Konversi Lumpur Vulkanik dan Limbah Marmer menjadi Katalis Ni/Ca/ZSM-5 untuk Produksi Bio-Jet Fuel dari Minyak Goreng Bekas: Pengaruh Pengembanan Nikel
Ketergantungan global terhadap bahan bakar fosil telah memicu kekhawatiran serius terhadap keberlanjutan energi dan dampak lingkungan seperti pemanasan global dan fluktuasi harga minyak. Oleh karena itu, upaya pengembangan energi alternatif yang ramah lingkungan menjadi sangat mendesak. Salah satu kandidat yang menjanjikan adalah biofuel, khususnya bio-jet fuel, karena dapat digunakan langsung dalam mesin pesawat tanpa modifikasi signifikan.
Minyak goreng bekas merupakan bahan baku biofuel yang melimpah, murah, dan tidak bersaing dengan pangan, sehingga sangat sesuai dengan prinsip ekonomi sirkular dan tujuan pembangunan berkelanjutan (SDGs). Namun, untuk mengonversi WCO menjadi bahan bakar berkualitas tinggi, dibutuhkan katalis yang efisien, stabil, dan terjangkau.
Zeolit ZSM-5 telah banyak digunakan karena memiliki keasaman tinggi dan struktur mikropori yang cocok untuk reaksi deoksigenasi. Namun, struktur mikroporinya sering kali menghambat difusi molekul besar seperti asam lemak dalam WCO. Keasaman yang tinggi juga berpotensi mengakibatkan perengkahan berlebih. Oleh sebab itu, modifikasi ZSM-5 menjadi struktur hierarkis dan bifungsional menjadi solusi untuk meningkatkan aktivitas dan selektivitas katalitik.
Penelitian ini mengusulkan pendekatan baru dengan memanfaatkan lumpur vulkanik (LM) dan limbah marmer (MW) sebagai sumber alami dan limbah industri untuk menyintesis ZSM-5 berbasis Ni/Ca. Lumpur vulkanik mengandung silika dan alumina tinggi yang sesuai sebagai prekursor zeolit, sementara limbah marmer kaya akan kalsium karbonat yang dapat meningkatkan kebasaan dan membentuk struktur mesopori. Penambahan logam nikel dapat meningkatkan reaktifitas katalis, memfasilitasi reaksi deoksigenasi, dan menekan reaksi sekunder seperti perengkahan yang berlebih dan polimerisasi.
Dengan memanfaatkan bahan limbah dan sumber daya lokal, sintesis katalis Ni/Ca/ZSM-5 ini tidak hanya mendukung produksi biofuel berkelanjutan, tetapi juga menawarkan solusi pengelolaan limbah padat yang ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan mempelajari hubungan antara struktur pori, keasaman, kebasaan, dan performa katalitik dalam proses konversi WCO menjadi bio-jet fuel berkualitas tinggi.
Garis besar penelitian
Penelitian dilakukan dalam dua variasi, yaitu variasi komposisi lumpur vulkanik (LM) dan limbah marmer (MW) dan variasi kadar pengembanan nikel . Pada bagian utama, katalis disintesis dengan ditambahkan ke dalam campuran dengan variasi rasio massa LM:MW (1:5, 1:1, dan 5:1) untuk membentuk katalis Ca/ZSM-5. Setelah tahap sintesis zeolit, proses kation exchange dilakukan untuk mendapatkan bentuk H+/ZSM-5. Katalis dikarakterisasi dan diuji aktivitasnya untuk mendapatkan katalis teroptimasi.
Katalis terpilih kemudian diimpregnasi dengan logam nikel (5“20 wt%) menggunakan metode impregnasi basah. Katalis yang terbentuk kemudian dikalsinasi untuk menghasilkan Ni/Ca/ZSM-5, dan diuji aktivitas katalitiknya untuk mendapatkan katalis terbaik. Seluruh sampel dikarakterisasi menggunakan berbagai teknik seperti XRD, FTIR, BET, TPD, dan XPS guna mengkaji struktur pori, keasaman, kebasaan, dan distribusi logam.
