BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dampak Emisi Gas Buang Kenderaan Bermotor
Dampak dari hasil buangan gas kenderaan bermotor antara lain sebagai berikut : 1. Timbal (Pb) dapat mengakibatkan penurunan tingkat kecerdasan dan
perkembangan mental anak, mengakibatkan tekanan darah tinggi, fungsi reproduksi laki laki dan terganggunya fungsi ginjal (Tambunan T.D., 2006). 2. CO (karbon monoksida) dapat menyebabkan pengurangan kadar oksigen
dalam darah sehingga mengakibatkan pusing, gangguan berpikir, penurunan reflek, gangguan jantung bahkan kematian (Tambunan T.D., 2006).
3. NOx
4. HC (hidrokarbon) menyebabkan iritasi mata, pusing, batuk, mengantuk, perubahan kode genetik, memicu asma, dan kanker paru paru (Tambunan T.D., 2006).
(oksida nitrogen) dapat menimbulkan iritasi mata, batuk, gangguan jantung, paru-paru, asma dan infeksi saluran pernafasan (Tambunan T.D., 2006).
Oleh karena akibat yang ditimbulkan gas buang kenderaan bermotor seperti tersebut di atas, maka banyak perusahaan otomotif sekarang sudah melengkapi knalpot dengan material katalik konverter yang bekerja dengan prinsip oksidasi dan reduksi sehingga gas yang dikeluarkan kenderaan bermotor dapat diubah menjadi zat yang tidak berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan.
2.2 KATALIS KONVERTER
Sebuah catalytic converter adalah
sedikit. Di dalam catalytic converter, sebuah
produk samping dari
dengan cara yang didispersikan. Sebagian besar kendaraan padathree way converter, dinamakan demikian karena itu mengkonversi tiga polutan utama dalam knalpot mobil yaitu reaksi mengkonversi
da serta x ) untuk
menghasilka2 )2 ), dan2 O) (IPA, 2011).
Pada kenderaan bermotor berbahan bakar bensin, biasanya digunakan three way catalytic converter, sebuah katalik konverter mempunyai tiga tugas secara simultan yaitu:
1. x → NO2 + N 2
2. 2 → 2 CO
3. Oksidasi hidrokarbon yang tidak terbakar (HC) menjadi karbon dioksida da
2
xH2x +2 + [(3x +1) / 2] O 2 → x CO2 + (x +1) H2
Ketiga reaksi terjadi paling efisien bila catalytic converter menerima gas buang dari mesin sedikit di atas tit
O
udara untuk 1 bagian bahan bakar bensin. Rasio untuk pengaturan sistem bahan bakar dimodifikasi saat menggunakan bahan bakar tersebut. Secara umum, mesin dilengkapi dengan 3-way catalytic converter dilengkapi denga menggunakan satu atau lebih konverter (IPA, 2011).
Dengan demikian reaksi yang terjadi dalam katalik konverter adalah proses reduksi dan oksidasi, dimana ada logam yang berfungsi sebagai oksidator dan reduktor, selain itu terdapat juga bahan pendukung secara mekanis yang disebut sebagai substrat
yaitu tempat dimana logam logam katalis didispersikan serta terdapat juga bahan washcoat yang berfungsi untuk mendispersikan logam katalis ke seluruh permukaan substrat sehingga memungkinkan reaksi reduksi dan oksidasi terjadi di keseluruhan permukaan substrat (M.A. Kalam, et.al., 2009)
2.3 DIP COATING
Dip coating adalah proses dimana benda yang ingin diberi lapisan dicelupkan ke dalam bahan pelapisan yang berbentuk cairan atau larutan (Sinuhaji P., Marlianto E., 2012). Film tipis ini hanya mempunyai ketebalan satu hingga seribu nanometer saja, sehingga hanya dapat diamati mikrostrukturnya dengan menggunakan SEM (scanning electron microscope).
Sifat film tipis sangat berbeda dengan sifat bahan pukalnya (bulk material), perbandingan luas permukaan terhadap volum yang besar dan mikrostruktur film akan menimbulkan beberapa fenomena seperti peresapan dan penyerapan gas serta aktivitas katalisator (Sinuhaji P., Marlianto E., 2012), sifat inilah yang dimanfaatkan dalam proses katalis konverter yang akan memberikan perlakuan oksidasi dan reduksi terhadap gas buang kenderaan bermotor.
Keuntungan dalam memakai metode ini adalah aplikasi yang mudah, dan memerlukan biaya yang relatif murah, serta tidak menggunakan mesin vakum.
