Katalis

          Katalis ditemukan oleh J.J. Berzelius pada tahun 1836 sebagai komponen yang dapat meningkatkan laju reaksi kimia, namun tidak ikut bereaksi. Definisi katalisator adalah suatu substansi yang dapat meningkatkan kecepatan, sehingga reaksi kimia dapat mencapai kesetimbangan tanpa terlibat di dalam reaksi secara permanen. Dengan demikian pada akhir reaksi katalis tidak tergabung dengan senyawa produk reaksi. Entalpi reaksi dan faktor-faktor termodinamika lainnya merupakan fungsi sifat dasar dari reaktan dan produk, sehingga tidak dapat diubah dengan katalis. Adanya katalis dapat mempengaruhi faktor-faktor kinetika suatu reaksi seperti laju reaksi, energi aktivasi, sifat dasar keadaan transisi dan lain-lain ((Widyawati, 2007).

Karakteristik katalis adalah sebagai berikut:

[1] Berinteraksi dengan reaktan tetapi tidak berubah pada akhir reaksi.

[2] Mempercepat kinetika reaksi dengan memberikan jalur molekul yang lebih rumit (Widyawati, 2007).

Kemampuan katalis untuk meningkatkan kecepatan reaksi terjadi dalam beberapa langkah, sehingga mengakibatkan penurunan energi aktivasi reaksi. Reaksi katalitis meliputi: [1] Adsorbsi, [2] Pembentukan dan pemutusan activated complex, [3] Desorbsi (Widyawati, 2007).

Katalis meningkatkan laju reaksi dengan cara mempengaruhi energi pengaktifan suatu reaksi kimia. Keberadaan katalis akan menurunkan energi pengaktifan, sehingga reaksi dapat berjalan dengan cepat (Utomo dan Laksono,  2007). Diagram reaksi tanpa dan dengan katalis disajikan pada Gambar 2.3.

Parameter Katalis

          Untuk menilai baik tidaknya suatu katalis, menurut (Nurhayati, 2008), ada beberapa parameter yang harus diperhatikan, antara lain sebagai berikut:

a.    Aktivitas, yaitu kemampuan katalis untuk mengkonversi reaktan menjadi produk yang diinginkan.

b.    Selektivitas, yaitu kemampuan katalis mempercepat satu reaksi di antara beberapa reaksi yang terjadi sehingga produk yang diinginkan dapat diperoleh dengan produk sampingan seminimal mungkin.

c.    Kestabilan, yaitu lamanya kkatalis memiloiki aktivitas dan selektivitas seperti pada kedaan semula.

d.    Rendemen katalis / Yield, yaitu jumlah produk tertentu yang terbentuk untuk setiap satuan reaktan yang terkonsumsi.

e.    Kemudahan diregenerasi, yaitu proses mengembalikan aktivitas dan selektivitas katalis seperti semula.

Klasifikasi Katalis

          Berdasarkan fasanya, katalis dapat digolongkan menjadi tiga jenis, yaitu katalis enzim, katalis homogen dan katalis heterogen (Nurhayati, 2008).

1. Katalis Enzim

Enzim adalah molekul protein ukuran koloidal, merupakan katalis diantara homogen dan heterogen. Enzim merupakan driving force untuk reaksi biokimia, karakterisasinya adalah efisiensi dan selektivitas. Sesuai digunakan untuk keperluan industri (Widyawati, 2007).

1. Katalis Homogen

Katalis homogen berada pada fasa yang sama seperti reaktan dan produk. Beberapa contoh misalnya hidrolisis ester oleh asam (cair-cair), Oksidasi SO₂ oleh NO₂ (uap-uap) dan dekomposisi potasium klorat dengan MnO₂ (padat-padat). Reaksi sangat spesifik dengan yield yang tinggi dan produk yang diinginkan. Kelemahan pada katalis homogen ini adalah hanya dapat digunakan pada skala laboratorium, sulit dilakukan secara komersial, operasi pada fase cair dibatasi pada kondisi suhu dan tekanan, sehingga peralatan lebih kompleks (Widyawati, 2007) serta menurut (Husin dkk, 2011) pemisahan antara produk dengan katalis sulit karena berada pada satu fasa, penggunaan  katalis ini hanya sekali saja dan tidak dapat didaur ulang.

