Utilisasi CO2 Menjadi Dialkyl Carbonate: Sintesis Katalitik Dan Kesetimbangan Uap Cair Untuk Pemurnian

Anggerta, Lintang Alivia (2023) Utilisasi CO2 Menjadi Dialkyl Carbonate: Sintesis Katalitik Dan Kesetimbangan Uap Cair Untuk Pemurnian. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02211960010004-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2025. Download (2MB) | Request a copy

Abstract

Karbondioksida (CO2) merupakan salah satu gas yang diketahui sebagai sumber utama dari efek pemanasan global. Salah satu usaha untuk mengurangi emisi CO2 adalah dengan memanfaatkannya menjadi bahan kimia yang bernilai ekonomis melalui proses sintesa. Sehingga pada penelitian ini karbondioksida disintesis menjadi senyawa dialkyl carbonate yaitu diethyl carbonate (DEC) dan dimethyl carbonate (DMC) menggunakan reaktor katalis yang beroperasi secara batch. Untuk mendapatkan rute sintesis dan kondisi operasi yang optimal, pada penelitian ini divariasikan jenis katalis, tekanan awal CO2, suhu reaksi, dan agen pendehidrasi. Produk dari sintesis ini dianalisa secara kuantitatif menggunakan Gas Chromatography dan secara kualitatif menggunakan Gas Chromatography-Mass Spectrometry.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa sintesis DEC dan DMC ini sangat dipengaruhi oleh reaktan beserta rasio yang digunakan, jenis katalis biner yang digunakan dan rasionya serta kondisi operasi selama reaksi berlangsung. Disamping itu, agen pendehidrasi maupun katalis dapat membantu meningkatkan yield sintesis produk, dimana katalis biner yang digunakan memiliki performa yang lebih baik dalam meningkatkan yield sintesis dibandingkan dengan penggunaan katalis individual. Molecular Sieve yang digunakan pada penelitian ini juga terbukti memiliki potensi untuk dapat menggantikan EtONa sebagai katalis homogen karena sifatnya yang heterogen sehingga akan memudahkan dalam proses pemurnian produknya apabila diterapkan ke skala yang lebih besar serta waktu reaksi yang lebih singkat untuk mencapai kesetimbangan pada kasus penggunaan agen pendehidrasi propylene oxide (PO) serta dalam kasus penggunaan agen pendehidrasi butylene oxide (BO) hasil yield yang didapatkan memiliki presentase yang hampir sama.Hasil yield tertinggi yang didapatkan pada penelitian ini yaitu sebesar 31,77% pada sintesis DEC menggunakan KI/Molecular sieve selama 2 jam dan 25,41% pada sintesis DEC menggunakan KI/EtONa selama 5 jam. Kondisi operasi yang digunakan pada sintesis DEC ini yaitu tekanan awal CO2 sebesar 35 bar, suhu reaksi sebesar170oC, rasio PO:etanol sebesar 1:15 dan rasio katalis KI dibanding dengan katalis Molecular Sieve ataupun EtONa sebesar 1:3. Sedangkan yield DMC tertinggi yang didapatkan pada penelitian ini berturut-turut pada penggunaan katalis KI/EtONa dan KI/Molecular Sieve adalah sebesar 28,52% dan 34,71% pada penggunaan rasio PO dengan metanol serta kondisi operasi yang sama dengan sintesis DEC sebelumnya. Namun, pada sintesis DMC yield tertinggi didapatkan pada penggunaan agen pendehidrasi BO dengan rasio dan kondisi operasi yang sama selama 4 jam sebesar 36,84% pada penggunaan katalis KI/EtONa dan 46,88% pada penggunaan katalis KI/Molecular Sieve. Berdasarkan hasil penelitian tersebut dapat dilihat bahwa kondisi parameter proses yang digunakan memiliki pengaruh terhadap yield produk yang dihasilkan.
Berdasarkan data yang diperoleh dilakukan optimasi terhadap parameter proses yang digunakan pada sintesis menggunakan metode Respon Surface. Optimasi yang didapatkan dari hasil penelitian ini adalah dengan menggunakan tekanan awal CO2 sebesar 40 bar, suhu 190oC dan waktu reaksi 3 jam pada sintesis DEC dengan menggunakan rasio PO:etanol sebesar 1:10 serta perbandingan KI:EtONa sebesar 1:3 didapatkan yield sebesar 24,3% dimana nilai ini memiliki nilai yang hampir sama jika dibandingkan dengan hasil eksperimen yaitu sebesar 24.07%. Sehingga, hasil optimasi dengan metode BBD ini dapat digunakan sebagai acuan jika nantinya sintesis DEC ini digunakan pada skala yang lebih besar.
Selain itu, berdasarkan hasil analisa menggunakan GC MS juga didapatkan hasil bahwa dalam sintesis DEC ataupun DMC ini juga dihasilkan senyawa lain selain produk utamanya seperti senyawa propylene glycol (PG) ataupun butylene glycol (BG) sebagai produk sampingnya dan propylene carbonate (PC) atau butylene carbonate (BC) sebagai produk intermedietnya. Untuk pemurnian produk dialkyl carbonate ini diperlukan sistim separasi untuk memurnikan produk utama dari produk sampingnya ataupun produk intermedietnya. Salah satu meode pemisahan yang banyak digunakan adalah distilasi yang memanfaatkan kesetimbangan fasa dari campuran produk dan produk sampingnya. Untuk dapat memisahkan produk secara rasional diperlukan data kesetimbangan uap-cair. Pada disertasi ini juga diteliti kesetimbangan uap-cair isobarik untuk sistim DEC(1)+PG(2) pada 47,8 kPa dan sistim DEC(2)+PC(2) pada 50 kPa secara eksperimen dan data yang diperoleh dikorelasikan dengan baik oleh persamaan Wilson, NRTL dan UNIQUAC. Data sistem biner DEC (1) + PG (2) yang diperoleh telah dikorelasikan dengan baik menggunakan model Wilson, NRTL, dan UNIQUAC dengan AAD antara suhu eksperimen dan hasil perhitungan masing-masing sebesar 0.37%, 0.35% dan 0.08% untuk sistim DEC(1)+PG(2) dan 0.17%, 0.06%, dan 0,08% untuk siatim DEC(1)+PC(2).
