Sintesis Silika-Karbon Mesopori Asam Sulfonat Sebagai Katalis Untuk Reaksi Esterifikasi

Terdapat banyak keuntungan menggunakan katalis heterogen dalam reaksi esterifikasi untuk pembuatan biodiesel dibandingkan katalis homogen seperti kemudahan dalam hal pemisahan katalis dan dapat digunakan kembali. Sehingga, katalis heterogen dapat menyederhanakan penanganan akhir produk yang dihasilkan. Selain itu, penggunaan katalis asam heterogen dapat menghindari pembentukan sabun selama netralisasi asam lemak bebas (free fatty acid). Dibandingkan dengan katalis asam homogen, katalis asam padat kurang aktif, kurang stabil dan relative mahal. Oleh sebab itu, diperlukan pengembangan katalis asam padat yang memiliki aktivitas katalitik yang tinggi, stabil dan ekonomis. Pada penelitian ini, kami telah mengembangkan katalis asam padat dengan menggabungkan permukaan silika mesopori dengan produk organik natural terkarbonisasi tak sempurna dan kemudian mensulfonasi permukaannya. Dalam kasus ini, kami menggunakan poly ethylene glycol (PEG) yang merupakan polimer organik yang dapat larut dalam air sebagai template pori maupun sebagai sumber karbon. Setelah tersulfonasi, produk komposit silika-karbon mesopori yang telah tersulfonasi memiliki kapasitas ion yang tinggi, luas permukaan dan volume pori yang besar. Proses karbonisasi menggunakan metode kalsinasi dengan aliran nitrogen pada temperatur yang divariasikan antara 450 hingga 750 ºC selama 1-5 jam. Partikel silika karbon tersulfonasi yang telah kering dianalisa karakteristik luas permukaannya menggunakan persamaan BET, distribusi ukuran pori ditentukan dari cabang desorpsi isotherm menggunakan teori Barrett-Joyner-Halenda (BJH) menggunakan alat adsorpsi gas (NOVA e-1200). Sample di treatment pada temperatur 300 °C selama proses degassing, gugus fungsi ditentukan menggunakan analisa FT-IR (Fourier Transform Infra-Red), dan kapasitas ion ditentukan menggunakan analisis titrimetric. Sebagai pembanding, efektivitas katalis dibandingkan menggunakan katalis Flotroll F-007. Dampak dari temperatur kalsinasi komposit silika karbon menunjukkan luas permukaan komposit menurun dari 1651,477 m2/g pada temperatur 750 ºC menjadi 1074,114 m2/g pada temperatur 550 ºC, dan kemudian meningkat kembali ketika temperatur kurang dari 550 ºC. luas permukaan tertinggi ditemukan pada komposit yang disintesis dengan proses kalsinasi pada temperatur 750 ℃ selama 1 jam sebesar 1651,477 m2/g. kapasitas ion asam sulfonat katalis silika karbon asam sulfonat yang didapatkan semakin menurun akibat meningkatnya temperatur kalsinasi dari 550 ke 750 ℃, masing-masing nilai kapasitas ion asam suulfonat sebesar 30 dan 20 mEq/g, dimana nilai ini jauh lebih besar daripada kapasitas ion dari Flotrol F-007 (4,5 mEq/g). Dengan meningkatnya temperatur reaksi esterifikasi menggunakan katalis silika karbon asam sulfonat, maka konversi asam asetat yang dihasilkan menjadi semakin meningkat dari 21,48 ke 41,95 % pada cycle pertama reaksi, 21,23 ke 30,83 % pada cycle ke-2 dan 23,29 ke 25,21 % pada cycle ke-3. Energi aktivasi katalis silika karbon asam sulfonat dalam mengesterifikasi asam asetat dengan etanol lebih kecil sebesar 16.182,4 J/mol dibandingkan penggunaan resin kationik lewatit yaitu sebesar 84.878 J/mol. ================================================================================================ There were many advantages of using heterogeneous catalyst in esterification reaction for biodiesel production than homogenous catalyst in terms of easy of catalyst separation and reusable. Thus, heterogeneous catalyst can simplify the final handling product. In addition, the use of heterogeneous acid catalyst can avoid the formation of soap through the neutralization of free fatty acids. Compared to homogeneous acid catalyst, solid acid catalyst is less active, less stable and relatively expensive. Therefore, it is required to developed solid acid catalyst having highly activity, stable and economic. Here, we have developed a solid acid catalyst by covering mesoporous silica surface with incompletely carbonized natural organic product and then sulfonating the surface. In this case, we used polyethylene glycol (PEG), a polymer soluble in water, as both the template for pores and carbon source. After being sulfonated, the product was sulfonated-mesoporous silica-carbon composite that had high ionic capacity, high surface and high pore volume. Carbonization process is by calcination in a flowing nitrogen environment with a temperature varied from 450 to 750 ºC for 1-5 h. The dried sulfonated silica particle was characterized for their specific surface area by the BET equation, the pore size distribution was determined from the desorption branch of the isotherm using the Barrett-Joyner-Halenda (BJH) theory using the gas adsorption device (NOVA e-1200). The samples were pre-treated at 300 °C while degassing, functional group by FT-IR (Fourier Transform Infra-Red) test, and ionic capacity by titrimetric analysis. As comparative, the catalyst used for effectiveness was Flotrol F-007. The effect of calcination temperature of silica carbon composite showed that surface area was decreased from 1651,477 m2/g at temperature of 750 ºC to become 1074,114 m2/g at a temperature of 550 ºC, and then increased again when the temperatures were less than 550 ºC. the highest surface area was found to be 1651,477 m2/g which was synthesized at temperature of 750 ºC for 1 h of calcination. The sulfonate acid ion capacity of sulfonic acid silica carbon catalyst decreases due increase of calcination temperature from 550 to 750 ℃, The ionic capacity takes the value of 30 and 20 mEq/g, respectively which is much larger than that of Flotrol F-007 (4,5 mEq/g). Due to the temperature increase of esterification reaction using sulfonic acid mesoporous silica carbon catalyst, the resulting acetic acid conversion also shows an increase from 21,48% to 41,95% at the first cycle, then 21,23% to 30,83% at the second cycle, and finally 23,29% to 25,21% at the third cycle. The activation energy for sulfonic acid mesoporous silica carbon is 16.182,4 J/mol, which is less than lewatit cationic resins are found to be 84.878 J/mol