2. Katalis Heterogen

          Katalis heterogen merupakan katalis yang berada dalam fasa yang berbeda  dengan reaktan, biasanya katalis heterogen berupa padatan dan interaksi pada permukaan padat-gas atau padat-cair (Ulyani, 2008). Penggunaan katalis heterogen menguntungkan dengan beberapa alasan antara lain: selektivitas produk yang diinginkan dapat ditingkatkan dengan adanya pori yang terdapat pada katalis heterogen, aktivitas intrinsik dari active site dapat dimodifikasi oleh struktur padat, komposisi kimia pada permukaan dapat digunakan untuk meminimalisasi atau meningkatkan adsorpsi komponen tertentu, katalis heterogen dapat dipisahkan dari produk dengan penyaringan dan dapat digunakan kembali dan konstruksi peralatan sederhana (Widyawati, 2007). 

Katalis

Katalis merupakan zat yang ditambahkan dalam sistem reaksi untuk mempercepat reaksi. Katalis dapat menyediakan situs aktif yang befungsi untuk mempertemukan reaktan dan menyumbangkan energi dalam bentuk panas sehingga molekul pereaktan mampu melewati energi aktivasi secara lebih mudah. Karena fungsinya yang sangat penting, maka penggunaan katalis menjadi kebutuhan yang sangat penting dalam berbagai industri. Kebutuhan akan katalis dalam berbagai proses industri cenderung mengalami peningkatan. Hal ini terjadi karena proses kimia yang menggunakan katalis cenderung lebih ekonomis.

          Dalam mempercepat laju reaksi, katalis bersifat spesifik. Artinya suatu katalis dapat mempercepat pada reaksi tertentu saja tidak pada semua reaksi kimia. Contohnya, suatu katalis A mampu mempercepat laju reaksi pada reaksi hidrogenasi namun kurang baik jika digunakan pada reaksi oksidasi. Hal tersebut terikat erat dengan sifat fisika dan sifat kimia katalis. Dalam reaksi yang sama terdapat beberapa kemungkinan jenis material yang dapat digunakan dalam proses reaksi tersebut. Misalnya dalam reaksi hidrogenasi dapat digunakan katalis Fe, Co, Ni (Le Page, 1987).

          Kemampuan suatu katalis dalam mempercepat laju reaksi dipengaruhi oleh berbagai faktor. Faktor-faktor yang mempengaruhi performa katalis antara lain adalah sifat fisika dan kimia katalis; kondisi operasi seperti temperatur, tekanan, laju alir, waktu kontak; jenis umpan yang digunakan; jenis padatan pendukung yang digunakan. Katalis yang dipreparasi dengan cara yang berbeda akan menghasilkan aktivitas dan selektivitas yang berbeda (Rieke dkk, 1997). Kemampuan suatu katalis dalam suatu proses biasanya diukur dari aktivitas dan selektivitasnya. Aktivitas biasanya dinyatakan dalam persentase konversi atau jumlah produk yang dihasilkan dari jumlah reaktan yang digunakan dalam waktu reaksi tertentu. Sedangkan selektivitas adalah ukuran katalis dalam mempercepat reaksi pada pembentukan suatu produk tertentu.

          Karena ada banyak faktor yang mempengaruhi kinerja katalis dalam mempercepat laju reaksi, maka perlu dilakukan pemilihan katalis secara cermat sebelum menggunakan katalis dalam suatu proses tertentu. Pemilihan katalis yang tepat dalam suatu proses dapat menyebabkan proses yang diinginkan memiliki hasil yang optimal. Sedangkan pemilihan katalis yang tidak tepat dapat menyebabkan proses menjadi kurang efisien sehingga akibatnya juga menjadi kurang ekonomis. Bahkan pemilihan katalis yang tidak tepat bisa juga menyebabkan adanya efek toksisitas yang berbahaya ataupun dapat mencemari lingkungan.

          Katalis dapat dibagi berdasarkan dua tipe dasar, heterogen dan homogen. Reaksi heterogen, katalis berada dalam fase yang berbeda dengan reaktan. Reaksi homogen, katalis berada dalam fase yang sama dengan reaktan. Proses katalitik menggunakan katalis heterogen dalam industri pertama kali pada tahun 1857, menggunakan Pt untuk mengoksidasi SO2 menjadi SO3 dalam larutan asam.Mekanisme yang tepat dari katalis heterogen belum dimengerti secara sempurna. Walaupun demikian tersedianya electron d dan orbital d pada atom-atom permukaan katalis memegang peranan penting. Oleh karena itu aktifitas katalisis heterogen banyak dilakukan pada sejumlah besar unsur peralihan (transisi) dan senyawa – senyawanya.

