REVIEW JURNAL "PRODUKSI GAS HIDROGEN SEBAGAI BAHAN BAKAR ALTERNATIF MENGGUNAKAN LIMBAH ALUMINIUM DAN METANOL"

PRODUKSI GAS HIDROGEN SEBAGAI BAHAN BAKAR ALTERNATIF

MENGGUNAKAN LIMBAH ALUMUNIUM DAN METANOL : REVIEW

Nurdini Awaliyah (1112096000061)

Jurusan Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi , Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta

Jl. Ir.H.Juanda No 95 Ciputat, Banten

nurdini.awaliyah@gmail.com

ABSTRAK

            Hidrogen sangat dimungkinkan menjadi alternatif bahan bakar masa depan. Proses produksi hidrogen dapat dilakukan secara biologi maupun secara kimiawi. Fokus penelitian ini adalah untuk memanfaatkan limbah alumunium yang belum termafaatkan secara optimal menjadi gas hidrogen yang dibutuhkan sebagai sumber fuel cell, sumber energi yang ramah lingkungan. Penelitian ini diawali dengan mencari katalis (H2SO4, NaOH, KOH dan NaCl), yang optimal untuk produksi gas hidrogen dari limbah alumunium foil. Hasil penelitian menunjukkah bahwa gas hidrogen dapat diproduksi dengan menggunakan limbah alumunium foil dan limbah alumunium dari kaleng minuman pada suasana basa (NaOH). Semakin tinggi konsentrasi NaOH, semakin cepat waktu reaksi tetapi produksi gas hidrogennya cenderung tetap.

            Sintesis hidrogen dari methanol dapat dilakukan melalui reaksi reformasi kukus metanol yang merupakan reaksi terkatalisis antara metanol dan air dalam fasa gas. Pada penelitian ini telah disintesis dua katalis Cu/ZnO/Al₂O₃ yang memiliki rasio mol Cu:Zn:Al berbeda, yaitu 1:2:0,1 (katalis I) dan 2:1:0,1 (katalis II). Pada suhu reaksi di atas 300⁰C, laju pembentukan hidrogen dengan katalis I menurun sedangkan laju pembentukan hidrogen dengan katalis II terus meningkat hingga mencapai 2,9 mol hidrogen/mol-metanol per menit pada suhu 400⁰C.

Kata kunci : Sintesis Hidrogen, alumunium, metanol

ABSTRACT

            Hydrogen is very possible to be the alternative fuel of the future . Hydrogen production process can be done biologically and chemically . The focus of this research is to utilize aluminum waste that has not been optimally termafaatkan into hydrogen gas needed as a source of fuel cell , environmentally friendly energy sources . This study begins with the search for catalysts ( H2SO4 , NaOH , KOH and NaCl ) , which is optimal for the production of hydrogen gas from waste aluminum foil . The results menunjukkah that hydrogen gas can be produced by using aluminum foil waste and waste from the aluminum beverage cans in alkaline conditions ( NaOH ) . The higher the concentration of NaOH , the faster the reaction time but tend to remain hydrogen gas production .

            Hydrogen from the methanol synthesis can be done through steam reforming of methanol reaction is catalyzed reaction between methanol and water in the gas phase . In this study, two catalysts were synthesized Cu/ZnO/Al₂O₃ having a mole ratio of Cu : Zn : Al differently ,  1:2:0,1 ( catalyst I) and 2:1:0,1 ( catalyst II ) . At reaction temperatures above 300⁰C , the rate of formation of hydrogen with a catalyst I decreased while the rate of formation of hydrogen with a catalyst II continued to increase until it reaches 2.9 mol hydrogen / mol of methanol per minute at a temperature of 400⁰C .

Keywords : Synthesis of Hydrogen , aluminum , methanol.