Reaksi aktivitas katalis dalam reaksi deoksigenasi dilakukan menggunakan 10 gram minyak goreng bekas dan 3% berat katalis, pada suhu 380¯Â°C selama empat jam, dalam reaktor tiga leher yang terhubung ke sistem distilasi. Hasil reaksi berupa cairan, kokas, dan gas dianalisis untuk menentukan konversi, yield, dan selektivitas produk. Hasil menunjukkan bahwa modifikasi ZSM-5 dengan MW meningkatkan mesoporositas dan kebasaan, menghasilkan hidrokarbon lebih tinggi. Katalis terbaik, Z11 (rasio LM:MW = 1:1), menghasilkan yield produk cair 72,3% dengan konversi 83,13%.
Gambar 1. Grafik konversi berdasarkan fasa produk (A), yield produk berdasarkan jenis senyawa dan derajat deoksigenasinya (B), distribusi produk hidrokarbon (C), dan grafik hubungan antara karakteristik katalis dan aktivitasnya (D)
Hasil analisis mengindikasikan bahwa Z11-Ni10 (pengengembanan 10wt% Ni) memiliki aktivitas terbaik dengan konversi mencapai 96,65% (Gambar 1 A), memiliki derajat deoksigenasi mencapai 99% (Gambar 1B) dan selektivitas terhadap hidrokarbon C15“C17 mencapai 66,6% (Gambar 1C). Impregnasi katalis dengan nikel menurunkan pembentukan senyawa teroksigenasi dan meminimalkan reaksi perengkahan berlebih.
Katalis Z11-Ni10 juga menunjukkan stabilitas yang baik hingga enam siklus reaksi, dengan hanya sedikit penurunan total konversi dan keasaman aktif. Analisis GC-MS menunjukkan bahwa hampir semua senyawa teroksigenasi berhasil dihilangkan (DO >97%), dan distribusi hidrokarbon mendekati spesifikasi bio-jet fuel. Produk cair dari deoksigenasi memiliki nilai kalor, densitas, dan viskositas yang sesuai dengan standar bahan bakar penerbangan, menunjukkan bahwa katalis yang dikembangkan tidak hanya efisien secara katalitik, tetapi juga menghasilkan bahan bakar yang secara fisik dan kimia memenuhi spesifikasi komersial.
Gambar 1D mengindikasikan bahwa mesoporositas yang tinggi pada Z11 dapat meningkatkan aksesibilitas sisi aktif, sehingga meningkatkan konversi meski total keasaman lebih rendah dari Z. Katalis Z11-Ni10, meskipun mesoporositasnya sedikit lebih rendah dari Z11, memiliki aktivitas tertinggi karena adanya tambahan sisi aktif dari Ni yang teremban pada permukaan katalis, sehingga aksesibilitasnya tidak dipengaruhi besar oleh struktur mesopori.
Kesimpulan
Katalis Ni/Ca/ZSM-5 berbahan dasar lumpur vulkanik dan limbah marmer berhasil dikembangkan dengan performa tinggi untuk deoksigenasi minyak goreng bekas. Modifikasi dengan kalsium meningkatkan mesoporositas dan kebasaan, sementara nikel memperkuat keasaman dan selektivitas terhadap hidrokarbon C15“C17. Katalis Z11-Ni10 menghasilkan konversi 96,65% dan stabil digunakan hingga enam siklus. Produk cair yang dihasilkan memenuhi standar bio-jet fuel, menunjukkan potensi aplikatif sebagai solusi energi terbarukan berbasis limbah lokal.
Penulis: Prof. Dr. Hartati, Dra., M.Si.
Sumber:
Hartati Hartati, Putri Bintang Dea Firda, Didik Prasetyoko, Didi Dwi Anggoro , Hasliza Bahruji, Satya Candra Wibawa Sakti, Holilah Holilah, Reva Edra Nugraha (2025) Conversion of volcano mud and marble waste to Ni/Ca/ZSM-5 catalyst for bio-jet fuel production from waste cooking oil and the effect of Ni loading, Fuel, 400, 135736
