Sintesis Aerogel Karbon Tersulfonasi sebagai Katalis Asam Padat dan Aplikasinya dalam Reaksi Esterifikasi

Suryandari, Ade Sonya (2024) Sintesis Aerogel Karbon Tersulfonasi sebagai Katalis Asam Padat dan Aplikasinya dalam Reaksi Esterifikasi. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7008211003_Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2026. Download (10MB) | Request a copy

Abstract

Biodiesel merupakan sumber energi alternatif yang menjanjikan sebagai pengganti bahan bakar fosil yang dapat dihasilkan melalui proses esterifikasi, yaitu adalah reaksi produksi senyawa ester dengan mereaksikan alkohol dengan asam lemak dengan adanya katalis asam. Biodiesel dapat dihasilkan melalui reaksi transesterifikasi minyak nabati pangan dan katalis homogen dari golongan basa kuat diantaranya NaOH dan KOH. Berkaitan dengan kompetisi dalam hal ketersediaan bahan baku minyak pangan dan sulitnya pemisahan katalis homogen dari produk biodiesel, mendorong peneliti untuk menggunakan minyak non-pangan dan katalis heterogen sebagai upaya menekan biaya produksi biodiesel. Minyak non-pangan umumnya mengandung asam lemak bebas yang tinggi sehingga rute reaksi esterifikasi dengan penambahan katalis asam padat banyak dipilih untuk mengkonversi asam lemak bebas menjadi produk ester (biodiesel). Karbon tersulfonasi merupakan salah satu katalis asam padat yang banyak diaplikasikan pada reaksi esterifikasi asam lemak rantai panjang dengan alkohol untuk menghasilkan produk biodiesel. Material karbon memiliki beberapa keunggulan diantaranya memiliki ketahanan termal serta stabilitas pada kondisi asam maupun basa yang baik. Penelitian ini berfokus pada pemanfaatan sabut kelapa sebagai bahan baku aerogel selulosa yang selanjutnya dikonversi menjadi aerogel karbon melalui proses pirolisis. Selanjutnya aerogel karbon disulfonasi dan dimodifikasi hidrofobik untuk dijadikan katalis asam padat pada reaksi esterifikasi asam lemak dengan alkohol rantai pendek untuk menghasilkan produk biodiesel. Pada bab 2, katalis asam padat hidrofobik berhasil disintesis melalui proses pirolisis aerogel selulosa yang berasal dari sabut kelapa dengan asam sulfanilat sebagai agen sulfonasi dan 4-tert-butilanilin (TBA) sebagai agen hidrofobik. Luas permukaan spesifik tertinggi sebesar 3911,047 m2 g−1 dicapai pada suhu 700 ℃, dan sampel ini diproses lebih lanjut untuk sulfonasi dan hidrofobisasi. Hidrofobisitas permukaan katalis dapat dikendalikan dengan pencangkokkan TBA melalui metode reduksi diazonium ke permukaan karbon tersulfonasi. Penelitian ini mengungkapkan bahwa acid density dan luas permukaan spesifik bukan satu-satunya parameter yang mempengaruhi kinerja katalis. Hidrofobisitas permukaan katalis asam padat juga berperan penting dalam kinerja katalitik katalis untuk reaksi esterifikasi asam lemak rantai pendek dengan etanol yang menghasilkan air sebagai produk samping. Pada bab 3, proses pretreatment feedstock selulosa dari sabut kelapa dimodifikasi dan diikuti dengan variasi fraksi massa pulp selulosa untuk mendapatkan aerogel selulosa dengan kekuatan mekanis yang baik. Proses pretreatment meliputi perlakuan basa dengan larutan NaOH 17,5% dan bleaching dengan larutan H2O2 3%. Hasil penelitian menunjukkan semakin banyak jumlah pulp selulosa dalam campuran dapat menyebabkan berkurangnya fraksi rongga kosong (void) dalam gel sehingga aerogel mengalami kenaikan massa dan penurunan porositas. Aerogel karbon dengan luas permukaan spesifik tertinggi (SBET) mencapai 1655,10 m2 g−1 dicapai pada fraksi massa pulp selulosa 6,39% dan suhu pirolisis 700 ℃. Aerogel karbon yang dihasilkan pada suhu 500−700 ℃ ketiganya memiliki struktur berpori pada permukaannya dan tampak jaringan serat tiga dimensi yang saling berhubungan yang susunannya menyerupai jaringan aerogel selulosa semula. Hal ini membuktikan bahwa aerogel selulosa yang dihasilkan dari proses pelarutan dengan sistem pelarut NaOH-urea dan gelasi pada suhu dibawah 0 ℃ relatif tahan terhadap pemanasan