Pirolisis merupakan proses pemanasan dengan meminimalkan penggunaan oksigen. Pirolisis merupakan tahap awal proses pembakaran dan gasifikasi yang diikuti dengan oksidasi sebagian atau total dari produk utamanya. Pemilihan suhu yang rendah dan waktu yang lama dalam proses pirolisis akan menghasilkan banyak arang, sedangkan pemilihan suhu tinggi dan waktu pirolisis yang lama akan meningkatkan konversi biomassa menjadi gas.
33 Sedangkan pemilihan temperatur yang sedang dan waktu pirolisis yang singkat akan mengoptimumkan cairan yang dihasilkan (Bridgwater, 2004).
Pirolisis biomassa dideskripsikan sebagai dekomposisi secara panas langsung komponen organik dalam kondisi minimum oksigen untuk menghasilkan produk yang berguna. Produk yang dihasilkan berupa cairan, padatan, dan gas (Klass, 1998).
Pirolisis menghasilkan cairan sebagai rendemen, arang sebagai sisa reaksi dan gas yang tidak terkondensasi. Proporsi ketiganya sangat tergantung dari parameter reaksi dan teknik pirolisis yang digunakan (Amin dan Asmadi, 2009).
Bahan yang telah dicampur atapulgit dengan konsentrasi tertentu dimasukkan ke dalam pyrolyzer yang telah dipanaskan sebelumnya selama ±30 menit agar suhu alat stabil. Pyrolyzer dialiri gas nitrogen inert dengan kecepatan 50 cm3/menit untuk mengurangi kandungan oksigen dalam reaktor (Raveendran
et al.,1996). Gas nitrogen dipilih karena bobot molekulnya lebih kecil daripada
oksigen sehingga dapat membawa oksigen keluar dari pyrolyzer serta diharapkan dapat mengurangi jumlah air dan karbondioksida yang dihasilkan dalam proses pirolisis.
Rendemen pirolisis tongkol jagung berupa cairan berwarna bening kekuningan hingga kuning pekat. Perbedaan warna cairan ini dikarenakan perbedaan suhu yang digunakan. Gambar cairan hasil pirolisis disajikan pada Gambar 11.
Gambar 11. Cairan hasil pirolisis
Cairan hasil pirolisis umumnya berwarna bening kekuningan sesuai dengan warna tongkol jagung. Semakin tinggi suhu yang digunakan, semakin pekat warna cairan yang dihasilkan. Hal ini dikarenakan semakin banyak bahan 408.58o C 1.5% 450o C 2% 450o C 1% 550oC 0.79% 550o C 1.5% 550oC 2.21% 650o C 2% 650o C 1% 691.42o C 1.5%
34 yang terdekomposisi oleh panas yang dihasilkan sehingga semakin pekat asap yang dihasilkan yang akan mempengaruhi warna cairan.
Penambahan katalis cukup mempengaruhi warna cairan. Semakin banyak katalis yang ditambahkan, semakin cerah warna cairan yang dihasilkan. Katalis akan menutupi struktur berongga tongkol jagung sehingga menghalangi panas yang akan masuk ke dalam rongga-rongga tongkol jagung.
Aroma cairan semakin menyengat seiring suhu yang digunakan. Semakin banyaknya dekomposisi bahan menyebabkan variasi aroma yang lebih beragam dari hasil dekomposisi bahan terutama lignoselulosa. Variasi aroma yang terbentuk inilah yang menyebabkan aroma cairan yang menyengat.
Menurut Girard (1992) dan Maga (1988) di dalam Darmadji (2002), pirolisa pada suhu 400oC menghasilkan senyawa yang mempunyai kualitas organoleptik yang tinggi dan pada suhu lebih tinggi lagi akan terjadi reaksi kondensasi pembentukan senyawa baru dan oksidasi produk kondensasi diikuti kenaikan linier senyawa tar dan hidrokarbon polisiklis aromatis.