2.4 TITANIUM OKSIDA (TiO2
)
Gambar 2.2 Struktur Kristal Anatase Titanium Oksida (Down, R.T., Wallace, M.H., 2003)
Titanium oksida mempunyai sifat sifat sebagai berikut:
Tabel 2.1 Sifat sifat Titanium Oksida (CAS, 2012)
Rumus molekul
Massa molar 79.866 g/mol
Penampakan Padatan warna putih
Densitas 4.23 g/cm3 Titik leleh 1843 °C Titik uap 2972 °C Indeks bias 2.488 (anatase) 2.583 (brookite) 2.609 (rutile)
Titanium oksida mempunyai sifat fotokatalis yang dapat menyebabkan reaksi redoks berlangsung dengan penyinaran cahaya UV pada panjang gelombang 388 nm. fotokalalis ini dapat dijelaskan sebagai berikut ini:
Sinar UV H+
OH-
Gambar 2.3 Mekanisme Foto Katalis
+
lubang/hole-
elektron Pita Konduksi Pita Valensi Sela Pita Foto Katalis e-h+ O2 O2- CO2 + OH- HCO3- (Reduksi) H2O H+ + OH- (Oksidasi)
Dari proses fotokatalis yang terlihat di atas, TiO2 a. dapat mengabsorpsi air (Heinrich et al, 1977)
mempunyai sifat sifat :
b. dapat mengabsorpsi CO dan CO2
c. dapat mengabsorpsi NO dan SO
(Kobayashi et. al., 1989; Beck et. al., 1986; Gopel et.al., 1983)
2
d. dapat mengabsorpsi oksigen (Lu et.al., 1995)
(Lu et.al., 1995; Boccuzzi et.al., 1991;Smith et.al.,1985)
e. dapat mengabsorpsi zat organik (M. Nurdin et.al., 2009, Zhang et al, 2006) Dalam penelitian ini, Titanium oksida akan berfungsi sebagai oksidator dan besi oksida berfungsi sebagai reduktor, dengan demikian maka sisa pembakaran tidak sempurna seperti HC, CO dan Oksigen dioksidasi oleh katalis Titanium oksida, sedangkan NOx dan CO akan direduksi menjadi N2 dan CO2.
Dalam penelitian ini, pada suhu pemanasan sekitar 450°C titanium oksida akan membentuk kristal anatase, yang mana dalam bentuk kristal ini, fotokatalis dapat terjadi secara optimum (M. Nurdin et.al., 2009).
Dengan adanya ketersediaan sinar UV maka akan terjadi fotokatalis seperti yang tersebut di atas.
2.5 FERRO OKSIDA (FeO)
Besi oksida digunakan dalam penelitian ini karena dapat mengoksidasi karbon maupun karbon monoksida menjadi karbon dioksida yang bersifat lebih stabil dan ramah lingkungan. FeO secara termodinamika tidak stabil pada suhu 575 °C sehingga akan terurai menurut reaksi: 4FeO → Fe + Fe3O4. Reaksi reduksi karbon monoksida berlangsung sebagai berikut: Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2, sedangkan pada reaksi oksidasi terkontrol akan dihasilkan: 2Fe3O4 + ½ O2 → 3(γ-Fe2O3) dan reaksi oksidasi di udara akan dihasilkan: 2Fe3O4 + ½ O2
→ 3(α-Fe2O3). Hasil reaksi Fe2O3 akan mengoksidasi lagi karbon dan sisa pembakaran H2 sebagai berikut: 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2 dan 3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2
Besi oksida mempunyai sifat sifat sebagai berikut: O (Greenwood, et.al., 1997).
Tabel 2.2 Sifat sifat FeO (CAS 2012)
FeO
Massa molar 71.844 g/mol
Wujud black crystals
5.745 g/cm3
1377 °C, 1650 K, 2511 °F
3414 °C, 3687 K, 6177 °F
Kelarutan dalam air Tidak larut
Tidak larut dalam basa tetapi larut dalam asam
2.6 DESAIN DAN STRUKTUR KATALIS
Karakteristik tekstur katalis dapat dijelaskan melalui parameter parameter, seperti : luas permukaan, volume pori, densitas pellet, porositas, radius pori rata rata, dan distribusi ukuran pori.