Aktifitas katalis banyak dilakukan oleh sejumlah besar unsure peralihan (transisi) dan senyawa – senyawanya. Aktifitas katalisis banyak dilakukan oleh sejumlah besar unsure peralihan (transisi) dan senyawanya. Tersedianya electron dan orbital d pada atom-atom permukaan katalis memegang peranan penting. Persyaratan kunci dalam katalisis heterogen ialah bahwa pereaksi fase gas atau larutan diadsorpsi kepermukaan katalis (Fessenden,1986).

Mekanisme dari katalis padat dengan reaktan fasa gas, dimana terjadi pembentukan kompleks reaktan dengan katalis setelah pembentukan produk adalah sebagai berikut :

·         Reaktan terbawa oleh aliran gas pembawa sampai kepermukaan luar partikel katalis.

·         Difusi reaktan dari permukaan luar masuk melalui pori dalam partikel katalis.

·         Reaktan diadsorpsi pada sisi aktif katalis sehingga menimbulkan energi adsorpsi

·         Reaksi pembentukan produk antara permukaan sampai terjadinya produk.

·         Produk didesorpsi dari katalis keluar melalui pori bagian partikel katalis.

·         Difusi produk menuju permukaan luar partikel katalis.

·         Produk mengikuti aliran gas pembawa.

Persyaratan kunci dalam katalisis heterogen ialah bahwa pereaksi fase gas atau larutan diadsorpsi kepermukaan katalis. Tidak semua atom – atom permukaan sama efektifnya sebagai katalis, bagian yang efektif tersebut disebut sisi aktif katalis. Pada dasarnya, katalis heterogen mencakup (1) adsorpsi pereaksi, (2) difusi pereaksi sepanjang permukaan, (3) reaksi pada sisi aktif membentuk hasil reaksi yang diadsorpsi, dan (4) lepasnya (desorpsi) hasil reaksi.

a)    Katalis homogen

Katalis ini mempunyai kesamaan phase dengan reaktan dan  persentuhannnya tak mempengaruhi laju reaksi, keaddaan yang demikian disebut katalis homogen. Sebagai contoh :

Reaksi phase gas

CO  +  ½ O2   à   CO2

Dengan adanya katalis   NO2  maka  prosesnya menjadi

CO  +  NO2            à   CO2  + NO

NO   +  ½ O2           à   NO2

———————————————–

CO2  +  ½ O2           à   CO2

Iodin uap juga dikenal sebagai  katalis sejumlah reaksi pirolisis zat organik, dekomposisi asetaldehid sebagai reaksi berantai dengan proses sebagai berikut :

       I2     2 I-

I-  + CH3CHO     CH3CO -  +  HI

 CH3CO-     CH3    +     CO

I2  + CH3     CH3I  +  I-

HI  + CH3  CH4 -  +  I-

                        HI  + CH3I CH4 -  +  I2

Sehingga diperoleh laju reaksi dengan pendekatan steady state dari intermediet adalah

                        – d(CH3CHO)/dt   =   k  [I2]1/2[CH3CHO]

Mekanisme ini dapat dibandingkan  mekanisme reaksi tanpa katalis yang telah diterangkan pada bab sebelum ini (dikti:79), katalis iodin diperoleh kembali diakhir reaksi.

Secara umum, katalis homogen adalah senyawa yang memiliki fase sama dengan reaktan ketika reaksi kimia berlangsung. Katalis homogen umumnya bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk suatu perantara kimia yang selanjutnya bereaksi membentuk produk akhir reaksi, dalam suatu proses yang memulihkan katalisnya. Berikut ini merupakan skema umum reaksi katalitik, di mana C melambangkan katalisnya:

A + C → AC (1)

B + AC → AB + C (2)

Meskipun katalis (C) termakan oleh reaksi 1, namun selanjutnya dihasilkan kembali oleh reaksi 2, sehingga untuk reaksi keseluruhannya menjadi,

A + B + C → AB + C

katalis tidak termakan atau pun tercipta. Enzim adalah biokatalis. Katalis homogen merupakan katalis yang mempunyai fasa sama dengan reaktan dan produk. Penggunaan katalis homogen ini mempunyai kelemahan yaitu: mencemari lingkungan, dan tidak dapat digunakan kembali. Selain itu katalis homogen juga umumnya hanya digunakan pada skala laboratorium ataupun industri bahan kimia tertentu, sulit dilakukan secara komersil, oprasi pada fase cair dibatasi pada kondisi suhu dan tekanan, sehingga peralatan lebih kompleks dan diperlukan pemisahan antara produk dan katalis. Contoh dari katalis homogen yang biasanya banyak digunakan dalam produksi biodiesel, seperti basa (NaOH, KOH), asam (HCl, H2SO4).