Cairan pirolisis yang dihasilkan mengalami kenaikan dari suhu 408.53oC hingga 550oC, kemudian menurun hingga suhu 691.42oC. Dengan peningkatan suhu, akan terjadi peruraian komponen biomassa tongkol jagung, mulai dari hemiselulosa, selulosa, dan lignin. Peruraian yang semakin meningkat akan meningkatkan banyaknya gas yang dihasilkan. Gas ini akan terkondensasi sehingga menghasilkan cairan. Cairan hasil pirolisis tongkol jagung disajikan pada Tabel 12.
Tabel 12. Cairan hasil pirolisis tongkol jagung
Suhu (oC) Katalis
(%b/b) Wo (gram) Cairan (gram) Cairan (%)
408.53 1.5 50.75 13.94 27.47 450 1 50.5 14.67 29.05 450 2 51 15.365 30.13 550 0.79 50.4 24.935 49.47 550 1.5 50.75 25.255 49.76 550 2.21 51.11 28.805 56.36 650 1 50.5 16.2 32.08 650 2 51 16.515 32.38 691.42 1.5 50.75 14.73 29.02
35 Hasil pirolisis menunjukkan peningkatan jumlah rendemen seiring dengan peningkatan suhu. Jumlah cairan meningkat dari suhu 408.53oC hingga menghasilkan cairan terbanyak pada suhu 550oC, kemudian menurun pada suhu 650oC dan berakhir pada suhu 691.42oC. Pada suhu 650oC, cairan menurun karena dengan peningkatan suhu yang lebih tinggi akan terjadi pemecahan kedua terhadap uap yang dominan sehingga menurunkan rendemen cairan yang dihasilkan dan meningkatkan jumlah gas yang dihasilkan. Hasil ini sesuai dengan penelitian Zhang et.al (2009) yang menyatakan cairan yang dihasilkan meningkat dari 48.3% pada suhu 400°C sampai maksimum 56.8% pada suhu 550°C, kemudian menurun menjadi 54.2% pada suhu 700°C. Cairan yang dihasilkan sebagian besar terdiri dari air sebagai pelarut. Cairan hasil pirolisis mengandung air sebesar 11-92 % (Maga, 1988).
Penambahan konsentrasi katalis yaitu atapulgit yang semakin besar akan memperbesar cairan yang dihasilkan. Penambahan katalis akan menyebabkan peristiwa pirolisis dengan katalisis yang dibagi dalam dua proses, yaitu pirolisis awal biomassa dan pemecahan secara katalisis bahan-bahan organik yang mudah menguap.
Pada proses pirolisis awal, biomassa akan menghasilkan gas tak terkondensasi, air, uap air organik primer, dan padatan melalui panas pirolisis. Uap air organik primer akan diserap oleh permukaan aktif dari katalis dan kemudian pecah menjadi uap air yang lebih ringan (light vapor). Uap air yang lebih ringan (light vapor) kemudian mengalami reaksi lebih lanjut seperti deoksigenasi, pemecahan dengan katalis menjadi bentuk H2O, CO2, CO, alkana, alkena, dan hidrokarbon aromatik. Reaksi ini akan menurunkan uap yang mengandung minyak serta meningkatkan gas dan air. Katalis juga akan menekan terjadinya dekomposisi bahan menjadi arang dan gas tak terkondensasi sehingga akan meningkatkan produk cairan yang dihasilkan.
Silika merupakan komponen terbesar penyusun atapulgit, yaitu sebesar ±55%. Silika berfungsi dalam isomerisasi sehingga dapat melepas gugus hidroksil dan atom hidrogen yang menyebabkan terjadinya ikatan rangkap baru. Proses isomerisasi juga dibantu dengan tingginya suhu reaksi yang digunakan. Dalam proses pirolisis, terjadi pemecahan komponen penyusun tongkol jagung
36 menjadi molekul-molekul yang lebih sederhana dan memiliki berat molekul yang lebih ringan. Silika membantu proses isomerisasi molekul-molekul sederhana ini menjadi molekul-molekul baru yang lebih kompleks. Hal ini akan berpengaruh terhadap kenaikan cairan hasil pirolisis karena semakin banyak molekul kompleks baru yang terbentuk, semakin banyak juga cairan yang dihasilkan.
