BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.5 Flowchart Percobaan
3.5.3 Tahap Impregnasi Biochar Kulit Durian
Flowchart impregnasi biochar kulit durian dengan KOH dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Flowchart tahap impregnasi biochar kulit durian dengan KOH Mulai
Biochar sebanyak 10 g dicuci dengan larutan HCl 0,1M
Biochar disaring dan dikeringkan 12 jam, 110 C
Biochar di impregnasi dengan rasio KOH dengan biochar = 4:1(b:b) , 250 mL air, diaduk selama 3 jam, 500 rpm
Biochar dikeringkan pada suhu 110 C selama 24 jam
Biochar didinginkan dan disimpan dalam wadah tertutup
Selesai
Campuran dicuci dengan aquades
Apakah pH sudah 7
ya
tidak
3.5.4 Tahap Kalsinasi Biochar Kulit Durian
Flowchart kalsinasi biochar kulit durian dapat dilihat pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Flowchart tahap kalsinasi biochar kulit durian Mulai
Biochar sebanyak 20 g di kalsinasi di reaktor pirolisis selama 3 jam, suhu 600 C
Biochar dikeringkan pada suhu ruangan dan disimpan pada wadah tertutup
Apakah ada variasi suhu temperatur lain
Tidak
Ya
Selesai
3.5.5 Tahap Uji Katalis Pada Reaksi Transesterifikasi
Flowchart tahap transesterifikasi minyak sawit dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Mulai
RBDPO dimasukkan sebanyak 25 g ke dalam labu leher tiga
Minyak dipanaskan dengan hot plate hingga mencapai suhu reaksi
Pelarut metanol dan katalis biochar kulit durian dimasukkan ke dalam labu leher tiga
Reaksi dilangsungkan dengan pengadukan menggunakan magnetic stirrer hingga waktu reaksi tercapai
Campuran dimasukkan ke dalam corong pemisah dan dibiarkan selama 18 jam hingga terbentuk 2 lapisan
A
Gambar 3.7 Flowchart tahap transesterifikasi RBDPO Lapisan bawah (gliserol) dikeluarkan dari corong pemisah
Lapisan atas (metil ester) dicuci dengan air panas 80 C dan dibiarkan hingga terbentuk 2 lapisan kemudian lapisan bawah dikeluarkan
Campuran metil ester dikocok perlahan dan didiamkan hingga terbentuk 2 lapisan
Lapisan atas (metil ester) dihasilkan lalu dipanaskan untuk menghilangkan kadar air lalu ditimbang dan dilakukan analisis
densitas, viskositas kinematik, dan kemurnian biodiesel
Lapisan atas (metil ester) dipanaskan pada suhu 105 °C menggunakan hotplate dan diaduk menggunakan magnetic stirrer.
Selesai
A
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Pengaruh Suhu Kalsinasi Terhadap Karakteristik Katalis Biochar
Biochar kulit durian yang telah mengalami proses kalsinasi, sebelumnya telah melewati beberapa tahap pengolahan seperti karbonisasi dan impregnasi menggunakan KOH. Pada penelitian ini, kulit durian diperoleh dari pedagang-pedagang kecil di sekitar Kota Medan. Kulit durian adalah limbah perkotaan yang memiliki potensi untuk dikembangkan menjadi sesuatu yang bernilai ekonomi.
Berdasarkan penelitian yang dilakukan Tan et al. 2017 bahwa unsur utama penyusun kulit durian adalah karbon. Karbon sangat stabil pada suhu tinggi dan bersifat inert (Modiba et al. 2015). Biochar yang telah dikalsinasi akan menjadi katalis biochar.
4.1.1 Persiapan Katalis Biochar Kulit Durian
Kulit durian (Gambar 4.1 (a)) memiliki tekstur yang keras dan kandungan selulosa tinggi. Sifat lignin menyebabkan teksturnya keras dan susah untuk dihaluskan menjadi 100 mesh. Kulit durian yang telah halus dianalisis menggunakan SEM. Hasil analisis SEM pada Gambar 4.2 menunjukkan morfologi kulit durian yang belum memiliki pori-pori.
(a) (b)
Gambar 4.1 (a) Kulit durian yang telah dibersihkan, (b) Kulit durian 100 mesh
Gambar 4.2 Hasil analisis SEM kulit durian perbesaran 1000 kali
Pada Gambar 4.2 biomassa kulit durian belum mengalami perubahan struktur yang berarti jika dibanding biomassa yang telah di karbonisasi (Gambar 4.3). Kulit durian yang merupakan bahan baku katalis biochar memerlukan aktivasi fisika maupun kimia. Perlakuan fisika maupun kimia menghasilkan lapisan rongga tempat menempelnya senyawa aktif K2O.
