## HIDRORENGKAH FRAKSI BERAT MINYAK BUMI MENGGUNAKAN KATALIS LEMPUNG TERPILAR ALUMINIUM BERPENGEMBAN NIKEL

## Adi Darmawan
Laboratorium Kimia Anorganik Jurusan Kimia
Fakultas MIPA Universitas Diponegoro Semarang 50275

## ABSTRAK
Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi katalis lempung terpilar aluminium berpengemban nikel  dari  bahan  lempung  alam.  Sintesis  dilakukan  dengan  interkalasi  polikation  Al  pada  suspensi lempung.  Lempung  terpilar  selanjutnya  diimpregnasi  dengan  Ni  dan  dialiri  gas  N 2 ,  O 2 dan  H 2 .  Uji aktivitas katalitik lempung terpilar dilakukan terhadap reaksi hidrorengkah fraksi 200-300 ° C minyak bumi. Analisis fasa cair minyak bumi hasil perengkahan dilakukan dengan menggunakan kromatografi gas. Hasil aplikasi pada hidrorengkah menunjukkan hahwa katalis lempung terpilar dapat melakukan konversi yang baik pada fraksi C l8 - ke atas dan lebih selektif terhadap fraksi C 13 -C 17 .
Kata Kunci: Lempung terpilar Al, Impregnasi, hidrorengkah

## THE HIDROCRACKING OF PETROLEUM HEAVY FRACTION USING ALUMINIUM PILLARED CLAYS IMPREGNATED BY NICKEL

## ABSTRACT
Aluminium pillared clay catalysts impregnated by Ni have been synthesized by using natural clay and then characterized. The synthesis was conducted by Al polycation on clay suspension. Pillared clay's catalytic activities were tested for hydrocracking of oil heavy fraction (200-300 ° C). Liquid phase of product was analyzed by gas chromatography. Catalytic activity showed that pillared clay catalyst gave better conversion on C 18-up fraction and better selectivity on C 13 -C 17 fraction
Key words: Al pillared clays, impregnation, hydrocracking

## PENDAHULUAN
Telah  diketahui  bahwa  zeolit  dapat  menjadi pengemban  katalis  ( catalyst  support )  pada proses  hidrorengkah  minyak  bumi  (Weitkamp, 2000). Namun demikian masalah mendasar yang terjadi pada zeolit adalah ukuran pori yang relatif kecil  sehingga  sulit  bagi  residu  minyak  bumi berfraksi  tinggi  untuk secara cepat  berdifusi  ke dalamnya yang berakibat efektifitasnya berkurang  (Vaughan,  1988).  Oleh  karena  itu penelitian terbaru diarahkan pada rekayasa untuk membuat  pori  yang  lebih  besar  seperti  pada keluarga M41S di antaranya MCM 41 dan MCM 48 (Weitkamp, 2000).
Lempung sebagai mineral alam yang melimpah mempunyai lapisan-lapisan yang dapat mengembang  yang  dengan  proses  pertukaran kation  dapat  disisipi  dengan  gugus  bermuatan positif  baik  yang  kecil  maupun  meruah
(Figueras,  1988).  Jika  daerah  antar  lapisan lempung  dimasuki  oleh  gugus  meruah  dan dilanjutkan  dengan  kalsinasi  akan  membentuk tiang-tiang  penyangga  lapisan.  Adanya  tiang- tiang ini menghasilkan suatu sistem pori seperti pada  zeolit.  Dengan  adanya  kemiripan  struktur antara zeolit dengan lempung terpilar dimungkinkan  untuk  memanfaatkan  lempung sebagai  katalis  atau  sebagai  pengemban  katalis pada proses hidrorengkah minyak bumi.
Lempung terpilar pertama kali dibuat pada akhir 1974  dalam  suatu  program  untuk  menemukan suatu  katalis  perengkahan  minyak  bumi.
Aplikasi  lempung  terpilar  sebagai  katalis perengkahan  mengalir  (FCC)  dilakukan  oleh Vaughan (Figueras, 1988). Perbandingan dilakukan  antara  Al-PILC,  Zr-PILC,  katalis silika-alumina amorf, dan katalis zeolit komersial melalui test aktivitas mikro. Aktivitas
katalitik  lempung  terpilar  lebih  tinggi  daripada aluminosilikat  amorf.  Bilangan  oktan  bensin yang dihasilkan oleh PILC lebih tinggi daripada yang  dihasilkan  oleh  katalis  zeolit,  tetapi pembentukan arang ( coke ) juga lebih tinggi pada
PILC.
Penelitian lanjutan dilakukan oleh Figueras et al
(1986) dengan membandingkan beberapa lempung  terpilar.  Umpan  ( feed )  lebih  berat daripada  yang  dilakukan  oleh  Vaughan  dan suhupun  lebih  tinggi  hingga  530 o C.  Aktivitas katalis  yang  teramati  setelah  pengaliran  uap ( steaming )  pada  650 o C  selama  17  jam  lebih tinggi daripada aktivitas zeolit yang dialiri pada 775 o C  tetapi  selektivitas  untuk  bensin  lebih rendah  dan  pembentukan  arang  ( coke )  lebih tinggi. Adanya fakta bahwa kehilangan sebagian besar  luas  permukaan  karena  pengaliran  gas tanpa  memberikan  pengaruh  pada  aktivitas katalitik  menunjukkan  adanya  keterbatasan difusi ( diffusional limitations ) pada kinetikanya.
Aktivitas yang lebih tinggi teramati untuk PILC dengan  ukuran  partikel  yang  lebih  kecil  (0,2  m).
Keterbatasan  PILC  yang  menghasilkan  arang yang  tinggi  mengharuskan adanya  upaya untuk memanfaatkan  PILC  dalam  proses  pengolahan minyak  bumi  selain  proses  FCC  misalnya hidrorengkah  gas  berat  yang  tidak  terlalu mensyaratkan  stabilitas  hidrotermal,  produksi arang  dan  konformasi  katalis.  Pada  proses hidrorengkah,  katalis  yang  digunakan  adalah katalis  dwifungsi  di  mana  reaksi  hidrogenasi- dehidrogenasi terjadi pada logam misalnya pada Ni,  Pt  atau  Pd,  sementara  reaksi  perengkahan terjadi  pada  pusat  asam  yang  berada  pada struktur kerangka aluminosilikat.