1.      Pendahuluan     

            Minat pada produksi gas hidrogen untuk sel bahan bakar terus meningkat, yang dipicu oleh kekhawatiran akan meningkatnya pencemaran lingkungan akibat penggunaan secara langsung bahan bakar fosil, dan tingginya harga minyak bumi. Ketika digunakan sebagai sumber energi, hidrogen tidak menghasilkan polutan seperti CO, CO2, SO₂ dan NOx. Tentu saja, suatu hidrokarbon masih diperlukan untuk menghasilkan hidrogen, tetapi sel bahan bakar memiliki efisiensi energy yang lebih baik dan dapat mengurangi lepasnya gas rumah kaca dibandingkan dengan pembakaran langsung hidrokarbon. Saat ini terdapat kecenderungan pengembangan sel bahan bakar yang menggunakan hidrokarbon cair sebagai sumber gas hidrogen. Salah satu hidrokarbon cair yang dapat digunakan sebagai sumber hidrogen adalah metanol. Melalui reaksi terkatalisis pada suhu tidak terlalu tinggi (200 – 400^oC), metanol dapat diubah menjadi gas yang kaya dengan hidrogen. Kelebihan lainnya, methanol mudah diperoleh dan dapat dihasilkan dari sumber terbarukan. Proses produksi gas hidrogen secara langsung dari hidrokarbon cair harus memenuhi beberapa syarat agar dapat diterapkan pada sel bahan bakar. Proses tersebut harus efisien, praktis, dan gas yang dihasilkannya mengandung CO sangat rendah. Pada konsentrasi beberapa ppm gas CO dapat meracuni sel bahan bakar dengan mendeaktifkan katalis (terutama Pt) pada anoda. Hidrogen dapat diperoleh secara langsung dari metanol melalui tiga proses yaitu dekomposisi metanol, oksidasi parsial metanol dan reformasi kukus metanol. Proses dekomposisi metanol dan oksidasi parsial metanol menghasilkan produk samping gas CO. Reformasi kukus metanol menjadi alternatif terbaik untuk sintesis gas hidrogen dari metanol. Reaksi ini menghasilkan gas H₂/CO₂ dengan rasio mol 3:1 dan tidak menghasilkan gas CO pada suhu reaksi di bawah 300^oC. Dengan demikian, reformasi kukus metanol menjadi proses yang cocok untuk produksi hidrogen secara langsung pada sel bahan bakar pada kendaraan.

            Produksi hidrogen secara kimiawi yang lain adalah dengan menggunakan alumunium beralkalin untuk dijadikan fuel cell alumunium alkalin udara. Fuel cell alumunium alkalin-udara adalah serangkaian anoda alumunium dalam larutan beralkalin dan gas oksigen berada di katoda yang akan menghasilkan energi listrik. Fuel cell berbasis alumunium alkalin-udara sangat ramah lingkungan karena produk sampingnya adalah air dan bahan kimia (aluminum oksida (Al₂O₃) dan aluminum hidroksida Al(OH)₃ yang dibutuhkan industry pemurnian air dan industri kertas serta alat-alat elektronik. produksi gas hydrogen dari limbah alumunium foil ini menggunakan katalis NaOH. Produksi gas hidrogen melalaui jalur ini selain memanfaatkan limbah di lingkungan sekitar juga merupakan energi yang mudah dikonversikan menjadi listrik dan bahan bakar, aman untuk lingkungan, karena tidak menyisakan limbah beracun, dan bersih, hanya air dan bahan kimia seperti aluminum hidroksida Al(OH)3 yang dapat digunakan kembali.

2.      Metode Penulisan

            Artikel ini membahas tentang perbandingan pembuatan gas hydrogen dengan i bahan yang berbeda. Dengan menggunakan sintesis hidrogen sebagai topik, maka jurnal-jurnal yang digunakan dalam artikel ini adalah :

·    Produksi Gas Hidrogen Dari Limbah Alumunium

·    Sintesis Hidrogen dari Metanol dengan Katalis Cu/ZnO/Al₂O₃

Kedua jurnal tersebut dalam artikel ini digunakan untuk perbandingan satu sama lain, sehingga diketahui bahan baku paling efektif sintesis hidrogen.

3.      Hasil Pembahasan

A.    Optimasi Penggunaan Katalis

·    Pada jurnal 1, variasi penggunaan katalis dilakukan untuk menentukan jenis katalis yang paling optimal dalam memproduksi gas hidrogen

Tabel.1 menunjukkan bahwa penggunaan katalis dalam suasana asam (H₂SO₄ dan HCl) dan katalis dalam suasana netral (NaCl) tidak bereaksi. Sebagai contoh dengan H₂SO₄ pada waktu 3 detik reaksi sudah tidak ada peningkatan tekanan. Hal ini menunjukkan bahwa baik katalis asam dan netral tidak dapat memproduksi gas hidrogen. Sebaliknya dengan menggunakan katalis basa, baik itu NaOH dan KOH memberikan tekanan akhir yang cukup tinggi, yaitu untuk 25 mL NaOH 3 M sebesar 1169 hPa dengan waktu 259 detik. Sedangkan dengan menggunakan 25 mL KOH 3 M menghasilkan tekanan yag hampir sama dengan NaOH yaitu sebesar 1101 hPa, tetapi waktunya selama 525 detik (2x lebih lama dari NaOH). Maka dari itu untuk langkah selanjutnya, katalis yang digunakan adalah NaOH. Reaksi yang berlangsung adalah :

