Perpustakaan Digital ITB

Teknologi reformasi kering metana atau dry reforming of methane (DRM) merupakan salah satu cara yang potensial untuk mereaksikan CH4 dan CO2 sehingga menghasilkan gas sintesis dengan rasio H2/CO sebesar 1. Reaksi DRM merupakan reaksi bolak-balik dan endotermis. Katalis yang mempunyai aktivitas tinggi dan ekonomis adalah nikel, namun dapat mengalami deaktivasi akibat deposisi karbon yang terjadi pada suhu 500–700°C dan penyinteran (sintering) pada suhu 700–800°C. Hingga saat ini, belum ada katalis komersial yang dapat diterapkan untuk proses DRM karena sangat mudah terdeaktivasi. Modifikasi morfologi katalis dengan metode enkapsulasi nikel menggunakan alumina berbentuk core-shell berpotensi untuk melindungi nikel dari penyinteran. Penggunaan material yang tahan terhadap temperatur tinggi seperti zirkonia dan material yang mempunyai sifat oxygen storage capacity (OSC) yang baik seperti serium dapat mengurangi terjadinya deaktivasi katalis DRM. Selanjutnya, penambahan promotor basa dapat meningkatkan performa katalis DRM dengan cara meningkatkan CO2 chemisorption sehingga mengurangi pembentukan karbon. Penelitian doktoral ini dibagi menjadi empat tahapan. Pada penelitian tahap pertama, katalis NiO@Al2O3 yang berpotensi tahan terhadap penyinteran pada proses DRM berhasil disintesis. Sintesis katalis menggunakan metode reduksi kimia dan hidrolisis aluminium isopropoksida (AIP) dengan variasi rasio nikel dan alumina (81%-berat Ni, 68%-berat Ni, dan 58%-berat Ni) serta suhu kalsinasi (600°C, 700°C, dan 800°C). Seluruh katalis sintesis mengandung komponen NiO yang berbentuk kristal (JCPDS 73–52) dengan rentang ukuran kristalit 9,2–13,73 nm dan termasuk tipe material mesopori. berdasarkan analisis HRTEM, morfologi core-shell yang terbentuk dengan distribusi NiO yang cukup homogen, sehingga berpeluang untuk menghambat penyinteran pada suhu tinggi pada proses DRM. Uji performa dan karakterisasi kimiawi katalis NiO@Al2O3 dilakukan pada penelitian tahap kedua. Pada tahap ini, pengaruh rasio nikel dan alumina, serta temperatur kalsinasi terhadap performa, karakteristik kimiawi, dan deposisi karbon pada katalis NiO@Al2O3 ditelaah. Hasil H2-TPR pada katalis menunjukkan bahwa konsumsi hidrogen terjadi pada suhu 300–840°C pada katalis sintesis dan katalis metanasi komersial. Berdasarkan hasil uji performa serta karakterisasi, katalis yang memiliki performa terbaik selama 160 menit pada temperatur 700°C, tekanan atmosferik, dan WHSV 18.000 mL g-1 jam-1 yaitu katalis 68%Ni-T700 yang memiliki konversi CH4 dan CO2 masing-masing mencapai 85% dan 54%, yield H2 dan CO masing- masing mencapai 49% dan 42%, serta rasio H2/CO mencapai 1,2 dengan deposisi karbon sebesar 18,2% atau sekitar 0,185 gC/gcat. Performa katalis Ni@Al2O3 menunjukkan adanya deposisi karbon yang masih tinggi meskipun morfologi core-shell telah terbentuk. Hal ini dikarenakan alumina dan nikel mengalami penyinteran pada saat reduksi katalis. Oleh karena itu, pada tahap ketiga dilakukan sintesis katalis yang mempunyai ketahanan termal yang tinggi dengan menggunakan ZrO2 dan CeO2. Pada tahap ini, pengaruh penyangga, metode pembuatan, dan komposisi nikel terhadap karakteristik dan performa katalis ditelaah. Hasil performa katalis selama 240 menit pada suhu 700°C, tekanan atmosferik, dan WHSV 60.000 mL g-1 jam-1 menunjukkan katalis 10%Ni/CeZrO2 memiliki aktivitas yang paling tinggi dengan konversi rata-rata CH4 dan CO2 masing-masing sebesar 74% dan 55%, yield rata-rata H2 dan CO masing-masing sebesar 51% dan 43%, serta rasio H2/CO mencapai 1,4. Performa katalis 10%Ni/CeZrO2 juga menunjukkan hasil yang jauh lebih baik dibandingkan katalis core-shell, katalis steam reforming, dan metanasi komersial. Nilai konversi CH4 dan CO2 per massa pusat aktif katalis 10%Ni/CeZrO2 mencapai 2 kali lipat lebih tinggi dibandingkan katalis steam reforming komersial. Jumlah karbon yang terbentuk untuk waktu uji selama 4 jam pada katalis steam reforming dan metanasi komersial, yaitu sekitar 0,34 dan 0,39 gC/gcat dibandingkan dengan katalis sintesis (< 0,01 gC/gcat) sehingga deposisi karbon pada seluruh katalis sintesis dapat diabaikan. Hal ini dikarenakan penyangga katalis mempunyai mobilitas oksigen yang lebih baik dalam proses de-coking oleh CeO2 melalui reaksi Boudouard. Pada tahap terakhir, pengaruh penambahan promotor basa pada katalis NiO/CeZrO2, pengembangan persamaan dan parameter kinetika, serta pemodelan reaktor unggun tetap dilakukan. Hasil uji performa katalis selama 240 menit pada temperatur 700°C, tekanan atmosferik, dan WHSV 60.000 mL g-1 jam-1 menunjukkan bahwa katalis sintesis 10%Ni-1%Mg/CeZrO2 memiliki aktivitas yang paling tinggi dibandingkan dengan promotor basa lainnya, dengan konversi CH4 dan CO2, yield produk H2 dan CO, rasio H2/CO masing-masing mencapai 80% dan 64%, 56% dan 41%, serta 1,53. Katalis 10%Ni-1%Mg/CeZrO2 juga menunjukkan stabilitas yang lebih baik dibandingkan katalis 10%Ni/CeZrO2. Penentuan persamaan kinetika katalis 10%Ni/CeZrO2 mengikuti mekanisme Langmuir-Hinshelwood mempunyai perbedaan nilai nilai galat ? 5% dan RMSE ? 0,046 antara model dan parameter kinetika dengan data eksperimen, sehingga model valid digunakan pada pemodelan reaktor. Pemodelan reaktor dilakukan dalam keadaan tunak yang melibatkan komponen fasa gas (CH4, CO2, H2, CO, dan H2O) dan padat (karbon) dengan model homogen semu 1D. Pemodelan dilakukan pada komposisi umpan CH4:CO2 mendekati komposisi Lapangan Gas Natuna, yaitu 30:70, mempunyai hasil konversi CH4, konversi CO2, dan rasio H2/CO yang diperoleh pada suhu operasi 700°C, yaitu sekitar 92%, 28%, dan 1,4.