## METODA PENELITIAN
Jalan  penelitian  ini  meliputi  pembuatan  katalis lempung  terpilar  dan  aplikasi  lempung  terpilar yang  dihasilkan  pada  proses  hidrorengkah minyak bumi.
Pembuatan katalis lempung terpilar Aluminium  teremban  Ni .  Pembuatan  katalis lempung  terpilar  aluminium  diawali  dengan pembuatan larutan polikation aluminium,
AlCl 3 .6H 2 O  dilarutkan  dengan  menambahkan NaOH dengan rasio mol OH - /Al 3+ = 2. Larutan pemilar yang telah dibuat kemudian ditambahkan sedikit demi sedikit pada suspensi 3%  dan  diaduk  selama  24  jam.  Sebelumnya lempung  telah  disuspensi  selama  3  jam.
Konsentrasi  Al 3+ pada  suspensi  akhir  masing- masing adalah 0,06 M dan rasio [Al 3+ ]/lempung adalah 3 mmol/g lempung. Suspensi disaring dan dicuci bersih dengan dialisis hingga ion klorida hilang dengan uji menggunakan larutan AgNO 3 .
Kemudian  padatan  yang  didapat  dikeringkan pada suhu 75 o C kemudian dikalsinasi pada suhu 400 o C  selama  5  jam  dengan  kecepatan pemanasan 4 o C/menit.
Empat gram lempung yang telah terpilar Al atas ditambah  15  mL  larutan  Ni(NO 3 ) 2 .6H 2 O  0,5%, 1%,  2%,  4%,  8%  dan  16%.  Suspensi  diaduk dengan pengaduk magnetik selama satu jam dan dikeringkan dalam oven pada suhu 105 o C selama satu malam. Padatan hasil impregnasi dipanaskan  pada  suhu  300 o C  berturut-turut  di bawah aliran gas N 2 selama 4 jam, gas O 2 selama 3 jam dan gas H 2 selama 3 jam.
Uji  aktivitas  katalis  hasil  sintesis ,  dilakukan dalam  proses  hidrorengkah  senyawa-senyawa komponen minyak bumi pada fraksi 200 o –300 o C menggunakan  set reaktor  uji  katalisis.  Suhu  uji katalisis  adalah  350 o C.  Uji  hasil  perengkahan dianalisis  menggunakan  kromatografi  gas. Setiap  peak  yang  diperoleh  dibandingkan dengan  peak  dari  fraksi  umpan  awal.  Data kromatogram  dianalisis  untuk  menentukan komposisi fraksi, selektivitas, konversi individu dan  konversi  total  sesuai  dengan  metode  yang digunakan Arroyo et al (2000)