·    Pada jurnal 2, penggunaan katalis dilakukan perbandingan mol Cu:Zn:Al katalis 1 dan katalis 2 yang berbeda yaitu1:2:0,1 dan 2:1:0,1. Hasil perbandingan dapat dilihat dari grafik

   Gambar 1 . Difraktogram katalis I

(Gambar 1) menunjukkan adanya ZnO, CuO dan Al₂O₃, dengan puncak-puncak yang cukup tajam dan intensitas tinggi, Puncak yang muncul berturut-turut pada 2⍬, 31,83^o, 34,47^o, 36,27^o, 47,65^o, 56,57^o, dan 63,01^o merupakan puncak khas untuk ZnO. Puncak khas CuO muncul berturut-turut, sedangkan Al₂O₃ tidak teramati puncak nya, disebabkan oleh kecilnya persentase Al₂O₃ dalam katalis dan diduga Al₂O₃ terdistribusi dengan sangat baik. Katalis II menunjukkan pola difraksi yang sama (Gambar 2).

   Gambar 2. Difraktogram katalis II

Katalis II menunjukkan pola difraksi yang sama (Gambar 2). Kedua difrakto-gram memiliki puncak-puncak yang cukup tajam dan dengan intensitas tinggi, yang menunjukkan bahwa oksida CuO, ZnO dan Al₂O₃ berada dalam fase kristalin. Aktifitas katalitik kedua katalis diuji pada reaksi reformasi kukus metanol yang berlangsung sesuai persamaan reaksi CH₃OH(g)+H₂O(g)          CO₂(g)+ 3H₂(g) ΔH = 49,47 kJ mol^-1 . Berdasarkan persamaan reaksi tersebut, reaksi bersifat endoterm dan jumlah maksimum mol hidrogen yang dihasilkan per satu mol methanol adalah sebanyak 3 mol.

B.     Faktor yang mempengaruhi laju reaksi

·    Pada jurnal 1, menjelaskan pengaruh konsentrasi NaOH terhadap lamanya reaksi dan produksi hidrogen dari limbah alumunium foil. Konsentrasi NaOH yang digunakan adalah 1,2,3,4 dan 5 M Pengukuran dilakukan untuk mengetahui pengaruh konsentrasi larutan NaOH terhadap laju pembentukan gas hidrogen. Gambar 3 menunjukkan bahwa konsentrasi NaOH yang menghasilkan gas hydrogen terbesar adalah saat konsentrasi NaOH 2 M yaitu sebesar 1230 hPa. NaOH 1 M menghasilkan gas hidrogen paling sedikit yaitu sebesar 1184 hPa dan membutuhkan waktu paling lama sebesar 745 detik. Gambar 3 dengan jelas memperlihatkan tidak adanya hubungan antara meningkatnya konsentrasi NaOH dengan jumlah gas hidrogen yang dihasilkan. Gambar 1 menunjukkan adanya hubungan antara meningkatnya konsentrasi NaOH dengan peningkatan laju pembentukan gas hidrogen. Saat konsentrasi 1 M, waktu yang diperlukan sebesar 730 detik. Saat konsentrasi 2 M, waktu yang diperlukan 525 detik. Waktu yang diperlukan terus berkurang dengan bertambahnya konsentrasi NaOH. Pada konsentrasi NaOH 5 M, waktu yang diperlukan untuk pembentukan gas hidrogen semakin singkat, yaitu selama 245 detik. Meningkatnya konsentrasi ini mempengaruhi kecepatan limbah alumunium yang bereaksi untuk menghasilkan hidrogen. Semakin besar konsentrasi yang dipakai maka semakin cepat waktu yang diperlukan untuk produksi gas hidrogen. Gambar 3 juga menunjukkan bahwa meningkatnya konsentrasi NaOH tidak berpengaruh terhadap tekanan gas atau hidrogen yang dihasilkan.

