Sintesis Senyawa Aromatik Melalui Pirolisis Bambu Betung Menggunakan Katalis Arang Tersulfonasi

Abstract

Transisi energi global mendorong upaya pemanfaatan biomassa lignoselulosa untuk substitusi bahan kimia berbasis fosil. Senyawa aromatik seperti hidrokarbon aromatik dan fenolik memiliki aplikasi luas pada berbagai bidang industri, dan hingga saat ini perolehannya masih mengandalkan bahan baku berbasis fosil. Bambu betung (Dendrocalamus asper (Schult.f.)) merupakan biomassa lignoselulosa yang melimpah dan berpotensi sebagai bahan baku untuk sintesis senyawa aromatik melalui pirolisis katalitik. Dekomposisi termal bambu betung dalam kondisi inert dapat mengonversi lignoselulosa menjadi produk berupa bio oil, arang, dan syngas. Pemberian katalis dalam proses pirolisis bertujuan untuk mempercepat reaksi dekomposisi sehingga meningkatkan rendemen bio-oil sebagai sumber senyawa aromatik. Arang hasil pirolisis yang diaktivasi juga dapat dimanfaatkan sebagai katalis karena memiliki struktur mesopori dan kaya akan karbon. Aktivasi arang menggunakan bahan kimia bertujuan untuk membuka pori-pori arang, sehingga permukaan kontak menjadi sangat luas, untuk meningkatkan daya serap dan efisiensi reaksi pirolisis. Rasio katalis terhadap biomassa termasuk faktor penting yang perlu dipertimbangkan dalam pirolisis katalitik. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis karakteristik katalis arang tersulfonasi dan mengevaluasi pengaruhnya terhadap karakteristik bio-oil (terutama kandungan senyawa aromatik) serta arang yang dihasilkan dari pirolisis katalitik bambu betung. Sintesis katalis arang tersulfonasi dilakukan dengan perlakuan H2SO4 pekat terhadap arang bambu betung pada suhu 150 °C selama 12 jam. Karakterisasi katalis arang dan arang tersulfonasi meliputi analisis FTIR, XRD, SEM-EDX, CHN, BET, dan TGA. Pirolisis katalitik dilakukan pada suhu 400 °C selama 60 menit menggunakan katalis arang, arang tersulfonasi, dan zeolit sebagai pembanding, dengan rasio katalis:biomassa 1:1 dan 1:2. Karakterisasi bio-oil pirolisis katalitik meliputi analisis nilai pH, kerapatan, FTIR, dan GCMS. Karakterisasi arang pirolisis katalitik meliputi analisis FTIR, XRD, BET, dan CHN. Proses sulfonasi secara signifikan meningkatkan porositas dan situs aktif dari arang tersulfonasi. Penambahan katalis arang tersulfonasi meningkatkan rendemen bio oil dengan kerapatan dan sifat keasaman yang rendah, serta selektivitas tinggi pada konversi senyawa fenolik. Peningkatan proporsi katalis meningkatkan pembentukan senyawa fenolik dan aromatik hidrokarbon, namun menurunkan rendemen bio-oil. Katalis arang tersulfonasi memfasilitasi pemecahan biomassa lignoselulosa menuju pembentukan syngas, sehingga menurunkan produksi arang dengan kandungan karbon, luas permukaan spesifik, serta volume pori arang yang tinggi. Penelitian ini merupakan implementasi penerapan konsep kilang hayati dengan meningkatkan kinerja pirolisis dan meningkatan nilai arang sebagai katalis.

The global energy transition is driving initiatives to utilize lignocellulosic biomass as a substitute for fossil-based chemicals. Aromatic hydrocarbons and phenolic compounds are essential chemicals that have vast applications in numerous industrial domains, yet, their synthesis still relies on fossil-based raw resources. Betung bamboo (Dendrocalamus asper (Schult.f.)) is a rich source of lignocellulose with varied lignin content, making it a very attractive raw material for the synthesis of aromatic and phenolic chemicals through catalytic pyrolysis. Thermal decomposition of bamboo in inert conditions can convert lignocellulose into simpler molecules, yielding bio-oil, bio-char, and syngas. The inclusion of catalysts in the pyrolysis process seeks to accelerate the decomposition reaction so that the pyrolysis process operates ideally and enhances the yield of bio-oil as a source of aromatic and phenolic compounds. Because it has mesoporous structure and high carbon content, activated pyrolysis char can also be utilized as a catalyst. The goal of chemically activating char is to increase the contact surface area by opening the char's pores, which will enhance the pyrolysis reaction's efficiency and absorption capacity. One crucial aspect of catalytic pyrolysis that must be taken into account is the ratio of catalyst to feedstock. This study intends to explore investigate the features of sulfonated char catalysts and evaluate their effect on the characteristics of bio-oil (particularly aromatic and phenolic hydrocarbon content), and char produced from the catalytic pyrolysis of betung bamboo. The production of sulfonated char catalysts was carried out by treating bamboo char with concentrated H2SO4 at 150 °C for 12 hours. Characterization of unmodified char and sulfonated char catalysts includes FTIR, XRD, SEM-EDX, CHN, BET, and TGA analyses. Catalytic pyrolysis was carried out at 400 °C for 60 minutes using unmodified char, sulfonated char, and zeolite catalysts as comparators, at catalyst:biomass ratios of 1:1 and 1:2. Characterization of catalytic pyrolysis bio-oil included pH value, density, FTIR, and GCMS analyses. Characterization of catalytic pyrolysis char included FTIR, XRD, BET, and CHN analyses. The sulfonation process significantly increases the porosity and active sites of the sulfonated char. Sulfonated char catalysts can increase bio-oil yield, characterized by low density and acidity, while maintaining good selectivity in the conversion of phenolic chemicals. Furthermore, increasing the amount of catalyst might increase the production of aromatic hydrocarbons and phenolic compounds, but it also reduces the yield of bio-oil. Sulfonated char catalysts enhance the breakdown of lignocellulose, leading to the creation of syngas, hence lowering the production of char with high carbon content, specific surface area, and pore volume. This research is a practical application of the concept of a biological biorefinery by increasing pyrolysis performance and raising the value of char as a catalyst.