KATALIS Cu/ZnO/Al2O3 UNTUK STEAM REFORMING OKSIDATIF METANOL

Belakangan ini harga minyak bumi dunia terus meningkat. Sebagai sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui maka cadangan minyak bumi kian menyusut,  sehingga wajar saja kalau harganya terus meningkat. Sementara  itu kebutuhan dunia akan minyak bumi terus meningkat setiap tahunnya. Salah satu faktanya adalah semakin banyaknya negara yang terjun dalam industri mobil.

Semakin berkurangnya cadangan minyak mentah di bumi, dan semakin tingginya tingkat pencemaran udara, menjadikan perusahaan-perusahaan mobil terkemuka dunia berlomba-lomba menurunkan tingkat konsumsi bahan bakar sambil terus mencari bahan bakar alternatif. Tuntutan untuk mencari bahan bakar alternatif yang bebas, atau paling tidak rendah tingkat pencemaran udaranya, juga didorong oleh semakin tingginya kesadaran untuk melestarikan alam.  Hal ini ditandai dengan diberlakukannya sejumlah peraturan yang memperketat batas emisi, khususnya gas CO₂ yang diperbolehkan. Kendati pada saat ini tingkat pencemaran dari emisi mesin kendaraan bermotor sudah sangat jauh berkurang bila dibandingkan dengan 10 tahun lalu, tetapi dalam jangka panjang emisi bahan bakar minyak itu tetap saja dianggap akan membahayakan.

Upaya untuk mencari mobil yang tidak menggunakan mesin berbahan bakar minyak sudah dilakukan sejak lama, tetapi sampai saat ini belum ditemukan alternatif yang dianggap dapat menandingi mesin berbahan bakar minyak. Pencarian sumber energi baru pengganti minyak bumi semakin intensif dilakukan disebabkan melambungnya harga minyak bumi. Sebagian besar peneliti sepakat bahwa hidrogen adalah bahan bakar yang dipandang cocok menggantikan minyak bumi dan layak untuk dikembangkan karena memenuhi dua kriteria yaitu mampu mendorong teknologi ramah lingkungan dan juga banyak tersedia di alam.

Pengembangan hidrogen masih terkendala pada penanganan dan penyimpanannya pada transportasi, sehingga perhatian peneliti tertuju untuk menghasilkan listrik  on board untuk transportasi. Metanol telah menjadi pilihan utama sebagai bahan baku bawaan untuk hidrogen karena ketersediaannya dan rasio hidrogen:karbon yang tinggi. Listrik diproduksi melalui reaksi kimia dengan menggabungkan hidrogen dan oksigen membentuk air. Produknya bebas dari polusi. Keuntungan lain dari penggunaan hidrogen dalam  fuel cell  dibandingkan dengan sistem pembakaran mesin internal adalah dapat memberikan efisiensi energi lebih tinggi, kebisingan rendah, tidak ada partikel jelaga yang dapat menyebabkan terganggu  kesehatan manusia. Tipe fuel cell untuk diaplikasi pada  automobile adalah  proton exchange membrane  (PEFC)  fuel cell.  Persendiaan hidrogen  on-board  untuk kenderaan dapat dibagi ke dalam 3 kelompok yaitu: tangki tekanan tinggi dan  hydrogen cair, menggunakan  metal-hydride  sebagai tangki, dan reforming hydrocarbon, seperti metanol, etanol, dimethylether, gasoline, diesel, dan lain-lain  (Purnomo, 2003).

Metanol sebagai bahan kimia bawaan untuk hidrogen, disamping karena ketersediaannya yang dapat diperbaharui, memiliki energi dan ensitas tinggi, serta mudah disimpan dan transportasi. Metanol merupakan senyawa alkohol yang memiliki harga paling murah dibanding alkohol yang lainnya seperti etanol dan butanol (Lwin dkk., 2000). Steam reforming methanol  (SRM) dikenal sebagai kebalikan dari reaksi sintesa metanol.

CH₃OH (g) + H₂O (g)  =  CO₂ + 3 H₂   ΔH° = 49.5 kJ mol^-1             (1)

CH₃OH (g) + ½ O₂  =  CO₂ + 2 H₂    ΔH° = -192.3 kJ mol^-1              (2)

SRM dikembangkan untuk proses yang sangat menguntungkan dari produksi hidrogen dibanding dekomposisi dan oksidasi parsial metanol. Hal ini disebabkan karena kemampuan produksi konsentrasi gas hidrogen mencapai 75%. SRM adalah sebuah reaksi endotermik. Energi yang diperlukan untuk reaksi disuplai dari  alat katalitik burner. Karena keunggulan proses ini antara lain konversi metanol tinggi, konsentrasi hidrogen tinggi dan kondisi reaksi sedang (Purnomo, 2003).

