BAB III KINETIKA REAKSI
3.4. Analisis Termogravimetri Biomassa Sekam Padi
Pada proses pembakaran padatan umumnya mengalami tiga tahapan yakni tahap pengeringan, tahap devolatilisasi, tahap pembakaran arang dan akan tersisa abu (Borman and Ragland, 1998). Pada pengujian pertama sekam padi yang akan digunakan sebagai bahan dalam penelitian dicari kandungan airnya terlebih dahulu. Hal ini dimaksudkan untuk mencari titik dimana proses pengeringan ini selesai. Kandungan air yang terkandung pada sekam padi ini adahah 10,1% (Gambar 3.1). Ini berarti bahwa kurva diferensial termogravimetri yang akan dianalisis untuk proses devolatilisasi adalah pada Y ≤ , . Karena pada titik ini
devolatilisasi baru mulai terjadi. Sedang untuk Y > 0,89 adalah proses pengeringan.
49
Kinetika Reaksi
Tabel 3.1. Rata- rata pengujian moisture content pada sekam padi (Suyitno, Juwana et al., 2009)
No Massa (g) MC (%) 1 5,002 10,17 2 4,999 10,18 3 4,998 10,07 4 4,999 10,11 5 5,001 10,00 Rata-rata 10,11
3.4.2. Energi Aktivasi (E) dan Pre-eksponensial Faktor (A)
Pengujian untuk mencari E dan A dilakukan dengan tiga variasi pengujian yaitu pada Tdinding 250oC, 300oC, dan 350oC. Ini berarti regresi yang akan dilakukan untuk mencari E dan A adalah 3 titik. Sekam yang digunakan pada pengujian ini adalah sekam tanpa proses perlakuan khusus (sekam yang diambil langsung dari tempat penggilingan padi). Data yang diperoleh untuk ketiga variasi ini yang berupa penurunan fraksi massa dan kenaikan temperatur pada sekam kemudian dibuat grafik terhadap waktu (Gambar 3.4). Dari data ini dapat terlihat bahwa untuk parameter Tdinding yang semakin tinggi maka nilai dari laju kenaikan temperatur sekam akan semakin tinggi dan juga penurunan massa semakin cepat. Dengan grafik ini juga dapat kita ketahui bahwa untuk parameter Tdinding yang semakin tinggi maka reaksi dekomposisi yang terjadi akan semakin cepat. Jika dicermati, untuk Tdinding yang semakin tinggi berarti energi kalor yang diberikan pada sistem akan semakin besar. Jika energi yang diberikan pada suatu sistem semakin banyak maka jumlah partikel bahan yang mendapatkan energi untuk berdekomposisi akan semakin banyak. Hal inilah yang menyebabkan proses dekomposisi semakin cepat.
Dari data Y=f(t) lalu dicari untuk fungsi dY=f(t) (Gambar 3.5). Pada kedua grafik inilah E dan A dapat dicari. Pada grafik T=f(t) (Gambar 3.4) dan dY/dt=f(t), data yang akan dipakai untuk mencari E dan A adalah rata-rata dari jangkauan Y=0,9 hingga Y = 0,5. Hal ini dipakai karena data dari Y=0,9 hingga 0,5 adalah saat proses devolatilisasi.
50
Produksi Gas dari Padatan
Dari rata–rata jangkauan 0,9 hingga 0,5 diperoleh data Tpadatan dan dY/dt untuk variasi Tdinding 250oC, 300oC, dan 350oC pada Tabel 3.2. Dari tabel nilai 1/Tpadatan dan logaritma alami dari dY/dt kemudian digambar seperti pada Gambar 3.6 dari hasil penggambaran tersebut kemudian dicari regresi linearnya. Energi aktivasinya merupakan perkalian antara gradien dari regresi linear dengan konstanta gas (R=8,31J/molK). Sedangkan untuk pre-eksponensial faktornya merupakan fungsi pre-eksponensial dari regresi liear pada saat Tpadatan = nol. Dari penelitian ini diperoleh nilai dari energi aktivasinya adalah 41,55 kJ/mol. Sedangkan untuk nilai dari pre-eksponensial faktornya adalah 6,34.
Gambar 3.4. Grafik Y=f(t) dan Tpadatan=f(t) (Hastanto, 2008)
Tabel 3.2. Nilai energi aktivasi dan pre-eksponensial faktor vari asi Tdinding (Bustamante, Enick et al.) Y (50%) 1/Tpadatan ln dY/dt E A Tpadatan (K) dY/dt (-kJ/mol ) 1 250 545,66 0,000668 0,001833 -7,31158 41,55 6,3 4 2 300 562,08 0,000844 0,001779 -7,07727 3 350 565,41 0,000937 0,001769 -6,97318
51
Kinetika Reaksi
Gambar 3.5. Grafik Y=f(t) dan dY/dt=f(t) (Hastanto, 2008)
Gambar 3.6. Grafik logaritma alami terhadap 1/Tpadatan
3.4.3. Karakteristik Proses Pirolisis
Dari pengujian yang telah dilakukan didapatkan grafik termogravimetri dan diferensial termogravimetri (dY/dt dan d2Y/dt2), yang digunakan untuk mencari karakteristik devolatilisasi. Untuk sekam mulai terdegradasi disebut dengan Tawal. Tawal didapat pada saat Y=0,975. Tawal ini biasanya tidak ditampilkan pada laporan penelitian karena akan semakin mempersulit dalam pembacaan pada grafik karakteristik devolatilisasi. Untuk Permulaan hemiselulosa terurai ditunjukkan pada Tpermulaan, h, yaitu pada kemiringan yang terjadi pada kurva laju devolatilisasi. Titik ini ditunjukkan pada nilai maksimum pertama pada –(d2Y/dt2) (diatas nilai nol pada sumbu Y) yang diekstrapolasi untuk laju dekomposisinya. Pada penguraian hemiselulosa ini juga ada satu karakteristik lagi yaitu Tbahu, titik ini ditunjukkan pada titik yang paling mendekati nol pada daerah yang paling mendekati dengan Tpermulaan, h tadi. Untuk kasus jika hemiselulosa dan selulosa tidak terjadi reaksi yang tumpang
52
Produksi Gas dari Padatan
tindih, maka Tbahu merupakan titik akhir dari proses dekomposisi dari hemiselulosa. Tpuncak merupakan laju dekomposisi maksimum dari proses devolatilisasi ini. Titik ini biasanya terjadi pada saat proses dekomposisi selulosa. Tpuncak ditunjukkan pada kurva –
(dY/dt) saat mencapai titik maksimum. Untuk permulaan dari proses yang terakhir yang didominasi dengan penguraian dari lignin disebut Tofset. Titik ini dicari dari ekstrapolasi laju devoloatilisasi dari-(d2Y/dt2) minimum pada daerah ini (Gronli, M. G., 2002).
