Biodiesel merupakan produk metil ester yang dihasilkan dari reaksi transesterifikasi asam lemak atau minyak tumbuhan. Biodiesel yang dihasilkan dari reaksi transesterifikasi masih mengandung bahan pengotor tersebut dan tidak memenuhi syarat menurut Standar Nasional Indonesia (SNI) atau standar internasional ASTM D6751 (Amerika Utara), EN14214 (Eropa). Kandungan pengotor yang kecil dalam biodiesel dapat menyebabkan masalah selama penggunaannya di mesin pembakaran internal dan penyimpanan. Masalah tersebut antara lain degradasi oli mesin, korosi akibat air, penyumbatan injektor bahan bakar karena sabun, dan kebocoran mesin karena alkohol. Selain itu, pengotor dapat menyebabkan asap yang mengandung akrolein, senyawa fotokimia yang berbahaya. Oleh karena itu, sebelum digunakan sebagai bahan bakar, biodiesel harus dimurnikan dari asam lemak bebas, gliserol, sabun, dan sisa katalis.
Sebuah metode yang menjanjikan untuk pemurnian biodiesel adalah pemanfaatan membran komposit anorganik-organik (IOCMs) untuk proses filtrasi dan adsorpsi. Dibandingkan dengan membran ultrafiltrasi konvensional untuk pemurnian biodiesel, aplikasi membran baru dalam penelitian ini juga dikenal sebagai membran adsorber karena tertanam dengan partikel adsorben. Baru-baru ini, dalam bahan bakar terbarukan, IOCM telah dikembangkan menggunakan matriks membran yang berbeda untuk menghilangkan kandungan air seperti polietersulfon dan polidimetilsiloksan. IOCM yang dikembangkan telah mencapai penghilangan tinggi lebih dari 90% pengotor, terutama gliserol, selama produksi biodiesel. Dibandingkan dengan metode pencucian basah konvensional, pemurnian biodiesel menggunakan IOCM praktis dapat menghindari penggunaan air dan hasil air limbah yang berlebihan. Meskipun demikian, laporan sebelumnya sering menggunakan bahan komersial untuk membangun IOCM, menghasilkan bahan yang mahal dan tidak terbarukan.
Adsorben berbasis bio, setelah proses aktivasi, dapat digunakan untuk menghilangkan air dan senyawa organik dan anorganik; oleh karena itu, mereka kompatibel dengan pemurnian biodiesel. Adsorben potensial yang berasal dari biomassa adalah silika, yang telah dilaporkan bekerja pada spektrum pengotor yang luas. Silika dapat diperoleh baik dari proses sintesis atau melalui isolasi dari biomassa seperti sekam padi. Silika yang berasal dari sekam padi dapat diperoleh secara langsung melalui proses penyalaan dan ekstraksi menggunakan basa. Silika sendiri telah terkenal diterapkan dalam pemurnian biodiesel, dikaitkan dengan luas permukaan yang besar dan sifat inert. Menggunakan biomassa pertanian, sekam padi, sebagai bahan pakan untuk silika memungkinkan biaya produksi yang murah dan mendukung ekonomi sirkular.
Untuk meningkatkan aspek praktisnya, silika dapat dibenamkan ke dalam matriks membran kitosan. Kitosan dapat diperoleh dari kitin melalui reaksi deasetilasi, menghasilkan polimer multifungsi dengan gugus fungsi yang mengandung N dan O. Gugus fungsi ini bertanggung jawab atas kinerja yang sangat baik dari suatu adsorben dalam proses pemisahan. Dalam beberapa laporan, kitosan telah menunjukkan kemampuannya untuk menghilangkan logam berat, pengotor biodiesel, pewarna, dan pestisida. Selain itu, kitosan dapat dengan mudah larut dalam asam asetat, memungkinkan proses yang sederhana dan ramah lingkungan untuk preparasi matriks membrannya.
Pada penelitian ini dikembangkan IOCM berbasis kitosan-silika untuk pemurnian biodiesel, yang ditunjukkan dengan penurunan gliserol bebas dan bilangan asam. Kombinasi silika dan kitosan untuk tujuan pemurnian biodiesel jarang dilaporkan. Biosorben kitosan-silika granulasi yang tersedia secara komersial telah diselidiki untuk aplikasinya dalam penghilangan pengotor biodiesel. Pengotor yang terkandung dalam biodiesel pada saat pembuatannya meliputi garam, sabun, metanol, dan sisa asam lemak (atau gliserol). Silika, bagaimanapun, bisa berasal dari limbah sekam padi. Sebuah penelitian yang dilakukan di Indonesia menunjukkan bahwa abu sekam padi dapat menghasilkan silika sekitar 60% (b/b abu sekam padi) melalui ekstraksi menggunakan pelarut alkali. Aplikasi silika yang berasal dari sekam padi telah dilaporkan beberapa kali untuk jebakan adsorptif berbagai senyawa. Namun, dalam hal produksi biodiesel, silika yang berasal dari sekam padi hanya digunakan secara umum sebagai katalis攂ukan untuk adsorpsi pengotor biodiesel. Dalam penelitian ini, natrium hidroksida digunakan untuk mengekstrak silika dari abu sekam padi, yang telah dilaporkan menghasilkan adsorben silika dengan mikroporositas dan luas permukaan yang tinggi. Selanjutnya, silika dibenamkan dalam membran polimer, memungkinkan pemisahan yang lebih mudah setelah proses pemurnian dan filtrasi batch.