Gambar 2.4 Karakteristik teknis dari katalis (Istadi, 2011)
Aktivitas dan selektivitas katalis yang tinggi adalah didesain dengan memilih komponen kimia yang benar menggunakan cara cara pembuatan tertentu sehingga
ALIRAN FLUIDA :
Distribusi aliran Penurunan tekanan yang rendah
Kekuatan mekanik
AKTIVITAS TINGGI :
Aktivitas bahan kimia Permukaan aktif spesifik yang tinggi
Pellet berpori
STABILITAS: Tahan terhadap : Sintering, racun katalis, fouling
Ukuran, Bentuk Aktivitas Porositas Kekuatan Umur Panjang Pelet Katalis
menghasilkan katalis dengan luas permukaan yang diinginkan serta memformulasi pelet katalis agar situs aktif dapat mudah diakses. Stabilitas katalis yang baik memerlukan ketahanan katalis terhadap penyebab penyebab deaktivitas katalis karena sintering (kehilangan permukaan aktif karena perkembangan/perubahan kristal), racun katalis (penghilangan situs aktif melalui kemisorpsi yang kuat), penyumbatan situs aktif dan pori oleh karbon. Stabilitas katalis juga dipengaruhi oleh kondisi operasi.
2.6.1 Komponen komponen katalis
Pada umumnya katalis tersusun dari beberapa komponen, antara lain:
2.6.1.1 Komponen aktif
Komponen aktif merupakan komponen katalis yang bertanggungjawab terhadap reaksi kimia yang utama. Pemilihan komponen aktif adalah tahap pertama dalam mendesain katalis. Sementara itu, pengetahuan tentang mekanisme katalitik adalah sangat saintifik sehingga metode pemilihan komponen aktif menjadi lebih saintifik juga, walaupun kadang kadang bersifat empirik.
Hubungan antara komponen aktif, promoter dan penyangga (support) dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut ini:
K a t a l i s Komponen Aktif Penyangga (Support) Promoter :
Struktural, penghambat aktivitas, promosi aktivitas
Fungsi :
- Aktivitas kimia
Jenis: - Logam
- Oksida dan sulfida semi konduktor
- Oksida dan sulfida isolator
Fungsi :
- Luas permukaan yang tinggi - Porositas
- Sifat sifat mekanis - Stabilitas
- Fungsi ganda aktivitas - modifikasi komponen aktif
Jenis:
- Oksida dengan titik leleh tinggi - Tanah liat - Karbon
Gambar 2.5 Hubungan antara komponen aktif, pendukung dan promotor katalis (Istadi, 2011)
2.6.1.2 Penyangga (support)
Penyangga (support) atau dinamakan juga sebagai pembawa (carrier) mempunyai banyak fungsi. Fungsi yang paling penting adalah menjaga agar luas permukaan komponen aktif tetap besar. Sebagai contoh adalah katalis platinum (Pt) sebagai logam aktif untuk proses reformasi katalitik, dan pembersihan knalpot kenderaan secara katalitik. Kristal platinum harus mempunyai luas permukaan yang besar. Platinum mempunyai titik leleh pada suhu 1774 °C. Jika platinum tersebut dibuat dalam bentuk platinum hitam, maka pemakaian dalam reaksi selama satu jam pada suhu 400 °C menghasilkan ukuran kristal 50 nm, namun jika digunakan dalam waktu 6 bulan, maka ukuran kristal menjadi 2000 nm. Dalam hal ini ketidakstabilan terjadi. Selain itu, logam platinum juga termasuk logam yang sangat mahal.
Besarnya konsentrasi komponen aktif atau biasa disebut loading juga mempunyai efek yang signifikan agar penyangga bisa memberikan tingkat dispersi komponen aktif yang besar, misalnya 70% Ni/Al2O3,
Porositas adalah sangat diperlukan untuk katalis dengan luas permukaan yang tinggi, tetapi bentuk pori dan distribusi ukuran pori adalah faktor penting jika proses difusi internal mengendalikan laju reaksi. Penyangga yang baik adalah penyangga yang dapat dimanipulasi sehingga menghasilkan sifat sifat tekstur yang diinginkan. Dalam hal ini, alumina dan silika adalah penyangga yang baik. Kedua jenis penyangga ini adalah sering digunakan karena mudah dalam pengendalian ukuran dan bentuk pori. Faktor yang penting lainnya adalah kekuatan mekanik dan stabilitas termal.
walaupun besarnya loading adalah besar maka alumina masih tetap sebagai penyangga dan nikel sebagai komponen aktif.