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Komposisi Fraksi Minyak Bumi
Analisis kromatogram GC menunjukkan bahwa terjadi  pergeseran  komposisi  minyak  bumi (gambar.1).  Pengurangan  terutama  terjadi  pada fraksi berat (C 18 ke atas). Besarnya pengurangan bervariasi  untuk  masing-masing  katalis,  tanpa mengikuti  pola  tertentu.  Tetapi  semua  katalis menunjukkan  penurunan  fraksi  berat  (C 18 ke atas) dan kenaikan komposisi fraksi yang lebih ringan.  Kenaikan  fraksi  C 13 -C 17 umumnya sedikit  sedangkan  fraksi  C 11 -C 12 semuanya mengalami kenaikan. Untuk fraksi gas hasilnya bervariasi.
Gambar 1.  Komposisi  fraksi  minyak  bumi sebelum dan sesudah perengkahan
Dari  gambar  2  dapat  dilihat  bahwa  proses perengkahan  katalitik  menggunakan  lempung terpilar umumnya selektif menghasilkan produk C 11 -C 12 dan C 13 -C 17. Rendahnya selektivitas pada fraksi rendah (C 5 -C 10 ) lebih disebabkan kendala teknis berupa sulitnya mengoleksi fraksi gas di bawah suhu 0 o C yang cukup banyak dihasilkan selama  waktu  perengkahan.  Hal  ini  diperkuat dengan data pada konversi individu (gambar 3) yang  menunjukkan  bahwa  fraksi  ringan terkonversi  sempurna.  Sementara  selektivitas yang  rendah  pada  fraksi  berat,  menunjukkan bahwa proses hidroisomerisasi pada fraksi berat rendah  dan  sebagian  besar  fraksi  C 18 ke  atas terkonversi ke fraksi yang lebih rendah.
Dilihat komposisi fraksinya metode impregnasi menghasilkan  katalis  lempung  terpilar  yang cenderung  memberikan  produk  fraksi  minyak
gas (C 13 -C 17 ) yang lebih banyak daripada fraksi C 11 -C 12. Menurut Occelli (1997) fungsi hidrogenasi (logam) lebih disukai dalam bentuk oksida  atau  sulfidanya  daripada  dalam  bentuk logam  netral.  Artinya  Ni  yang  berada  dalam bentuk  oksida  melakukan  perengkahan  yang lebih baik daripada dalam bentuk logam netral.
Katalis  yang  mempunyai  keasaman  dan kristalinitas yang tinggi seperti Ni 0,5% dan Ni 4%  menghasilkan  fraksi  ringan  yang  lebih banyak.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  lempung pilar  yang  memiliki  situs  asam  (yang  diwakili oleh  angka  keasaman)  dan  kristalinitas  (yang diwakili  oleh  intensitas  difraktogram)  yang tinggi akan dapat melakukan perengkahan yang lebih baik.
Dari gambar 3 terlihat bahwa umumnya  katalis melakukan  konversi  yang  baik  pada  fraksi minyak  gas  berat  (C 18 ke  atas).  Tingginya konversi individu pada fraksi ringan C 5 -C 10 lebih disebabkan karena fraksi ringan C 5 -C 10 mempunyai konsentrasi yang sangat rendah pada umpan  (lihat  gambar  1)  sehingga  mudah  bagi fraksi ringan untuk terkonversi habis, di samping adanya  kendala  teknis  untuk  mengumpulkan fraksi ringan.