Hasil pirolisis kemudian diolah menggunakan program SAS 9.1 sehingga didapatkan citraan tiga dimensi yang disajikan pada Gambar 12.
Gambar 12. Citraan tiga dimensi surface plot cairan hasil proses pirolisis
Citraan tiga dimensi memperlihatkan bahwa perlakuan optimum berada pada daerah puncak dan memiliki warna biru tergelap yaitu pada titik nol untuk variabel suhu atau pada suhu 550oC. Semakin terang warnanya dan semakin turun posisinya dari puncak, perlakuan yang dilakukan semakin jauh dari nilai optimum.
Nilai optimum sebanding dengan nilai cairan terbanyak yang dihasilkan yaitu pada suhu 550oC dan terus meningkat ke puncak seiring dengan besarnya konsentrasi katalis. Ketika hasil optimum untuk suhu dan konsentrasi katalis
37 telah tercapai, rendemen mulai menurun yang direfleksikan sebagai bentuk puncak yang agak melengkung.
Untuk lebih mengetahui penyebaran data pada surface plot, digunakan
contour plot yang memiliki citraan dua dimensi dan merupakan citraan yang
dilihat dari sisi atas surface plot. Contour plot disajikan pada Gambar 13.
Gambar 13.Contour plot cairan hasil pirolisis
Dari gambar di atas, dapat diketahui penyebaran data cairan hasil pirolisis. Titik-titik merah merupakan titik perlakuan yang dilakukan sesuai rancangan faktorial untuk dua variabel yang dibandingkan. Sedangkan oval berwarna kuning merupakan kontur data yang dihasilkan.
Contour plot data RSM pada umumnya berbentuk oval dengan titik tengah
berupa hasil optimum dari kedua faktor yang akan memberikan hasil optimum. Dari kontur yang terlihat diketahui daerah optimum berada pada titik (0, 0) dan (0, +√2). Namun, titik (0, 0) lebih mendekati titik tengah optimum dan hanya berbeda sedikit dengan titik (0, +√2). Meskipun titik (0, +√2) menghasilkan cairan lebih banyak daripada titik (0, 0), tetapi yang lebih mendekati titik pusat
38 optimum yang berada pada titik (0.023, 0.699) atau suhu 552.3oC dan konsentrasi katalis 1.85% adalah titik (0, 0).
Pada titik optimum, akan dihasilkan cairan sebanyak 25.46 gram berdasarkan perhitungan statistik. Berdasarkan hasil validasi, didapatkan cairan sebanyak 26.14 gram. Validasi dilakukan untuk mengetahui kesesuaian model respon terhadap tingkat rendemen hasil pirolisis. Nilai hasil pendugaan dan validasi cukup valid karena memiliki nilai deviasi 0.34 di bawah hasil pendugaan yaitu 1.05.
Selain mengetahui surface plot dan contour plot cairan, SAS juga dapat digunakan untuk mengetahui analisis deskriptif cairan yang dihasilkan. Analisis deskriptif yang didapat berupa persamaan yang menyatakan pengaruh variabel terhadap rendemen pirolisis. Orde yang digunakan adalah orde dua karena pada Tabel 6 langsung disajikan titik nol. Sehingga dalam persamaannya disajikan pula besarnya interaksi antar variabel terhadap cairan. Koefisien parameter dan nilai signifikasi optimasi variabel suhu dan konsentrasi katalis terhadap cairan hasil pirolisis dapat dilihat pada Tabel 13.