METODE
Silika diekstraksi dengan sekam padi dengan tanur pada suhu 700掳C hingga diperoleh sekam padi, kemudian direfluks dengan menggunakan NaOH. Analisis kristalinitas silika menggunakan Shimadzu X-ray diffractometer (XRD)-700 dan analisis gugus fungsi menggunakan spektroskop Shimadzu 8400 Fourier transform infrared (FTIR). Gambar permukaan mikro dari partikel silika dihasilkan dengan memindai mikroskop elektron-spektroskopi dispersi elektron (SEM-EDS) menggunakan JEOL JSM 6510 LA. Selanjutnya, luas permukaan silika yang disiapkan dianalisis menggunakan persamaan isoterm Brunauer揈mmett揟eller (BET) dan Barrett揓oyner揌alenda (BJH) berdasarkan adsorpsi揹esorpsi nitrogen pada 77,3 K pada QuadraSorb Station 1 (ver. 5.06) .
Kitosan dengan konsentrasi 3% (b/v) ditambahkan ke dalam campuran dimetilformamida 10% (v/v) dan asam asetat 1% (b/v). Campuran diaduk dalam Erlenmeyer tertutup rapat selama 24 jam pada suhu kamar dan 250 rpm. Partikel silika (bervariasi dari 10-60% b/b) ditambahkan ke campuran sebelumnya untuk mendapatkan IOCM. Larutan doping tersebut kemudian dicetak pada pelat kaca. Pelarut dibiarkan menguap pada suhu kamar selama 24 jam. Membran yang diperoleh dicuci dengan NaOH 1% (b/v) dan dibilas dengan akuades, kemudian dikeringkan dengan udara pada suhu kamar selama semalam. Membran dipotong menjadi 2,5 cm2 untuk digunakan lebih lanjut. Untuk sampel membran, baik IOCM atau kitosan rapi, karakterisasi instrumental dilakukan menggunakan spektroskop Shimadzu 8400 FTIR, JEOL JSM 6510 LA untuk SEM-EDS (Tokyo, Jepang), dan Shimadzu XRD 7000 (Kyoto, Jepang). Membran yang dihasilkan pada penelitian ini dicirikan oleh porositas, derajat pengembangan, dan fluks air murni.
Selanjutnya, kinerja IOCM yang disiapkan dievaluasi terhadap pemurnian biodiesel menggunakan sistem batch. Tiga lembar membran (2,5 cm2) ditimbang dan dimasukkan ke dalam Erlenmeyer yang berisi 25 mL biodiesel mentah. Pemurnian dilakukan pada kecepatan 200 rpm menggunakan rotary shaker pada suhu kamar. Waktu kontak 10, 20, 30, 60, dan 120 menit digunakan untuk mendapatkan waktu kontak optimum yang dilakukan menggunakan IOCM dengan beban partikel silika 10%. Selanjutnya penelitian dilanjutkan dengan penelitian pengaruh pembebanan partikel terhadap waktu kontak optimum yang diperoleh sebelumnya. Studi isoterm adsorpsi dilakukan di bawah waktu kontak optimum dan pemuatan partikel dengan konsentrasi gliserol 0,01, 0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, dan 0,3%. Jumlah asam, kadar sabun, dan kandungan gliserol bebas dihitung sebelum dan sesudah perlakuan pemurnian batch.
Membran diasumsikan mengandung pengotor biodiesel setelah dikeluarkan dari proses pemurnian batch. Membran dengan kandungan pengotor biodiesel dipulihkan menggunakan pelarut organik, metanol, seperti yang disarankan sebelumnya. Membran direndam ke dalam 250 mL metanol dalam wadah tertutup pada suhu kamar selama 24 jam. Setelah itu, membran dikeluarkan dan dibilas dengan air ultra murni untuk membersihkan sisa metanol sampai tercapai pH netral. Membran yang diregenerasi diuji untuk siklus pemurnian batch berikutnya menggunakan kondisi optimum yang diperoleh sebelumnya.
HASIL
Partikel silika yang diekstraksi dari abu sekam padi diperoleh dengan sifat-sifat yang mendukung serapan pengotor yang tinggi dari biodiesel mentah. Partikel silika kemudian dilekatkan pada matriks kitosan, menghasilkan IOCM dengan struktur berpori. Kitosan-silika IOCM yang diteliti digunakan dalam pemurnian biodiesel, dengan produk akhir yang memenuhi kualitas SNI. Waktu kontak dan pemuatan partikel silika secara signifikan mempengaruhi kinerja pemurnian batch. Pada waktu kontak dan pengisian bahan pengisi yang optimum, penghilangan berhasil menurunkan kadar sabun, kadar gliserol bebas, dan bilangan asam masing-masing dari 547,9 menjadi 12,2 mg/L, 54 menjadi 0,041%, dan 2,02 menjadi 1,12 mgKOH/g. Penghilangan gliserol dapat diprediksi dengan baik menggunakan model isoterm Sips. Sementara itu, regenerasi tetap menjadi faktor yang menantang dalam penelitian ini, meskipun IOCM menunjukkan kinerja yang baik dalam proses filtrasi biodiesel. Metode regenerasi yang diusulkan pada penelitian ini adalam menggunakan tekanan metanol untuk melewati membran komposit.
Penulis: Yanuardi Raharjo, Ph.D.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
Saiful, Ulfa Riana, Muliadi Ramli, Muhammad Iqrammullah, Yanuardi Raharjo, and Yusuf Wibisono
Pengembangan Membran Komposit Silika Berbasis Kitosan/Sekam Padi untuk Pemurnian Biodiesel, Membranes, 2022, 12, 435