Nilai dari karakteristik devolatilisasi sekam padi pada pengujian yang telah dilakukan untuk tiga variasi pengujian telah ditabelkan pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3. Nilai dari karakteristik devolatilisasi dari variasi Tdinding Tdinding
(Bustamante, Enick et al.)
Tpermulaan, h
(K) Tbahu (K) Tpuncak (K) Tofset (K)
350 500 588 626 702
300 496 578 616 664
53
Produksi Gas dari Padatan
54
Produksi Gas dari Padatan
Jika dicermati pada hasil dari karakteristik devolatilisasi dari variasi temperatur Tdinding dari 350oC hingga 250oC, dapat dilihat nilai dari masing – masing komponen mengalami penurunan, atau dengan kata lain Tdinding semakin tinggi maka nilai dari karakteristik devolatilisasi akan mengalami peningkatan. Dan seperti yang dapat dilihat bahwa zona reaksi dari sekam yang diuji adalah untuk Tdinding 250oC, 300 oC, dan 350 oC adalah 131oC, 168 oC, dan 202 oC. Sehingga dapat diketahui bahwa untuk parameter Tdinding yang semakin tinggi maka zona reaksi yang terjadi semakin lebar.
3.4.4. Karakteristik Proses Gasifikasi Sekam Padi
Dari penelitian yang telah dilakukan didapatkan hasil untuk karakteristik devolatilisasi pada proses gasifikasi, antara lain; Initial temperature volatile matter (ITVM), Initial temperature fix carbon (ITFC), Peak temperature (PT), dan Burnout temperature (http://www.btgworld.com/technologies/gasification.html). Untuk ITVM ditunjukkan pada saat temperatur berada di titik pada saat penurunan laju pengurungan massa yang pertama. Sedangkan untuk ITFC adalah pada titik saat laju pengurangan massa dipercepat ini berarti pad saat d2Y/dt2-nya mengalami puncak. Untuk PT didapatkan pada titik laju pengurangan massa maksimum. Sedangkan untuk BT adalah saat massa mulai konstan pada saat akhir reaksi (Othman, N. F., 2003). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8. Grafik Y dan dY/dt pada gasifikasi sekam padi (Hastanto, 2008)
Y dY/dt
55
Kinetika Reaksi
Penelitian yang dilakukan menggunakan tiga variasi temperatur pada Tdinding, yaitu 250oC, 300oC, dan 350oC. Dan untuk penelitian yang telah dilakukan ini hasil dari kurva devolatilisasi dapat dilihat pada Tabel 3.4. Nilai dari Karakteristik Devolatilisasi dari proses gasifikasi untuk sekam padi.
Tabel 3.4. Nilai dari Karakteristik Devolatilisasi dari proses gasifikasi untuk sekam padi
Tdinding (Bustamante, Enick et al.) ITVM (K) ITFC (K) PT (K) 250 467 527 589 300 420 555 602 350 - - 637
Dari penelitian ini ternyata tidak dari semua karakteristik devolatilisasi untuk proses gasifikasi pada proses ini dapat diperoleh. Untuk burnout temperature pada ketiga variasi tidak muncul sebagaimana dapat dilihat pada
Gambar 3.9. Hal ini dikarenakan pada saat pengujian ketika sekam mulai bereaksi (berdekomposisi) maka akan menghasilkan panas sehingga Tpadatan akan meningkat, namun pada saat reaksi telah mencapai akhir maka energi panas dari sekam tidak dihasilkan lagi di dalam reaktor, sehingga inilah yang menyebabkan turunnya panas pada Tpadatan. Untuk variasi Tdinding 350oC, nilai dari ITVM dan ITFC juga tidak dapat diketahui. Hal ini disebabkan karena laju pengurangan massa yang semakin cepat maka kurva untuk pengeringan dan devolatilisasi seakan–akan tidak bisa untuk dipisahkan. Bila kita cermati pula dari variasi Tdinding 250oC, menuju Tdinding 300oC, maka titik ITVM akan mengalami pergeseran ke kiri hingga pada saat Tdinding350oC titik ITVM tidak lagi nampak pada grafik. Untuk peak temperature PT terlihat kecenderungan yang semakin bergeser ke arah kanan untuk variasi Tdinding yang semakin tinggi. Hal ini sama dengan yang ditunjukkan pada proses pirolisis.
56
Produksi Gas dari Padatan
Gambar 3.9. Grafik dY/dt = f(T) untuk tiga variasi Tdinding (Hastanto, 2008)