pada suhu tinggi. Pada bab 4, sulfonasi permukaan aerogel karbon dilakukan dengan menggunakan dua agen sulfonat yang berbeda yaitu asam sulfat dan asam sulfanilat. Selain itu, modifikasi hidrofobik pada aerogel karbon tersulfonasi juga dilakukan dengan menggunakan TBA. Hasil penelitian menunjukkan bahwa aerogel karbon yang disulfonasi dengan asam sulfat memiliki nilai acid density yang lebih tinggi dibanding asam sulfanilat namun permukaannya bersifat hidrofilik. Sedangkan penambahan TBA pada kedua sampel aerogel karbon tersulfonasi terbukti dapat memberikan efek hidrofobik pada permukaan katalis asam padat. Meskipun permukaannya bersifat hidrofilik dan memiliki luas permukaan spesifik yang lebih rendah, namun katalis aerogel karbon tersulfonasi asam sulfat menghasilkan konversi yang lebih tinggi mencapai 93,76% dibandingkan katalis tersulfonasi asam sulfanilat yang konversinya hanya mencapai 46,98%. Hal ini membuktikan bahwa untuk reaksi esterifikasi asam lemak rantai panjang, nilai acid density yang merepresentasikan jumlah sisi asam juga menjadi salah satu faktor utama yang mempengaruhi performa reaksi katalitik selain luas permukaan spesifik dan hidrofobisitas. Pada bab 5, katalis aerogel karbon tersulfonasi dengan agen sulfonat asam sulfat berhasil diaplikasikan pada reaksi esterifikasi asam oleat-metanol dengan konversi mencapai 84−98% pada suhu reaksi 55−70 ℃. Model kinetika reaksi homogen untuk reaksi orde pertama dan orde kedua digunakan untuk menguji data eksperimen. Hasil fitting mengungkapkan bahwa reaksi esterifikasi asam oleat-metanol lebih mendekati kinetika reaksi elementer homogen orde dua. Selain itu, model kinetika reaksi Eley−Rideal juga digunakan untuk mendapatkan nilai parameter konstanta laju reaksi esterifikasi asam oleat-metanol. Dari nilai konstanta laju reaksi hasil perhitungan diketahui bahwa model reaksi pada permukaan katalis lebih dominan dibandingkan dengan model hambatan difusi. Hasil ini selaras dengan nilai Modulus Thiele yang menunjukkan bahwa reaksi esterifikasi asam oleat-metanol lebih dikendalikan oleh reaksi pada permukaan pori katalis dibandingkan dengan hambatan difusi pada katalis.
====================================================================================================================================
Biodiesel is a promising alternative energy source as a substitute for fossil fuels which can be produced through the esterification process, which is a reaction for the production of ester compounds by reacting alcohol with fatty acids in the presence of an acid catalyst. Biodiesel can be produced through the transesterification reaction of food vegetable oil and a homogeneous catalyst from a group of strong bases including NaOH and KOH. Due to competition in terms of availability of food oil raw materials and the difficulty of separating homogeneous catalysts from biodiesel products, this has encouraged researchers to use non-food oils and heterogeneous catalysts as an effort to reduce biodiesel production costs. Non-food oils generally contain high levels of free fatty acids, so the esterification reaction route with the addition of a solid acid catalyst is often chosen to convert free fatty acids into ester products (biodiesel). Sulfonated carbon is a solid acid catalyst that is widely applied in the esterification reaction of long chain fatty acids with alcohol to produce biodiesel products. Carbon materials have several advantages, including good thermal resistance and stability in acidic and alkaline conditions. This research focuses on the use of coconut fiber as raw material for cellulose airgel which is then converted into carbon airgel through a pyrolysis process. Next, the carbon airgel is sulfonated and hydrophobically modified to be used as a solid acid catalyst in the esterification reaction of fatty acids with short chain alcohols to produce biodiesel products. In chapter 2, a hydrophobic solid acid catalyst was successfully synthesized through the pyrolysis