Electronic Theses and Dissertation

Peningkatan konsumsi plastik dan terbatasnya pengolahan sampah plastik secara mekanik sederhana menimbulkan pertimbangan untuk pengembangan pengolahan sampah plastik secara termokimia. Pirolisis merupakan salah satu proses termokimia yang dapat mengkonversi sampah plastik menjadi sejumlah produk dalam fasa gas, padat, dan cair. Sebagaimana asalnya, plastik merupakan produk sintetis yang dihasilkan dari gas alam dan minyak bumi, sehingga secara garis besar tersusun atas unsur karbon dan hidrogen. Oleh karena itu, pengolahannya kembali secara termokimia menjadi produk asalnya dapat dijadikan sebagai salah satu strategi yang layak dalam mengatasi permasalahan sampah plastik. Di sisi lain juga dapat memberikan solusi positif terhadap pemerolehan sumber energi alternatif. Secara umum, produk cair hasil pirolisis termal (tanpa katalis) diketahui mengandung senyawa aromatik, alkana, dan alkena sebagaimana komposisi petroleum fuels. Namun, produk tersebut masih mengandung sejumlah besar senyawa teroksigenasi (alkohol, asam, dan keton) dan hidrokarbon berfraksi berat yang dapat memberikan dampak negatif pada sistem pembakaran ketika diaplikasikan secara langsung pada mesin. Oleh karena itu, diperlukan proses lanjutan untuk dapat mereduksi dan mengkonversi keberadaan senyawa teroksigenasi tersebut menjadi produk dengan komposisi senyawa hidrokarbon yang berkualitas (gasoline). Berdasarkan tantangan dan permasalahan tersebut, maka tujuan dari penelitian ini adalah untuk meningkatkan kualitas minyak hasil pirolisis termal (tanpa katalis) menjadi produk cair berfraksi gasoline via katalitik reforming menggunakan katalis zeolit yang dimodifikasi oleh impregnasi logam aktif nikel dan molibdenum, serta promotor niobium. Pada studi ini, katalis dipreparasi melalui serangkaian tahapan, yaitu: sintesis zeolite (HZSM5-70), sintesis niobium (NbOPO4) secara sol-gel, sintesis zeolite-niobium (HZSM5-70-NbOPO4) secara embedded, dan impregnasi logam aktif terhadap penyangga-promotor (NiO atau MoO3 terhadap HZSM5-70-NbOPO4). Sejumlah karakteristik katalis seperti struktur morfologi dan topografi (SEM-EDS mapping), gugus fungsi (FT-IR), kristalinitas dan intensitas senyawa (XRD), dan total situs asam (NH3-TPD) telah dievaluasi. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa katalis yang dihasilkan memiliki ukuran nanopartikel dengan ukuran rata-rata 29,94 nm (HZSM5-70), 43,60 nm (NiO/HZSM5-70), 72,68 nm (NiO/HZSM5-70-NbOPO4), 36,81 nm (MoO3/HZSM5-70), dan 36,47 nm (MoO3/HZSM5-70-NbOPO4) dengan struktur kristalin; keberadaan senyawa penyusun dari masing-masing katalis seperti Si, Al, O, Ni, Mo, Nb, dan P terdistribusi merata dan tersebar pada katalis; dan memiliki situs asam yang selektif terhadap reaksi perengkahan senyawa alifatik (teroksigenasi maupun hidrokarbon berat). Untuk mengevaluasi kinerja katalis, sejumlah variabel proses seperti massa impregnasi (2-10 %), massa katalis (1-5 %), dan temperatur reforming (400-500 oC) dievaluasi pada proses catalytic reforming yang dilangsungkan pada tubular reactor. Peningkatan nilai dari setiap parameter tersebut menunjukkan trend yang serupa yaitu penurunan yield produk cair, namun kualitas dari produk cair yang dihasilkan mengalami peningkatan. Hal tersebut teridentifikasi melalui penurunan gugus fungsi sejumlah senyawa teroksigenasi (alkohol, keton, dan carboxylic acid) dan peningkatan gugus fungsi dari senyawa hidrokarbon dan aromatik pada bahan baku (analisis