2.6.1.3 Promotor
Promotor merupakan senyawa ke tiga yang ditambahkan ke dalam sistem katalis, biasanya dalam jumlah kecil saja. Tujuan pemberian promotor ini adalah untuk menghasilkan aktivitas, selektivitas, dan efek stabilitas yang diinginkan. Promotor dapat diandaikan seperti bumbu masak dalam masakan makanan.
Promotor didesain untuk membantu penyangga atau komponen aktif. Salah satu peran penting dari promotor adalah dalam pengendalian stabilitas katalis. Beberapa kasus lain, promotor ditambahkan ke dalam struktur katalis atau penyangga untuk menghambat mekanisme reaksi tertentu yang tidak diinginkan, seperti pembentukan karbon (coke). Coking ini berasal dari perengkahan di situs asam Bronsted yang diikuti polimerisasi dengan katalis asam untuk menghasilkan (CHx)n. Coking ini memenuhi permukaan pori dan memblokade lubang pori.
2.6.2 Desain katalis
Desain katalis yang sukses memerlukan kombinasi pengalaman pengalaman unik dengan pengetahuan yang berhubungan dengan pengalaman tersebut. Diskusi tentang pengembangan proses adalah dasar penting di dalam mendesain katalis, penekanannya adalah pada apa yang dibutuhkan oleh proses itu. Target reaksi adalah sangat penting. Faktor faktor penting yang perlu diperhatikan adalah ukuran partikel, ukuran pori, kekuatan, selektivitas, aktivitas, stabilitas dan formulasi.
2.7 SIFAT FISIS MATERIAL
Sifat fisis material yang akan diuji pada penelitian ini adalah sifat absorbsi, sifat porositas, densitas, dan permeabilitas. Sifat sifat tersebut akan dibahas sebagai berikut :
2.7.1 Absorbsi
Absorbsi adalah terikatnya suatu substansi pada permukaan yang dapat menyerap (adsorben). Absorbsi dapat terjadi antara zat padat dan zat cair, zat padat dan gas, dan zat cair dan gas. Absorbsi terjadi karena adanya gaya adhesi
absorben yang lebih besar dari pada gaya kohesinya, sehingga zat akan lebih cenderung tertarik ke permukaannya.
Berdasarkan interaksinya, absorbsi dapat dibedakan atas :
a. Absorbsi fisika terjadi bila gaya intermolekular lebih besar dari pada gaya tarik antar molekul atau gaya tarik menarik yang relatif lemah antara adsorbat dengan permukaan adsorben, gaya ini disebut gaya Van der Waals, sehingga adsorbat dapat bergerak dari satu bagian permukaan ke bagian permukaan lain dari adsorben.
Absorbsi ini berlangsung cepat, dapat membentuk lapisan jamak (multilayer) dan dapat bereaksi balik (reversible) karena energi yang dibutuhkan relatif rendah.
b. Absorbsi kimia terjadi karena adanya reaksi antara molekul molekul absorbat dengan absorben dimana terbentuk ikatan kovalen dan ion. Gaya ikat absorben ini bervariasi tergantung pada zat yang bereaksi. Absorbsi jenis ini bersifat irreversible dan hanya dapat membentuk lapisan tunggal /monolayer (Tambunan T.D., 2006).
2.7.2 Porositas
Porositas sangat dipengaruhi oleh bentuk renik dan distribusinya. Secara umum porositas dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu :
• Porositas semu (apparent porosity) yaitu perbandingan volum renik terbuka dengan volum total.
• Porositas total yaitu perbandingan jumlah volum renik terbuka dan volum renik tertutup terhadap volum total (Gurning J., 1994)
2.7.3 Densitas
Densitas adalah pengukuran massa setiap satuan volum benda. Semakin tinggi densitas (massa jenis) suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumnya. Densitas rata rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan
total volumnya. Sebuah benda yang memiliki densitas lebih tinggi akan memiliki volum yang lebih rendah.
Menurut Gurning J., 1994, untuk menghitung besarnya densitas dipergunakan persamaan berikut ini
ρ =
� � ……….. (2.1) dimana : ρ = densitas (Kg/m3m = massa (Kg) ) V = volum benda (m3) 2.7.4. Permeabilitas
Permeabilitas adalah kemampuan bahan dapat mengalirkan/melewatkan fluida melalui porinya (Bear, 1972). Karakteristik ini penting untuk mendapatkan katalis konverter yang dapat mengalirkan gas buang knalpot sehingga tidak terjadi over heating pada mesin karena gas buang yang terhambat katalis konverter. Oleh karena itu dalam penelitian ini, katalis konverter yang dibentuk diuji dengan permeabilitas meter untuk menentukan kemampuan mentransmisikan gas. Pada umumnya kemampuan permeabilitas sebanding dengan porositas bahan jika porositas semakin besar maka kemampuan permeabilitas juga tinggi.