Kondisi reaksi umum dari  SRM  adalah sebagai berikut:  temperatur  reaksi: 250-350 ⁰C, tekanan: 1 atm, dan  rasio molar metanol : air adalah  1:1 sampai 1:1,3. Produk utama SRM adalah hidrogen, karbon dioksida dan sedikit karbon monoksida (sampai  2% volume dalam aliran produk kering jika digunakan katalis tembaga) (Purnomo, 2003).

Penyelidikan tentang gas hidrogen sebagai energi alternatif via steam reforming metanol banyak menarik minat peneliti di dunia dewasa ini. Penelitian yang dilakukan terutama untuk mendapatkan katalis yang dapat mengkonversi metanol dan selektivitas hidrogen yang tinggi serta berharga murah. Penyelidikan lebih lanjut tertuju pada pengaturan rasio logam aktif penyusun katalis dan rasio steam/carbon dari reaktan metanol, serta mengevaluasi kestabilan katalis (Jung  dan  Joo, 2002).

Secara termodinamika reaksi  steam reforming metanol telah dipelajari oleh Amphlett dkk  (1988). Hasil evaluasi dilaporkan bahwa reaksi ini sangat memungkinkan (feasible) untuk dilangsungkan pada rentang temperatur yang jauh. Hasil analisis dilaporkan bahwa komponen-komponen yang berada pada kesetimbangan yaitu: CH₃OH, H₂O, CO, CO₂ dan H₂ (Agrell dkk., 2001).

Pada tingkat hasil yang telah dicapai saat ini, pengkonversian metanol menjadi hidrogen telah memberikan hasil yang menjanjikan. Namun, penelitian lanjutan masih perlu dilakukan untuk mendapatkan rasio logam aktif  dengan logam paduan yang menghasilkan katalis yang memiliki keaktifan dan  stabilitas yang tinggi. Katalis-katalis cracking process yaitu: Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, Re, Ni, W, Cu, sangat aktif dan selektif digunakan dalam reaksi  steam reforming  methanol.  Logam-logam ini dipadukan dengan ZnO dan penyangga Al₂O₃ untuk memperoleh keaktifan yang lebih tinggi.

Namun,  Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, Re, Ni, dan W merupakan logam yang mahal sehingga penggunaan dalam skala komersial kurang menguntungkan.  Pengaruh dari rasio logam-logam tersebut terhadap selektivitas juga belum banyak dipelajari (Amphlett dkk., 1988; Agrell dkk., 2001).

Para peneliti pada umumnya menyarankan agar menggunakan Cu sebagai logam aktif. Permasalahan yang terpantau dari  penggunaan Cu adalah bahwa Cu mudah  terdeaktivasi pada suhu tinggi. Jika ini terjadi maka ketika digunakan dalam reaksi akan  terbentuk produk samping yang tidak diinginkan.

Sedangkan penggunaan logam lain seperti Pd harganya sangat mahal sehingga kurang ekonomis. Padahal diharapkan katalis yang dikembangkan selain murah, mudah  diperoleh, memiliki stabilitas tinggi, dan juga dapat memproduksi hidrogen setinggi-tingginya dan menekan produk  samping yang tidak diinginkan.

            Persoalan ini dapat dipecahkan dengan memodifikasi kadar Cu dengan ZnO serta menggunakan penyangga seperti Al₂O_3. Jung dan Joo  (2002) menyarankan  agar Cu dan ZnO diberikan dalam jumlah yang proporsional sehingga dapat memberikan konversi metanol dan selektivitas hidrogen yang memuaskan. Selain itu, perlu diatur rasio  steam/metanol dalam umpan untuk mendapatkan produk yang maksimum (Amphlett dkk., 1988).

Penggunaan Al₂O₃ selain dapat menebarkan fasa aktif juga berfunggsi sebagai wash-coating ketika katalis digunakan pada suhu tinggi untuk transportasi. Dengan demikian dapat diyakini bahwa katalis Cu/ZnO/ Al₂O₃ akan menjadi katalis  steam reforming metanol untuk memproduksi hidrogen  sebagai energi alternatif masa depan.