Gambar 3. Hubungan antara konsentrasi NaOH terhadap waktu reaksi dan tekanan, tekanan awal = 1016 hPa =1,002714 atm, V= 0,13L

·    Pada jurnal 2, menjelaskan pengaruh suhu  dan luas permukaan terhadap lamanya reaksi dari produksi hidrogen dari metanol. Keaktifan kedua katalis (yang dinyatakan sebagai laju pembentukan H₂) pada berbagai suhu reaksi ditunjukkan pada Gambar 4. Pada suhu di bawah 350^oC, katalis I menunjukkan keaktifan yang lebih tinggi daripada katalis II. Sedangkan pada suhu di atas 350^oC keaktifan katalis II melampaui keaktifan katalis I. Keaktifan katalis I meningkat dengan kenaikan suhu reaksi dan mencapai laju maksimum sebesar 1,9 mol hidrogen/mol metanol per menit pada 300^oC. Peningkatan suhu reaksi lebih lanjut (di atas 300^oC) menyebabkan berkurangnya keaktifan katalis I. Keaktifan katalis II, yang pada suhu rendah jauh lebih kecil daripada katalis I, terus bertambah seiring meningkatnya suhu reaksi dan mencapai laju pembentukan hidrogen sebesar 2,9 mol hidrogen/mol metanol per menit. Sampai pada suhu 400^oC, suhu reaksi paling tinggi yang dicoba pada penelitian ini, keaktifan katalis II masih menunjukkan kecenderungan peningkatan.

Gambar 4  Kurva laju pembentukan hidrogen pada berbagai suhu dari katalis I dan katalis II.

Pengukuran luas permukaan kedua katalis secara isoterm BET menggunakan gas nitrogen sebagai adsorbat menunjukkan bahwa katalis I dengan komposisi Cu yang lebih rendah justru memiliki luas permukaan yang lebih tinggi (43,2 m2/g) daripada luas permukaan katalis II (17,8 m2/g). Perbedaan luas permukaan ini dapat dijadikan indikasi bahwa pada katalis I Cu terdistribusi dengan lebih baik dan lebih banyak berada di permukaan dibandingkan pada katalis II. Lebih besarnya luas permukaan katalis I sesuai dengan keaktifannya yang lebih tinggi pada suhu reaksi di bawah 300^oC. Walaupun bertindak sebagai pusat aktif, peningkatan persentase Cu tidak menjadikan katalis II lebih aktif pada suhu rendah. Hal ini menunjukkan bahwa ZnO tidak hanya bertindak sebagai pendukung (support) tetapi turut terlibat dalam reaksi. Peningkatan komposisi Cu mendorong terbentuknya partikel kristalin CuO yang lebih besar dan lebih resisten terhadap reduksi. Kombinasi keduanya menyebabkan lebih rendahnya keaktifan katalis II daripada katalis I pada suhu rendah. Pada sisi lain, lebih kecilnya partikel CuO, yang kemudian menjadi partikel Cu setelah reduksi, pada katalis I menyebabkan katalis I lebih rentan terhadap sintering. Hal ini yang menyebabkan berkurangnya keaktifan katalis I pada suhu tinggi.

4.      Kesimpulan

            Berdasarkan kedua jurnal tersebut disimpulkan bahwa pada jurnal 1 optimasi katalis terbaik yaitu dengan menggunakan katalis basa NaOH, karena NaOH memberikan tekanan akhir yang cukup tinggi dan waktu yang relative singkat dibandingkan katalis, yaitu untuk 25 mL NaOH 3 M sebesar 1169 hPa dengan waktu 259 detik. Sedangkan pada jurnal 2, katalis terbaik yaitu menggunakan katalis 2 (Cu/ZnO/Al₂O₃) dengan perbandingan mol Cu:Zn:Al sebesar 2:1:0,1. pada suhu di atas 350^oC katalis yang kedua yang lebih aktif. Perbedaan profil keaktifan terhadap suhu kedua katalis ini disebabkan oleh perbedaan distribusi partikel Cu dan kerentanan terhadap sintering.

Daftar Pustaka

Agrell, J.; et. all. J. Catal., 2003, 219, 389-403.

Choi, Y.; Stenger, H. G. J. Power Sources, 2005,. 142, 81-91.

Dian, Yusraini Inayati Siregar., Produksi Gas Hidrogen Dari Limbah Alumunium., 2010., Valensi Vol. 2 No. 1, Nop 2010 (362-367)., Issn : 1978 - 8193

Marsih, I Nyoman., Firmansyah, Dudi Adi., Onggo, Djulia., Makertihartha, I. G. B.N., 2006., Sintesis Hidrogen dari Metanol dengan Katalis Cu/ZnO/Al2O3., Vol. 1 (1), 2006, h. 13-16.

Kulakov, E., Ross, A.F., Alumunium Energi for Fuel Cells: Using an Energi Source that is Both Plentiful and Fully Recyclable Will Dramatically Enhance its Utilization and Provide Benefits Globally., ALTEK FUEL GROUP.INC, (2007)

Okada, Osamu, Echigo, Mitsuaki, United States Patents 6, 2005, 844(292), 1-8.

 Twigg, M.V.; Spencer, M.S. Topics in Catalysis 22, 2003, 191-203.