4.1.2 Karbonisasi
Tahap karbonisasi merupakan proses fisika. Proses ini bertujuan untuk mengubah kulit durian menjadi biochar (arang). Kulit durian sebanyak 100 g dengan ukuran 100 mesh dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis dengan tinggi 50 cm dan diameter dalam 26 cm. Tahap pemanasan dilakukan pada suhu 600 C selama 2 jam.
Selama proses karbonisasi, senyawa organik seperti gugus-gugus selulosa, hemiseluolsa, lignin, dan zat volatil lain terurai menjadi gas H2, CO, CO2, dan CH4
(Basu, 2018). Reaksi (4.1) sampai (4.9) terjadi selama proses karbonisasi berlangsung (Yao et al. 2016).
Selama proses termokimia biomassa terjadi, 2 tahapan proses berlangsung yakni:
1. Tahap pirolitik, dimana biomassa diubah menjadi arang, zat volatil dan gas uncondensable.
2. Tahap reforming, adalah tahap dimana gas dan zat volatil diubah menjadi gas H2, CO, CO2, dan CH4.
CxHyOZ → (H2 + CO2 + CO + CH4 + C2 + ... ) + Tar + Char + Q (4.1) CxHy + 2xH2O → xCO2 + (2x+y/2) H2 (4.2) CO + H2O → CO2 + H2 - 41 kJ/ mol (4.3) C + H2O → CO + H2 + 131,3 kJ/ mol (4.4) C + CO2 → 2CO + 162,4 kJ/ mol (4.5) CH4 + H2O → CO + 3H2 + 206,3 kJ/ mol (4.6) CxHyOZ → CO2 + CO + H2O + CH3COOH (4.7)
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O (4.8)
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O (4.9)
Biochar hasil karbonisasi sudah mulai membentuk pori walaupun sedikit, seperti terlihat pada Gambar 4.3. Pori yang dihasilkan pada tahap karbonisasi relatif lebih besar dibanding pori setelah kalsinasi (Basu, 2018). Peningkatan jumlah karbon terjadi setelah proses karbonisasi. Untuk mendapat yield biochar tinggi maka laju pemanasan dibuat sekecil mungkin, suhu rendah, dan waktu tinggal yang panjang (Basu, 2018).
Gambar 4.3 Hasil analisis SEM biochar kulit durian perbesaran 1000 kali
Setelah kulit durian mengalami proses karbonisasi pada suhu 600 C, biochar mengalami perubahan morfologi seperti tampak pada Gambar 4.3 dan sedikit berbeda dibanding tampilan SEM pada Gambar 4.2 (kulit durian). Rongga-rongga atau lapisan kecil sudah tampak. Aktivitas panas menghasilkan gas bersamaan dengan degradasi material. Gas-gas yang keluar dari biomassa menimbulkan ruang-ruang kosong pada permukaan biochar. Tabel 4.1 memberikan penjelasan terhadap jenis proses pirolisis berdasar suhu operasi, waktu operasi, dan laju pemanasannya.
Tabel 4.1 Jenis pirolisis berdasar suhu operasi dan laju pemanasannya (Lee et al. 2019)
Proses pirolisis Suhu operasi (C) Laju pemanasan (C/menit)
Waktu tinggal
Slow pyrolysis 300-800 5-7 >1 jam
Fast pyrolisis 400-600 300-800 0,5 – 10 detik
Flash pyrolisis 400-1000 ~ 1000 <2 detik
Penelitian ini menggunakan laju pemanasan 5 C/menit. Berdasar Tabel 4.1 (Lee et al. 2019), proses pirolisis yang digunakan termasuk ke dalam jenis slow pirolysis. Secara garis besar, pembuatan biochar dipengaruhi 3 faktor, yaitu temperatur, jenis biomassa, dan waktu pirolisis.
Biochar umumnya menghasilkan 5-90 % fixed carbon. Pembentukan biochar dapat dilihat seperti reaksi (4.10) (Basu, 2018).
C6H10O5 → 3,74C + 2,65H2O + 1,17CO2 + 1,08CH4 (4.10) Penggunaan gas nitrogen selama proses pirolisis bertujuan untuk mengusir oksigen yang mungkin terikut selama reaksi terjadi. Biochar yang berasal dari proses karbonisasi membutuhkan perlakuan tambahan berupa pencucian.
