Proses elektrokimia baru sedang dikembangkan untuk membantu perusahaan industri proses kimia mengurangi jejak karbonnya
Newsfront, Chemical Engineering, September 2021
Judul artikel di atas adalah judul yang diangkat oleh majalah Chemical Engineering edisi September 2021 dalam kolom Newsfront. Judul ini diberikan merujuk pada peran penting elektrokimia pada teknologi untuk memproduksi “hidrogen hijau” dengan elektrolisa air dan baterai skala besar sebagai penyimpan energi terbarukan. Selain itu, sekarang, dengan tujuan mencapai netralitas karbon sebelum 2050 atau lebih cepat, banyak produsen aktif dalam sejumlah proyek untuk memanfaatkan elektrokimia dengan energi terbarukan dan sumber bahan baku terbarukan untuk membuat bahan kimia. Teknologi ini sekarang sedang diuji dalam skala pilot dan akan melengkapi peran krusial yang telah dimainkan oleh elektrokimia selama lebih dari satu abad dalam industri proses kimia. Perlu diketahui, sampai saat ini masih banyak bahan kimia yang diproduksi menggunakan proses elektrokimia tradisional, mis.: khlor dan kaustik (proses khlor-alkali), logam alumunium (proses Hall-Herout) dan banyak lagi lainnya.
Alumunium bebas CO2
Sebelum melihat produksi bahan kimia dengan elektrokimia, terobosan penting masih mungkin untuk proses tradisional. Salah satu proses elektrokimia industri tertua adalah masih rute konvensional untuk membuat alumunium – proses Hall-Herout abad ke-19. Dalam proses ini, alumina (Al2O3) dilarutkan dalam leburan garam pada suhu sampai 2000oC dan dielektrolisa dalam peleburan (smelter). Suhu tinggi dan arus listrik besar yang digunakan dalam peleburan menyebabkan proses ini mengkonsumsi energi yang sangat besar. Selain itu, peleburan alumunium sekarang ini menggunakan anoda berbasis karbon (grafit atau kokas petroleum), yang dikonsumsi dalam proses reduksi. Ini tidak hanya membutuhkan penggantian elektroda yang mahal setiap 25 hari selama beroperasi, tetapi juga anoda berbasis karbon yang dikonsumsi dilepaskan sebagai CO2 – gas rumah kaca – dan polutan lain.
Untuk mengurangi jejak karbon, teknologi terobosan yang memiliki potensi untuk mengubah industri alumunium sekarang sedang dikembangkan oleh Elysis, sebuah usaha patungan yang dibentuk pada tahun 2018. Prototipe skala komersial pertama menggunakan teknologi anoda inert mulai dibangun pada akhir Juni lalu di peleburan Alma di Quebec, Kanada. Prototipe akan beroperasi pada skala tipikal untuk peleburan alumunium besar, menggunakan arus listrik 450 kA.
Anoda baru dibuat dari logam yang dipatenkan, bukan karbon, dan hasil samping proses hanyalah oksigen. Bukan hanya menghilangkan emisi CO2, tetapi anoda ini juga menghilangkan hasil samping lain yang dibentuk oleh anoda tradisional seperti perfluorokarbon, CO, SO2, NOx, karbonil sulfida, hidrokarbon polisiklik dan benzol(a)pyrene. Selain itu, proses baru juga menggunakan geometri anoda/katoda vertikal, yang meningkatkan produktivitas untuk luas permukaan yang sama. Jika digerakkan dengan pembangkit listrik tenaga air (PLTA), seluruh proses menghasilkan alumunium bebas CO2.
Teknologi Elysis dikembangkan dengan dukungan dari Pemerintah Kanada dan Pemerintah Quebec, yang masing-masing berinvestasi CAN$ 60 juta (sekitar USD 48 juta). Unit komersial pertama direncanakan untuk tahun 2024, dan teknologi ini akan dikomersialkan secara global.
Sintesa elektro-organik
Meskipun beberapa komoditas dan bahan kimia adi (fine chemicals) telah diproduksi menggunakan elektrokimia pada skala industri, akhir-akhir ini ada ketertarikan kembali pada sintesa elektro-organik. Ini disebabkan oleh bertambahnya ketersediaan listrik murah (di beberapa negara), dan tuntutan mendesak untuk mengurangi emisi karbon yang membutuhkan pengembangkan rute produksi yang lebih ramah lingkungan dan berkelanjutan untuk ekonomi siklus.
