Sintesis, Karakterisasi dan Aplikasi Katalis Zirkonia Mesopori Tersulfatasi dengan Promotor Al2O3 dan Fe2O3 untuk Hidrolisis Selulosa

ADDY RACHMAT, Prof. Karna Wijaya, M.Eng.

2018 | Disertasi | DOKTOR KIMIA

Sintesis zirkonia dengan modifikasi luas permukaan, ukuran pori dan keasaman telah berhasil dilakukan. Modifikasi dilakukan dengan variasi suhu kalsinasi (400-700 derajat celsius), penambahan CTAB dalam prekursor sintesis dalam beberapa rasio mol zirkonil terhadap CTAB (1, 3, dan 9) dan perlakuan (NH4)2SO4 sebelum kalsinasi. Material zirkonia mesopori tersulfatasi (MZS) ini dijadikan bahan dasar katalis untuk proses impregnasi lebih lanjut dengan promotor Al2O3 dan Fe2O3. Karakterisasi katalis MZS dengan bantuan berbagai instrumen dan metode menunjukkan suhu kalsinasi 600 derajat celsius menghasilkan fasa kristal yang didominasi oleh struktur tetragonal, luas permukaan yang tinggi (147 m2/g) dan diameter pori pada kategori mesopori 66 angstrom (6,6 nm). Tipe histeresis menunjukkan H3 untuk pori berbentuk baji atau celah dan sifat keasaman yang kuat dan derajat kristalinitas yang tinggi. Penambahan CTAB dalam prekursor membantu dalam pembentukan pori material yang besar pada MZ (125,5 angstrom). Perbandingan zirkonil/CTAB pada rasio 3 menghasilkan diameter pori yang lebih besar dari rasio 1 dan 9. Hasil uji katalis MZS terhadap esterifikasi asam laurat menghasilkan persen hasil metil laurat diatas 87% untuk katalis MZS500, MZS600, MZS700, MZS 3 dan MZS 9. Impregnasi promotor Al2O3 dan Fe2O3 dengan metode incipient wetness (masing-masing 1, 2, dan 5%) menunjukkan tingkat pemuatan katalis cukup baik walaupun adanya ketidakhomogenan distribusi akibat distribusi pori yang tidak seragam. Hasil analisis XRD mengkonfirmasi terbentuknya struktur dominan berupa tetragonal dalam kristal zirkonia. Kenaikan luas permukaan spesifik teridentifikasi sejalan dengan kenaikan jumlah promotor yang diimpregnasikan. Al5-MZS dan Fe5-MZS memperlihatkan luas permukaan yang besar masing-masing 170 dan 180 m2/g yang dikonfirmasi oleh citra TEM dan keasaman yang tinggi (10,5268 dan 9,7433 mmol NH3/g). Aplikasi katalis pada hidrolisis selulosa dengan rasio katalis/selulosa 0,5 menunjukkan suhu 150 derajat celsius menghasilkan glukosa lebih banyak dibanding 130 derajat celsius. Katalis Al2-MZS merupakan katalis promotor Al2O3 dengan hasil glukosa terbesar (3658 ppm) untuk hidrolisis selulosa selama 5 jam. Katalis dengan promotor Fe2O3 memperlihatkan hasil glukosa terbanyak (5024 ppm) oleh katalis Fe5-MZS pada hidrolisis selulosa selama 24 jam

Synthesis of zirconia with modification of surface area, pore size and acidity were successfully conducted by addition of CTAB precursor and sulfate treatment. The solid acid catalysts were prepared in vaious calcination temperature (400-700 degree of C), zirconyl to CTAB ratio (1, 3 and 9) and (NH4)2SO4 treatment prior calcination. The amorphous materials labelled as MZS were subjected for further treatment by incipient wetness impregnation with Al2O3 and Fe2O3 promoters. MZS catalyst was characterized by using several instruments and method showed tetragonal phase as dominat crystal structure after calcined at 600 degree of C with high surface area (147 m2/g) and large pore diameter of mesopore type 66 angstrom (6,6 nm). Hysteresis loop showed H3 type for wedge or slit-shaped pore. The materials also exhibited high acidity and crystallinity. The addition of CTAB on synthesis precursor assisted pore formation of larger size in MZ (125,5 angstrom). Zirconyl to CTAB ratio at 3 gave bigger pore diameter compare to ratio 1 dan 9. Catalytic activity test on lauric acids esterification over MZS catalysts resulted in yield of methyl lauric above 87% for MZS500, MZS600, MZS700, MZS 3 and MZS 9 catalysts. Impregnation of Al2O3 and Fe2O3 promoters through incipient wetness method (1, 2 and 5%) displayed good catalyst loading although suffer from inhomogeinity due to broad pore size distribution. XRD analysis result confirmed the dominant crystal structure as tetragonal. Gas sorption analyzer indicate an increase in specific surface area along with increase amount of promoters impregnated. Al5-MZS and Fe5-MZS has the highest surface area 170 and 180 m2/g respectively which was supported by TEM image and showed high acidity (10.5268 and 9.7433 mmol NH3/g). The application of catalysts on cellulose hydrolysis using catalyst to cellulose ratio 0.5 showed best result at higher temperature i.e. 150 degree of C. Among Al-promoters, Al2-MZS gave highest glucose yield after 5 hours reaction (3658 ppm) whereas for Fe-promoters, Fe5-MZS gave the best result of 5024 ppm glucose after 24 hours reaction

Kata Kunci : sulfated zirconia mesopore, Al2O3, Fe2O3, cellulose hydrolysis