4.1.3 Impregnasi Biochar dengan KOH
Setelah kering, biochar kemudian diimpregnasi menggunakan KOH. Pada penelitian ini, rasio impregnasi KOH terhadap biochar yang digunakan adalah 4:1 (b/b). Rentang rasio impregnasi seperti yang dilaporkan oleh Wang et al. (2012) adalah 2 – 5 : 1 (b/b). Proses impregnasi adalah tahap awal sebelum proses kalsinasi. Selama proses impregnasi diharapkan biochar mampu menyerap logam K. Untuk setiap 40 gram KOH dicampur dengan 10 gram biochar di dalam 250 mL air aquades.
Perendaman berlangsung selama 3 jam pada suhu ruang (30 C) memakai pengaduk magnet berkecepatan 500 rpm.
Rasio KOH:biochar mempengaruhi jenis pori yang terbentuk. Penelitian ini menghasilkan pori berjenis mesopori (Gambar 4.5). Rasio KOH dan biochar yang rendah cenderung menciptakan mikropori dibanding rasio yang sedikit lebih tinggi yang umumnya menghasilkan mesopori (Chandra et al. 2009). Pori biochar yang
diinginkan adalah jenis mesopori karena partikel trigliserida lebih mudah masuk (Soltani et al. 2017). Mikropori menghambat masuknya trigliserida ke dalam active site. Jumlah mesopori yang banyak pada biochar menghasilkan yield biodiesel lebih besar (Soltani et al. 2017).
4.1.4 Kalsinasi
Proses kalsinasi adalah proses pengaktifan reaksi karbon dengan KOH pada suhu tinggi. Proses kalsinasi merupakan proses dekomposisi material anorganik yang ada pada biochar seperti terlihat pada persamaan reaksi (4.11).
Dalam prosesnya KOH memilliki 2 aktivitas utama sebagai berikut:
1. Tahap pertama adalah pembukaan pori (pore opening), ini terjadi pada suhu rendah
2. Tahap kedua adalah pembesaran pori (pore reaming), dimana terjadi pada suhu tinggi (Liu et al. 2018).
Biochar dikalsinasi pada suhu 500 C, 600 C, 700 C selama 3 jam. Suhu Tinggi dibutuhkan selama aktivasi ini. Proses ini merupakan kegiatan pembentukan pori.
Sementara itu gas-gas seperti H2, CO, CO2 muncul selama reaksi KOH dengan karbon.
Gas yang dilepaskan tersebut terdifusi melawati dinding biochar.
Suhu kalsinasi merupakan faktor penting. Suhu kalsinasi terbaik pada penelitian ini adalah 600C. Pada suhu ini diperoleh luas permukaan 162,943 m2/g (Tabel 4.2). Hal serupa dilaporkan pada penelitian biochar kulit jeruk (pomeelo) oleh Zhao et al. 2018 dan juga katalis biochar dari tanah gemuk (Shan et al. 2017), dimana performa terbaik biochar adalah pada suhu 600 C. Suhu kalsinasi tinggi meningkatkan laju pembentukan senyawa K2O. Namun, kandungan kalium berlebih
dapat merusak dinding-dinding pori (Wang et al. 2017). Secara garis besar, penjelasan tahapan di atas dapat dideskripsikan seperti pada Gambar 4.4 (Wang et al. 2012).
Gambar 4.4 Tahap aktivasi karbon (biochar terimpregnasi) dengan KOH Selama proses pengaktifan biochar dengan KOH, ada 3 tahapan yang dilalui (Wang et al. 2012), yakni
1. Etching (penggoresan) gugusan karbon melalui reaksi redoks antara senyawa kalium dengan karbon
2. Pembentukan uap air dan gas CO2 (pembentukan pori) 3. Persiapan pengikatan logam K kedalam matriks karbon.
4.2 Pengaruh Suhu Kalsinasi terhadap Pori Katalis
Untuk mendapatkan informasi fisik mengenai luas permukaan, jenis pori-pori, volume pori, dan katalis biochar, maka perlu dilakukan analisis Brunneur Emmet Teller (BET). Analisis ini digunakan untuk menguji sifat pori biochar untuk hasil kalsinasi pada suhu 500 C, 600 C, dan 700 C. Luas permukaan terbaik diperoleh pada saat suhu kalsinasi 600 C yakni 162,943 m2/g (Tabel 4.2). Peningkatan luas permukaan menyebabkan tumbukan antar partikel reaktan semakin baik sehingga reaksi berlangsung lebih cepat.