Contoh Katalis Homogen :

Katalis dan pereaksi berwujud gas

Katalis dan pereaksi berwujud cair

b)   Katalis heterogen

Sebagian besar reaksi antara daua phase misalnya pada interface dari gas – padat atau gas–cair, biasanya yang bertindak sebagai katalis adalah yang lebih padat, karenanya  luas permukaan dari padatan harus benar – benar diperhatikan. Beberapa contoh yang dilakukan oleh dunia industri lain katalis akan menghasilkan lain produk :

1. Dekomposisi organik

C₂H₅OH    (Al₂O₃ , 300^oC )  à  C₂H₄  + H₂O

C₂H₅OH    (Cu , 300^oC )  à  CH₃CHO  + H₂O

2. Dehidrogenasi

C₄H₈   (Al₂O₃, Cr₂O₃  )  à   CH₂=CHCH=CH₂  + H₂

Ethyl Benzene    (Fe₂O₃, 650^oC) à  Styrene    + H₂

3. Hidrasi hidrokarbon takjenuh

Dengan adsorben asam posforat dan katalis celite maka

C₂H₄   +  H₂O (300^oC )  à  C₂H₅O H

4. Hidroclorinasi

Vinil clorida dibuat dengan katalis merkuriclorida dan arang  dari reaksi

CHºCH   +   HCl  (200^oC)   à CH₂=CHCl

Sebagian  besar proses katalitik industri terjadi pada interface gas – padat. Mekanismenya berdasar pada teori yang dipostulatkan Langmuir pada tahun 1916, yaitu :

1.     Gerakan molekul gas kepermukaan berlangsung dengan konveksi atau difusi

2. Adsorpsi reaktan, dengan ikatan kimia yang kuat (kemisorpsi). Pada banyak kasus di awali dulu dengan ikatan fisika
3. Reaksi antar molekul yang diadsorpsi
4. Desorpsi produk
5. Meninggalkan permukaan dengan konveksi atau difusi

Kalsium Oksida ( CaO)

Pada umumnya, sintesis biodiesel dilakukan melalui reaksi transesterifikasi menggunakan katalis basa cair (NaOH atau KOH) dan enzim (lipase), dan melalui proses esterifikasi dengan menggunakan katalis asam cair (H­₂SO₄ atau H₃PO₄). Hasil konversi reaksi pembentukan biodiesel dengan menggunakan katalis basa cair dapat mencapai 98%, bila menggunakan katalis asam cair dapat mencapai 99%, dan penggunaan enzim lipase dapat menghasilkan konversi mencapai 91% (Fanny dkk, 2012).

CaO merupakan katalis heterogen jenis oksida logam yang sering digunakan untuk reaksi transesterifikasi. Oksida-oksida  tersebut berasal dari logam transisi, logam alkali dan logam alkali tanah. Oksida logam-logam transisi cenderung bersifat asam, mahal, dan menghasilkan yield yang rendah. Berbeda dengan oksida logam alkali dan alkali tanah yang bersifat basa, murah, dan menghasilkan konversi yang tinggi (Fanny dkk, 2012).

Pada penelitian sebelumnya (Enggawati dan Ediati, 2013) melakukan proses transesterifikasi minyak nyamplung menggunakan katalis CaO yang berasal dari kulit telur yang berpendukung abu layang pada suhu 60⁰C dalam waktu 120 menit dengan nisbah molar metanol terhadap minyak sebesar 30:1, dan jumlah katalis sebanyak 1,25% (b/b) dari massa minyak. Reaksi tersebut menghasilkan konversi FAME sebesar 48,75%. Pada tahun 2013, Santoso dkk juga melakukan penelitian pembuatan biodiesel minyak goreng menggunakan katalis CaO berbahan dasar kulit telur yang dilakukan pada suhu 65⁰C dengan rasio molar metanol terhadap minyak goreng sebesar 9:1, jumlah katalis 3% dan waktu reaksi 3 jam dengan hasil rendemen sebesar 100,637.