FT-IR). Kualitas produk cair hasil reforming terbaik diperoleh pada pengimpregnasian logam aktif sebesar 10 % dan temperatur reforming 450 oC (katalis berbasis nikel maupun molibdenum). Berfokus pada produksi senyawa target (fraksi gasoline, C5-C12) yang dihasilkan melalui pengaplikasian berbagai jenis katalis, diperoleh persentase fraksi gasoline tertinggi sampai terendah secara berturut NiO/HZSM5-70-NbOPO4>NiO/HZSM5-70>MoO3/HZSM5-70-NbOPO4>MoO3/HZSM5-70>HZSM5-70 dengan nilai area 89,46%>85,05%>83,77%>74,42%>66,48% dari fraksi senyawa umpan 33,39%. Hasil analisis stabilitas menunjukkan bahwa katalis memiliki performa katalitik yang baik setelah lima kali penggunaan, ditandai dengan penurunan yield produk cair yang tidak signifikan yaitu sebesar 4,36% (HZSM5-70), 3,78% (NiO/HZSM5-70), 2,95% (NiO/HZSM5-70-NbOPO4), 4,32% (MoO3/HZSM5-70), dan 3,11% (MoO3/HZSM5-70-NbOPO4), dengan pembentukan kokas sebesar 6,61% (HZSM5-70), 5,22% (NiO/HZSM5-70), 2,44% (NiO/HZSM5-70-NbOPO4), 3,89% (MoO3/HZSM5-70), dan 3,41% (MoO3/HZSM5-70-NbOPO4). Hasil analisis sifat fisika seperti densitas, viskositas dan HHV produk cair hasil katalitik reforming menunjukkan nilai yang mendekati gasoline-commercial. Hasil analisis optimasi proses katalitik reforming menggunakan response surface methodology dengan rancangan Box-Behnken menunjukkan model yang signifikan (ANOVA) dengan kondisi optimum (yield maksimum) pada setiap katalis yaitu, NiO/HZSM5-70-NbOPO4 (laju alir 3,34 mL/jam; massa katalis 3,01%, temperatur reforming 418,18 °C; yield produk cair 45,76%), NiO/HZSM5-70 (laju alir 3,39 mL/jam; massa katalis 3,01 %, temperatur reforming 426,26 °C; yield produk cair 42,51 %) dan MoO3/HZSM5-70 (laju alir 3,45 mL/jam; massa katalis 3,02 %, temperatur reforming 436,47 °C; yield produk cair 42,47 %).

The increase in plastic consumption and the limited processing of plastic waste by simple mechanics have given rise to strategies for developing thermochemical plastic waste processing. Pyrolysis is a thermochemical process that converts plastic waste into various products in the gas, solid, and liquid phases. Plastic is a synthetic material made from natural gas and petroleum. Subsequently, it consists primarily of carbon and hydrogen. Therefore, thermochemical reprocessing into its original product can be used as an appropriate method for addressing the problem of plastic waste. On the other hand, it might be a beneficial approach for acquiring alternate energy sources. In general, liquid products of thermal pyrolysis (without a catalyst) are known to contain aromatic, alkanes, and alkenes compounds, as is the composition of petroleum fuels. However, these products still contain enormous amounts of oxygenated-compounds (alcohols, acids, and ketones) and heavily fractionated hydrocarbons, which could negatively impact the combustion system when applied directly to the engine. As a result, further processes are required to eliminate and convert the existence of these oxygenated-compounds into high-quality hydrocarbon composition products (gasoline). Based on these challenges and problems, the objective of this research is to improve the quality of thermal pyrolysis oil (without a catalyst) into a liquid product of the gasoline fraction through catalytic reforming with a zeolite catalyst modified by impregnation of active metals (nickel and molybdenum), as well as a niobium promoter. In this study, the catalyst was developed by several kinds of processes, including zeolite