karakteristik peak yang terbentuk secara koresponden merujuk kepada tiga senyawa (dibandingkan dengan data peak standar XRD), yaitu hidrotalsit (HTlc), malasit, dan CuO. Akan tetapi, yang dominan adalah hidrotalsit. Dari data tersebut dapat dijelaskan bahwa struktur fasa transisi seperti tembaga nitrat hidroksida, hydrozincite, dan malasit merupakan senyawa pertama kali yang terbentuk pada system Cu-Zn, dan kemudian terbentuk Hydrotalcite ketika alumunium ditambahkan. Adapun CuO sudah mulai terbentuk selama masa pengeringan dalam oven walaupun masih sedikit. Hal ini karena Cu mempunyai kadar yang lebih besar dibandingkan dengan Zn dan Al.

Struktur XRD katalis setelah dilakukan kalsinasi ditunjukkan pada gambar 4.9. Proses kalsinasi dengan temperatur 350 C dan laju kenaikan temperatur 2 C/detik bertujuan untuk mendekomposisi seluruh hidroksikarbonat menjadi oksida logam (metal oxide). Kalsinasi dengan laju kenaikan termperatur yang terlalu cepat akan menghasilkan krostal CuO yang besar. Data hasil XRD menunjukkan puncak (peak) dengan intensitas yang tinggi pada CuO dan ZnO, sedangkan Al2O3 ditunjukkan puncak dengan intensitas yang lebih kecil. Hal ini dikarenakan kadar Cu dan Zn lebih besar dibandingkan dengan Al. Selain itu, terdapat juga peak hidrotalsit yang menunjukkan bahwa kalsinasi yang telah dilakukan kurang maksimal, sehingga fasa transisi tidak terdekomposisi secara sempurna menjadi oksida logam.

Gambar 4.9 Struktur XRD Katalis Setelah Kalsinasi

PEMBAHASAN

Reaksi reduksi CO₂  secara elektrokimia tidak mudah berlangsung (terjadi) dan pada kenyataannya potensial elektrolisis untuk reduksi CO₂ lebih negatif dari nilai potensial reduksi standar CO₂ menjadi CO yaitu pada potensial  -0,52 V. Hal ini disebabkan karena reduksi elektron tunggal CO₂ menjadi CO₂ *- yang mana ini merupakan tahap awal untuk mengaktifkan CO₂ terjadi pada potensial -1,9 V. Hal ini menunjukkan tingginya reorganisasi energi (reorganizational energy) antara molekul linier dengan anion radikal tekuk.  Tahapan ini juga ditentukan oleh tahap penentuan laju (rate determaining step/RDS) untuk reduksi CO_2.

Gambar 3. Tahapan Reaksi Reduksi CO₂

Adapun reaksi katalisis syngas menjadi DME,  Cu bertindak sebagai sisi aktif dari katalis yang berfungsi mengadsorbsi gas CO dan membuat CO menjadi aktif, sehingga dapat mengalami reaksi hidrogenasi menjadi CH₃O*. Adapun Zn bertindak sebagai promotor dari katalis yang berfungsi untuk menjaga sisi aktif dari katalis yaitu Cu tidak mudah terjadi sintering dan dapat mendeaktifasi katalis.

Pada katalis bifungsi, dua macam sisi aktif dalam katalis memiliki kontak yang lebih dekat, sehingga transformasi dari CH₃O diadsorbsi pada ‘*’ berpindah tempat secara langsung ke fasa ‘a’ tanpa melalui proses pembentukan CH₃OH (g), karena hidrogenasi dari CH₃O* menjadi metanol merupakan reaksi yang paling lambat dalam proses sintesis dimetil eter, sehingga pembentukan metanol tidak terjadi.

Pengujaian konversi CO₂ pada penelitian ini dilakukan dengan beberapa variasi, diantaranya adalah variasi pH buffer fosfat, jumlah katalis, temperatur katalis dan  pengujian konversi CO₂  tanpa penambahan elektrolisis air.

KESIMPULAN

1. Konversi CO₂ menjadi dimetil eter (DME) dapat dilakukan melalui dua tahapan proses, yaitu elektrolisis CO₂ dengan elektroda Cu dan katalisis dengan katalis CuO-ZnO-Al₂O₃/γ-Al₂O₃ yang keduanya berlangsung secara online.
2. pH Buffer fosfat mempengaruhi reduksi elektrokimia CO₂, yang berpengaruh terhadap produk DME yang dihasilkan, di mana pH optimum konversi CO₂ menjadi DME terjadi pada pH Basa lemah.
3. Temperatur katalis mempengaruhi hasil katalisis syngas (CO/H­₂) menjadi dimetil eter, di mana keaktifan katalis semakin meningkat dengan meningkatnya temperatur.
4. Semakin banyak jumlah katalis, maka semakin banyak pula jumlah sisi aktif katalis, sehingga konversi CO₂ menjadi dimetil eter juga meningkat.
5. Hasil optimum reaksi katalisis pada penelitian ini terjadi pada pH 8, jumlah katalis 3 gram dan pada temperatur 300˚C, dengan persen konversi terbesar yang didapatkan yaitu 8,20% atau sebesar 12,47 μmol.

DAFTAR REFERENSI

Akira Rujishima, et al., 1993. Research in Electrochemical and Photoelectrical Carbon Dioxide Fixation. Nedo International Joint Research Grant.

Anom Sulistyo. 2000. Preparasi, Karakterisasi dan Uji Aktivitas Katalis Film dan Serbuk TiO2-SiO₂ untuk reduksi CO₂ secara Fotokatalitik. Tesis Departemen Teknik Gas dan Petrokimia Universitas Indonesia.

Anshory, I. 1988. Penuntun Pelajaran Kimia Untuk SMA. Bandung : Ganesha Exact.

C. M. Sánchez -Sánchez, , V. Montiel, D. A. Tryk, A. Aldaz, and A. Fujishima. 2001. Electrochemical approaches to alleviation of the problem of carbon dioxide accumulation. Pure Appl. Chem. Vol. 73, No. 12, pp. 1917–1927

C.S. Song, 2002. Proceedings of 2^nd topical Converence on Natural Gas Conversion and Utilization. Held in conjunction with AlChE 2002 Spring National Meeting, New Orleans, March 11-14, p. 402.

C.S. Song, W. Pan, S.T. Srimat, J. Zheng, Y. Li, T.H. Wang, B.Q. Xu, Q.M. Zhu. 2004. Tri-reforming of methane over Ni catalysts for CO₂ conversion to syngas with desired H₂/CO ratios using flue gas of power plants without CO₂ separation, Stud. Surf. Sci. Catal. 153 - 315.

Share on Google Plus

About Unknown

This is a short description in the author block about the author. You edit it by entering text in the "Biographical Info" field in the user admin panel.