## Selektivitas Perengkahan Minyak Bumi
Gambar 2.  Grafik selektivitas perengkahan
Konversi Individu 0,4 86 2,6 47 6,0 78 0,7 36 1,3 98 4,8 37 1,0 62 1,8 91 6,4 48 20 ,99 1 15 ,24 2 10 ,83 3 26 ,92 7 15 ,75 9,4 37 17 ,57 2 49 ,50 4 56 ,80 2 52 ,92 5 54 ,85 50 ,67 1 56 ,63 2 54 ,56 6 54 ,96 3 43 ,56 2 19 ,56 25 ,75 5 33 ,58 1 21 ,00 3 22 ,78 1 34 ,93 4 25 ,57 4 0 10 20 30 40 50 60 F e e d T a n p a Ni N i 0 ,5 % N i 1 % N i 2 % N i 4 % N i 8 % N i 1 6 % C 5 -C 10 C 11 -C 12 C 13 -C 17 C 18 ke atas 0,4 86 2,6 47 6,0 78 0,7 36 1,3 98 4,8 37 1,0 62 1,8 91 6,4 48 20 ,99 1 15 ,24 2 10 ,83 3 26 ,92 7 15 ,75 9,4 37 17 ,57 2 49 ,50 4 56 ,80 2 52 ,92 5 54 ,85 50 ,67 1 56 ,63 2 54 ,56 6 54 ,96 3 43 ,56 2 19 ,56 25 ,75 5 33 ,58 1 21 ,00 3 22 ,78 1 34 ,93 4 25 ,57 4 0 10 20 30 40 50 60 F e e d T a n p a Ni N i 0 ,5 % N i 1 % N i 2 % N i 4 % N i 8 % N i 1 6 % C 5 -C 10 C 11 -C 12 C 13 -C 17 C 18 ke atas Metode Pengembanan Tak Langsung 0 10 20 30 40 50 60 70 C 5 - C 10 C 11 - C 12 C 13 - C 17 C 18 - ke atas Ni 0,5% Ni 1% Ni 2% Ni 4% Ni 8% Ni 16% 0 10 20 30 40 50 60 70 C 5 - C 10 C 11 - C 12 C 13 - C 17 C 18 - ke atas Ni 0,5% Ni 1% Ni 2% Ni 4% Ni 8% Ni 16% Metode Pengembanan Tak Langsung 0 20 40 60 80 100 C 5 - C 10 C 11 - C 12 C 13 - C 17 C 18 - ke atas Ni 0,5% Ni 1% Ni 2% Ni 4% Ni 8% Ni 16% 0 20 40 60 80 100 C 5 - C 10 C 11 - C 12 C 13 - C 17 C 18 - ke atas Ni 0,5% Ni 1% Ni 2% Ni 4% Ni 8% Ni 16%
Gambar 3.  Grafik  konversi  individu  beberapa fraksi
Sementara  rendahnya  konversi  dari  fraksi  C 11 -
C 12 dan  fraksi  C 15 -C 17 disebabkan  banyaknya konversi  fraksi  berat  (C 18 ke  atas)  terengkah menjadi fraksi C 11 -C 12 dan C 15 -C 17 (seperti yang ditunjukkan  pada  selektivitas  di  atas)  sehingga seakan-akan  tidak  ada  pengurangan  fraksi tersebut. ttidak ada pola hubungan antara jumlah Ni  yang  terembankan  dengan  kemampuan katalisasi.

## KESIMPULAN
Dari penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan  bahwa  pada  proses  hidrorengkah minyak  bumi  katalis  lempung  terpilar  yang dihasilkan selektif terhadap fraksi minyak tanah dan minyak gas.

## DAFTAR PUSTAKA
Figueras.  F.,  1988,  Pillared  Clays  as  Catalysts,
Catal. Rev. Sci. Eng 30(3) , 457–499.
Occelli, 1997, Catalyst Containing Zeolite Beta and  a  Pillared  Clay, US  Patent  and Trademark Office.
Ohtsuka. K., 1997, Preparation and Properties of Two-Dimensional  Microporous  Pillared Interlayered  Solids, Chem.  Mater.  9, 2039- 2050.
Vaughan  D.E.W.,  1988,  Pillared  Clays-A Historical  Perspective, Catalysis  Today,
Elsevier, 187-198.
Weitkamp. J., 2000, Zeolite and Catalysis, Solid State Ionic, 131 , 175 –188