======================================================================================================================================
Carbon dioxide (CO2) is a compound known as the main contributor of global warming. Many efforts have been attempted to reduce CO2 emissions, one of them is to utilized it into valuable chemicals through synthesis process. In this study carbon dioxide was transformed into dialkyl carbonate diethyl carbonate (DEC) and dimethyl carbonate (DMC) using catalytic batch process. To obtain the optimal synthesis route and operating conditions, the type of catalyst, initial pressure of CO2, reaction temperature, and dehydrating agent were varied. The products of this synthesis were analyzed quantitatively using Gas Chromatography and qualitatively using Gas Chromatography-Mass Spectrometry.
The results of this study show that the synthesis of DEC and DMC is strongly influenced by the reactants along with the ratios used, the type of binary catalyst used and the ratio and operating conditions during the reaction. In addition, dehydrating agents and catalysts could help to increase product synthesis yield, where binary strategy provided better performance in increasing synthesis yield compared to the use of individual catalysts. The use of molecular sieve in this study has proven to have the potential to replace EtONa as a homogeneous catalyst. heterogeneous catalytic would facilitate simple process purification of its products. When applied to a larger scale, shorter reaction time to reach equilibrium could be achieved. The use of propylene oxide (PO) and the butylene oxide (BO) as dehydrating agents (BO) obtained yield almost in the same percentage as observed in this study.
The highest yield obtained in this study was 31.77% in DEC synthesis using KI / Molecular sieve for 2 hours. Reaction yield of 25.41% in DEC synthesis using KI / EtONa for 5 hours was obtained. The operation condition used in this synthesis were an initial pressure of CO2 of 35 bar, temperature reaction of 170oC, ratio of PO: ethanol of 1: 15 and a ratio of KI catalyst compared to a Molecular Sieve catalyst or EtONa of 1:3. While the highest DMC yield obtained respectively in the use of KI / EtONa and KI / Molecular Sieve catalysts was 28.52% and 34.71% in the use of the ratio of PO to methanol and the same operating conditions used in DEC synthesis. However, in DMC synthesis, the highest yield was obtained in the use of BO dehydrating agents with the same ratio and operating conditions for 4 hours of 36.84% in the use of KI / EtONa catalysts and 46.88% in the use of KI / Molecular Sieve catalysts. Based on the results of the study, it can be seen that the condition of the process parameters used has an influence on the yield of the products produced.
Based on the data obtained, optimization of the process parameters used in synthesis was carried out using Response Surface Methodology. The optimization obtained from the results of this study is to use an initial pressure of CO2 of 40 bar, a temperature of 190oC and a reaction time of 3 hours in DEC synthesis using a PO: ethanol ratio of 1: 10 and a ratio of KI: EtONa of 1: 3 obtained a yield of 24.3% where this value has almost the same value when compared to experimental results of 24.07%. Thus, the results of optimization with the BBD method can be used as a reference if later DEC synthesis is used on a larger scale.
In addition, based on the results of analysis using GC MS, it was also found that in the synthesis of DEC or DMC it also produces compounds other than the main product such as propylene glycol (PG) or butylene glycol (BG) compounds as by-products and propylene carbonate (PC) or butylene carbonate (BC) as intermediate products. For the purification of dialkyl carbonate products, separation is needed to purify the main product from its by-products or intermediate products. One widely used separation method is distillation which utilizes the phase equilibrium of a mixtures. To rational design of such separation method, vapor-liquid equilibrium (VLE) data are required. In this dissertation, the isobaric VLE data for DEC(1)+PG(2) system at 47.8kPa and DEC(1)+PC(2) system at 50 kPa were determined experimentally as well, and the data obtained were correlated well with the Wilson, NRTL and UNIQUAC models with AAD between experimental and calculation temperatures are 0.37%, 0.35% and 0.08%, respectively for DEC(1)+PG(2) system and 0.17%, 0.06%, and 0.08%, respectively for DEC(1)+PC(2) system.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Carbon dioxide, Catalytic,Dialkyl carbonate, Karbon dioksida, Katalitik, Kesetimbangan uap-cair, Sintesis, Synthesis, Vapor-Liquid Equilibrium
Subjects:	T Technology > TP Chemical technology
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Lintang Alivia Anggerta
Date Deposited:	15 Aug 2023 13:10
Last Modified:	15 Aug 2023 13:10
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/104728

Actions (login required)

View Item