2.8 SIFAT MEKANIK MATERIAL
Sifat mekanik material yang dianalisa dalam penelitian ini adalah sifat kuat tekan dari katalis wire mesh yang dihasilkan. Oleh karena katalis ini akan dipasang pada knalpot kenderaan bermotor, maka katalis yang dihasilkan harus cukup kuat dan tahan tekan terhadap getaran mesin pada saat beroperasi.
Metode Difraksi Sinar-X (X-Ray Diffraction, XRD) memegang peran yang sangat penting untuk analisis padatan kristalin, yaitu untuk meneliti ciri utama struktur (parameter kisi dan tipe struktur), dan untuk mengetahui rincian lain misalnya susunan berbagai jenis atom dalam kristal, keberadaan cacat, ukuran butiran, orientasi, ukuran dan kerapatan presipitat. Oleh karena pola difraksi untuk tiap unsur pada gambar 2.6 adalah spesifik maka metode ini sangat akurat untuk menentukan komposisi unsur dan senyawa yang terkandung dalam suatu sampel, karena pola yang terbentuk seperti fingerprint dari suatu materi.
Gambar 2.6 Diffraksi sinar X oleh bidang bidang atom.
Jika dari hasil difraksi dapat diperoleh nilai FWHM (Full Width at Half Maximum), maka dengan menggunakan persamaan Scherer, dapat diperoleh ukuran partikel pada sampel. Adapun persamaan Scherer dapat dituliskan sebagai berikut:
�
=
��B(2θ) ����
………… (2.2)
k = 0.94, dianggap bentuk kristal mendekati bentuk bola. L = Ukuran kristal (m)
λ = 1.54 Ǻ, jika anoda yang digunakan adalah Cu Sinar datang Sinar terdifraksi a b c
2.10 GAS ANALYSER
Uji emisi gas buang dengan menggunakan alat gas analyser, alat ini dapat menunjukkan kadar zat zat polutan yaitu CO, CO2, HC dan NOx yang keluar dari knalpot kenderaan bermotor. Hasil pengukurannya dapat langsung diketahui melalui print out yang langsung keluar dari alat tersebut. Hasil pengukuran meliputi kadar CO (%), HC (ppm), CO2 (%), NOx maupun O2. Gas analyser dihubungkan dengan mobil melalui pipa listrik yang dihubungkan ke baterai dan mesin mobil, kemudian mobil dihidupkan sementara gas analyser diset ke posisi nol, kemudian sensor dimasukkan ke dalam knalpot kenderaan dan secara otomatis alat bekerja serta hasil langsung tertera pada monitor alat sebagai output.
2.11 ANALISA KUALITATIF SCANNING ELECTRON MICROSCOPE
SEM (Scanning Electron Microscope) adalah alat yang digunakan untuk mempelajari morfologi permukaan / ukuran butiran. Pengamatan morfologi permukaan dalam 3 Dimensi, resolusi tinggi dan analisa Kimia.
Prinsip kerja SEM (Scanning Electron Microscope) adalah sebagai berikut: 1. Electron Gun ( Sumber Elektron / Penembak elektron)
Penembak elektron terdiri dari filamen Tungsten, penembak elektron ini digunakan untuk menghasilkan elektron dalam suatu volum tertentu dengan energi yang dapat ditentukan dengan mengatur arus listrik ke filamen sehingga terjadi pelepasan elektron.
2. Demagnetification System (Perangkat Demagnetisasi)
Perangkat Demagnetisasi terdiri dari gabungan lensa-lensa elektromagnetik yang digunakan untuk menfokuskan E-Beam menjadi sangat kecil pada saat mencapai sampel.
Pembentukan Gambar dengan menggunakan prinsip Scanning, dimana elektron diarahkan ke objek, gerakan berkas tersebut mirip dengan “Gerakan Membaca”. Scan unit dibangkitkan oleh scanning coil, sedangkan hasil interaksi berkas elektron dengan sampel menghasilkan Secondary Electron (SE) dan elektron Backs Scattered (BSc), diterima detektor SE/BSc, di ubah menjadi sinyal, data sinyal diperkuat oleh Video Amplifier kemudian disinkronkan oleh scanning circuit terbentuklah Gambar pada Tabung Sinar Katoda (CRT) (Sinuhaji P., Marlianto E., 2012).