synthesis (HZSM5-70), niobium sol-gel synthesis (NbOPO4), embedded zeolite-niobium (HZSM5-70-NbOPO4) synthesis, and active metal impregnation on promoter support (NiO or MoO3 on HZSM5-70-NbOPO4). Several catalyst characteristics, comprising morphological structure and topography (SEM-EDS mapping), functional groups (FT-IR), crystallinity and compound intensity (XRD), and total acid sites (NH3-TPD), have been investigated. The characterization observations reveal that the resultant catalyst has nanoparticle sizes with an average length of 29.94 nm (HZSM5-70), 43.60 nm (NiO/HZSM5-70), 72.68 nm (NiO/HZSM5-70-NbOPO4), 36.81 nm (MoO3/HZSM5-70), and 36.47 nm (MoO3/HZSM5-70-NbOPO4), with a crystalline structure, the presence of each catalyst's components compounds such as Si, Al, O, Ni, Mo, Nb, and P that are distributed evenly and dispersed over the catalyst; and has an acid site that is selective for the cracking reaction of aliphatic compounds (oxygenated or heavy hydrocarbons). Several variables related to the process, such as impregnation mass (2-10%), catalyst mass (1-5%), and reforming temperature (400-500 oC), were investigated in the catalytic reforming process, which was carried out in a tubular reactor, to assess catalyst performance. An increase in the value of each parameter exhibits a similar trend, notably a reduction in the yield of liquid products but an improvement in the quality of the resultant liquid products. It was discovered that there was a decrease in the functional groups of several oxygenated compounds (alcohols, ketones, and carboxylic acids) and an increase in the functional groups of hydrocarbon and aromatic compounds in the raw material (FT-IR investigation). The best quality reformed liquid product was achieved using 10% active metal impregnation and a reforming temperature of 450 oC (nickel and molybdenum-based catalysts). Focusing on the production of target compounds (gasoline fraction, C5-C12) using various types of catalysts, the highest to lowest percentages of gasoline fractions were obtained NiO/HZSM5-70-NbOPO4>NiO/HZSM5-70>MoO3/HZSM5-70-NbOPO4>MoO3/HZSM5-70>HZSM5-70 eventually with an area value of 89,46%>85,05%>83,77>74,42>66,48% of the feed compound fraction of 33,39%. The results of the stability analysis showed that the catalyst had good catalytic performance after five uses, marked by a non-significant decrease in the yield of liquid products, namely 4,36% (HZSM5-70), 3,78% (NiO/HZSM5-70), 2,95% (NiO/HZSM5-70-NbOPO4), 4,32% (MoO3/HZSM5-70), and 3,11% (MoO3/HZSM5-70-NbOPO4), with coke formation of 6,61% (HZSM5-70), 5,22% (NiO/HZSM5-70), 2,44% (NiO/HZSM5-70-NbOPO4), 3,89% (MoO3/HZSM5-70), and 3.41% (MoO3/HZSM5-70-NbOPO4). The physical characteristics of the liquid product of catalytic reforming, comprising density, viscosity, and HHV, are close to those of gasoline-commercial. The results of the catalytic reforming process optimization analysis using the response surface methodology with the Box-Behnken design show a significant model (ANOVA) with optimum conditions (maximum yield) for each catalyst, in particular NiO/HZSM5-70-NbOPO4 (flow rate 3,34 mL/h, catalyst mass 3,01%, reforming temperature 418,18 °C, yield of liquid products 45,76%), NiO/HZSM5-70 (flow rate 3,39 mL/jam; catalyst mass 3,01%, reforming temperature 426,26 °C; yield of liquid product 42,51%) and MoO3/HZSM5-70 (flow rate 3,45 mL/jam; catalyst mass 3,02%, reforming temperature 436,47 °C; yield of liquid product 42,47 %).