Tabel 13. Pengaruh kuadratik variabel suhu dan konsentrasi katalis serta interaksi variabel suhu dan konsentrasi katalis terhadap cairan hasil pirolisis
Parameter Koefisien Parameter Signifikasi
Intersep 3.224885 Suhu (X1) 0.030711 0.389084 Konsentrasi Katalis (X2) 0.033776 0.34469 Interaksi X1*X1 -0.33824 0.0001 Interaksi X1*X2 -0.006476 0.896619 Interaksi X2*X2 -0.024679 0.558383 r2 0.76
Dari hasil signifikasi masing-masing faktor, diketahui variabel yang berpengaruh nyata terhadap rendemen adalah interaksi X1*X1 atau kuadrat suhu karena nilai signifikasinya di bawah standar error yang ditetapkan yaitu sebesar 5% atau 0.05. Konsentrasi katalis, interaksi suhu dan konsentrasi katalis, serta konsentrasi katalis kuadrat memiliki nilai signifikasi di atas error sehingga mengindikasikan bahwa variabel-variabel tersebut tidak berpengaruh nyata terhadap rendemen
39 Nilai r2 memperlihatkan besarnya tingkat kepercayaan data yang didapat. Nilai kepercayaan sebesar 76% menyatakan bahwa data yang didapatkan belum terlalu baik. Hal ini dikarenakan adanya pengaruh faktor lain yang tidak dijadikan variabel dalam penelitian ini yang turut mempengaruhi rendemen hasil pirolisis.
Dari Tabel 13 persamaan yang didapat untuk rendemen adalah
Tanda plus (+) pada persamaan di atas memperlihatkan pengaruh yang searah dari variabel suhu dan konsentrasi katalis terhadap respon yaitu rendemen. Semakin besar nilai variabel yang dimasukkan akan menambah nilai rendemen. Sedangkan tanda minus (-) memberikan pengaruh yang tidak searah atau berbanding terbalik terhadap interaksi antar variabel. Semakin kecil nilai interaksi antar variabel yang diberikan, semakin besar nilai rendemennya.
Interaksi suhu kuadrat sebagai satu-satunya variabel yang berpengaruh nyata terhadap rendemen diperkuat dengan perhitungan ANOVA yang disajikan pada Tabel 14.
Tabel 14. Perhitungan ANOVA cairan hasil pirolisis
Parameter DF SS MS Fhitung Signifikasi Suhu (X1) 1 0.01509 0.01509 0.783832 0.389084 Konsentrasi Katalis (X2) 1 0.018253 0.018253 0.948118 0.344691 Interaksi X1*X1 1 1.292112 1.292112 67.1159 0.0001 Interaksi X1*X2 1 0.000336 0.000336 0.017428 0.896619 Interaksi X2*X2 1 0.006878 0.006878 0.357288 0.558383 Model 5 1.394971 0.278994 14.49174 0.0001 (Linear) 2 0.033343 0.016671 0.865954 0.439457 (Quadratic) 2 1.361293 0.680647 35.3567 0.0001 (Cross Product) 1 0.000336 0.000336 0.017428 0.896619 Error 16 0.308031 0.019252 (Lack of fit) 3 0.206542 0.068847 8.818831 0.001886 (Pure error) 13 0.101489 0.007807 Total 21 1.703003
ANOVA merupakan salah satu metode uji statistik yang berfungsi untuk mengetahui pengaruh variabel terhadap rendemen. Dari perhitungan ANOVA, diketahui bahwa variabel yang berpengaruh nyata terhadap rendemen pirolisis adalah suhu kuadrat atau interaksi X1*X1. Interaksi tersebut memiliki nilai Y= 3.224885 + 0.030711 X1 + 0.033776 X2 - 0.33824 X12- 0.006476 X1X2 - 0.024679 X22
40 signifikasi di bawah error yaitu 0.0001, sedangkan variabel lain memiliki nilai signifikasi di atas error sebesar 0.05. Perhitungan ini sesuai dengan perhitungan pada Tabel 13.