Elektrosintesa mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan sintesa kimia konvensional, beberapa diantaranya adalah:
- memiliki sifat bawaan aman
- menghemat unsur berharga dan jarang
- tidak menghasilkan limbah reagen
- daya reaktif yang dapat disesuaikan
- memperkenalkan pendekatan sintesis baru
- ramah lingkungan
Salah satu proyek program Horizon yang diprakarsai oleh Uni Eropa sejak 2018 adalah proyek Liberate. Proyek ini bertujuan untuk memproduksi bahan kimia dari lignin berbasis kayu. Proyek Liberate (pendekatan kilang bio menggunakan aliran elektrokimia) melibatkan 16 mitra yang terdiri dari perusahaan kimia kecil sampai besar, universitas dan lembaga penelitian. Dalam proyek Liberate, oksidasi elektrokimia anodik yang sangat efisien dan selektif dipakai untuk mendepolimerisasi lignin dan menghasilkan bahan kimia. Tiga jenis lignin yang sedang diteliti adalah Kraft, organosolv dan Fabiola (tiga proses pembuatan pulp yang berbeda). Depolimerisasi yang dikembangkan berlangsung pada 160oC dalam larutan kaustik menggunakan elektroda nikel. Tiga train produk yang berbeda sedang dikembangkan, yakni:
- untuk membuat vanilin;
- untuk mengubah cyclohexasanol menjadi 3-propyl adipic acid, prekursor untuk membuat poliamida dan resin poliester tak jenuh;
- untuk membuat turunan fenolik campuran, yang dapat dipakai untuk membuat antioksidan, resin fenol-formaldehida dan bahan kimia lainnya.
PowerPlatform adalah proyek lain dari program Uni Eropa Horizon 2020 yang bertujuan memantapkan platform infrastruktur untuk konversi elektrokimia yang sangat selektif dengan tujuan elektrifikasi industri kimia. Dua saluran sedang dikembangkan dalam platform, yang melibatkan pemakaian bahan baku umpan C5-C6 yang diturunkan dari biomassa. Pada Saluran 1, proses elektrokimia berpasangan digunakan, dimana furfural dioksidasi pada anoda menjadi asam maleat, dan asam levulinik direduksi pada katoda menjadi asam valerat. Kedua produk yang memiliki nilai tambah ini relevan dalam industri, dan menghasilkannya secara serempak dalam sel yang sama memiliki keuntungan ekonomi yang jelas. Pada Saluran 2, elektrolisa tandem berpasangan dipakai untuk mengoksidasi glukosa menjadi asam glukarik, yang kemudian dihidrodeoksigenasi menjadi asam adipat, komoditas penting lain bahan kimia. Inti dari proses di atas adalah katalis, yang disebut memiliki selektivitas diatas 80%.
Saat ini, yang dimulai Januari 2019, berada pada fase 2 dengan penaikan skala sampai sel 1.000 cm2 yang mampu menghasilkan produk 25 g/jam, dengan proses hilir terpadu (elektrodialisa, nanofiltrasi, ekstraksi dan distilasi, kristalisasi).
Utilisasi CO2
Selama lima tahun terakhir, TotalEnergies SE dan kelompok peneliti dari Universitas Toronto telah mengembangkan proses elektrokimia, berbasis pada membrane electrode assembly (MEA), untuk mengubah CO2 menjadi senyawa C2, seperti etilena (petrokimia penting) dan etanol (untuk biofuel). Dalam tahap awal, penelitian banyak diarahkan untuk meningkatkan konversi elektrokimia. Pertama, nanokatalis dikembangkan, yang diikuti dengan elektroda berstruktur mikro untuk meningkatkan produktivitas etilena dengan memperbesar luas aktif elektroda. Ini dilakukan dengan menggunakan katalis hibrida logam:ionomer, yang memecah perpindahan gas, ion dan elektron, dan memungkinkan CO2 dibawa ke katalis.
Sebuah pilot plant dibangun yang telah beroperasi 24 jam/hari selama berbulan-bulan. Pilot plant menggunakan MEA dengan luas 40.000 cm2 – peningkatan skala yang besar dari unit 5-100 cm2 yang dipakai dalam studi laboratorium. Salah satu masalah terkait dengan MEA adalah bahwa ketika CO2 dimasukkan ke elektrolit, ia dengan cepat diubah menjadi karbonat. Untuk mencegah ini, CO2 diubah dulu menjadi CO dalam sel elektrokimia padatan-oksida, kemudian CO diubah menjadi etilena dalam MEA.
Proyek lain adalah penangkapan CO2 dari proses fermentasi untuk membuat produk yang bernilai lebih tinggi. Proses fermentasi ini menggunakan gula sebagai bahan baku terbarukan, tetapi hanya sebagian saja yang dipakai sebagai sumber karbon untuk produk; sisanya dipakai sebagai sumber energi bagi mikroba, yang menghasilkan CO2 sebagai produk limbah. CO2 ini ditangkap dan direduksi menjadi asam formiat secara elektrokimia, dan kemudian mengumpankannya kembali ke fermentor sebagai sumber energi. Ini tidak hanya menghilangkan emisi CO2 bersih, tetapi juga mengurangi jumlah gula yang dibutuhkan untuk membuat produk.
Beberapa perusahaan, universitas dan lembaga penelitian juga sedang mengembangkan proyek serupa. Salah satu tujuannya adalah untuk meningkatkan kinerja reaktor elektrokimia.
(Heru Setyawan)
Elkimkor 