process of cellulose airgel derived from coconut fiber with sulfanilic acid as a sulfonation agent and 4-tert-butylaniline (TBA) as a hydrophobic agent. The highest specific surface area of ​​3911.047 m2 g−1 was achieved at 700 ℃, and this sample was further processed for sulfonation and hydrophobization. The hydrophobicity of the catalyst surface can be controlled by grafting TBA via the diazonium reduction method onto the sulfonated carbon surface. This research reveals that acid density and specific surface area are not the only parameters that influence catalyst performance. The surface hydrophobicity of solid acid catalysts also plays an important role in the catalytic performance of catalysts for the esterification reaction of short chain fatty acids with ethanol which produces water as a by-product. In chapter 3, the pretreatment process for cellulose feedstock from coconut fiber is modified and followed by variations in the mass fraction of cellulose pulp to obtain cellulose airgel with good mechanical strength. The pretreatment process includes alkaline treatment with 17.5% NaOH solution and bleaching with 3% H2O2 solution. The results of the research show that increasing the amount of cellulose pulp in the mixture can cause a reduction in the void fraction in the gel so that the airgel experiences an increase in mass and a decrease in porosity. Carbon airgel with the highest specific surface area (SBET) reaching 1655.10 m2 g−1 was achieved at a cellulose pulp mass fraction of 6.39% and a pyrolysis temperature of 700 ℃. The carbon airgels produced at temperatures of 500−700 ℃ all have a porous structure on their surface and appear to be a network of interconnected three-dimensional fibers whose arrangement resembles the original cellulose airgel network. This proves that the cellulose airgel produced from the dissolution process with the NaOH-urea solvent system and gelation at temperatures below 0 ℃ is relatively resistant to heating at high temperatures. In chapter 4, surface sulfonation of carbon airgel was carried out using two different sulphonic agents, namely sulfuric acid and sulfanilic acid. In addition, hydrophobic modification of sulfonated carbon airgel was also carried out using TBA. The research results show that carbon airgel sulfonated with sulfuric acid has a higher acid density value than sulfanilic acid but the surface is hydrophilic. Meanwhile, the addition of TBA to the two sulfonated carbon airgel samples was proven to provide a hydrophobic effect on the surface of the solid acid catalyst. Even though the surface is hydrophilic and has a lower specific surface area, the sulfuric acid sulfonated carbon airgel catalyst produces a higher conversion reaching 93.76% compared to the sulfanilic acid sulfonated catalyst whose conversion only reaches 46.98%. This proves that for the esterification reaction of long chain fatty acids, the acid density value which represents the number of acid sites is also one of the main factors influencing the performance of the catalytic reaction besides specific surface area and hydrophobicity. In chapter 5, a sulfonated carbon airgel catalyst with sulfuric acid sulfonic agent was successfully applied to the oleic acid-methanol esterification reaction with a conversion reaching 84−98% at a reaction temperature of 55−70 ℃. Homogeneous reaction kinetics model

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	cellulose aerogel, pyrolysis, sulfonated carbon aerogel, hydrophobic carbon modification, esterification, reaction kinetics aerogel selulosa, pirolisis, aerogel karbon tersulfonasi, modifikasi karbon hidrofobik, esterifikasi, kinetika reaksi
Subjects:	T Technology > TP Chemical technology > TP359.B46 Biodiesel fuels.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Ade Sonya Suryandari
Date Deposited:	14 Aug 2024 01:17
Last Modified:	14 Aug 2024 01:17
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/115370

Actions (login required)

View Item