Tabel 4.2 Hasil analisis BET terhadap sifat fisik katalis biochar, rasio KOH:biochar 4:1 (b/b)
Pada Tabel 4.2 tampak pengaruh suhu kalsinasi terhadap luas permukaan katalis dan volume pori. Peningkatan suhu kalsinasi menyebabkan penambahan luas permukaan. Luas permukaan biochar tanpa impregnasi sangat rendah (33,968 m2/g) dibanding ketiga katalis lainnya. Rendahnya luas permukaan tersebut akibat tidak adanya perlakuan impregnasi KOH pada biochar. KOH bereaksi dengan karbon pada suhu di atas 500 C (Wang et al. 2012). Untuk ketiga biochar yang diimpregnasi dan juga dikalsinasi (500, 600, 700 C) peningkatan terjadi pada luas permukaan pada suhu kalsinasi 500 C dan 600 C. Akan tetapi, penambahan suhu menjadi 700 C justru mengurangi luas permukaan katalis, hal ini akibat berlebihnya jumlah K (kalium) yang justru menutupi permukaan biochar (Gambar 4.8). Suhu terlalu tinggi memicu akselerasi ion K terlalu cepat yang dapat menghancurkan pori-pori katalis yang telah terbentuk, akibatnya volume pori meningkat (Wang et al. 2017; Zhao et al. 2018; Liu et al. 2018), sebagaimana terlihat pada Tabel 4.2.
Volume pori biochar sebelum mengalami impregnasi KOH dan kalsinasi adalah 30 mm3/g. Keadaan ini terjadi akibat belum ada senyawa K2O yang melekat pada ruang pori-pori. Pada suhu kalsinasi 500 C volume pori berkurang menjadi 18 mm3/g, kemudian menjadi 17 mm3/g pada suhu kalsinasi 600 C. Penurunan nilai volume pori terjadi akibat senyawa aktif K telah masuk ke dalam rongga pori karbon. Akan tetapi
Katalis Luas permukaan
(m2/g)
Volume pori (mm3/g)
Biochar tanpa impregnasi 33,968 30
Biochar suhu kalsinasi 500 C 138,176 18
Biochar suhu kalsinasi 600 C Biochar suhu kalsinasi 700 C
162,943 102,458
17 21
Diameter pori (nm) Volume pori (mm3 /g)
pada suhu kalsinasi 700C
,
volume pori meningkat (21 mm3/g). Kondisi ini terjadi akibat sebagian dinding pori telah rusak.Gambar 4.5 Distribusi diameter pori katalis biochar
Gambar 4.5 memperlihatkan distribusi diameter pori pada katalis biochar. Pada penelitian ini diperoleh pori dengan jenis mesopori dengan rentang diameter berada pada 3 – 30 nanometer. Ukuran partikel gliserol dan trigliserida adalah berkisar 0,6 – 2,5 nanometer (Boz et al. 2013). Jika melihat pori-pori yang diperoleh pada penelitian ini, maka partikel reaktan dengan mudah masuk ke dalam pori katalis biochar.
Penelitian yang dilakukan oleh Zhao et al. (2018) diperoleh hasil distribusi pori pada rentang 3 – 25 nanometer.
4.3 Pengaruh Suhu Kalsinasi terhadap Morfologi Katalis
Perlakuan biochar kulit durian secara kimia menyebakan perubahan strukturnya. Morfologi mengalami perubahan sebelum dan sesudah proses kalsinasi.
Reaksi KOH dan karbon pada suhu tinggi mengakibatkan zat aktif menempel. Zat aktif
dan morfologi katalis biochar kulit durian dianalisis memakai Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM-EDX). Hasil SEM yang didapat tampak pada Gambar 4.6 sedangkan hasil analisis EDX untuk biochar kulit durian pada suhu kalsinasi 500 C tampak pada Tabel 4.3.
Gambar 4.6 Hasil analisis SEM katalis biochar pada suhu kalsinasi 500 C pada rasio KOH:biochar 4:1 (b/b) perbesaran 1000 kali
Tabel 4.3 Hasil analisis EDX katalis biochar kulit durian suhu 500 C, rasio KOH biochar 4:1 (b/b)
No. Komponen Nilai (% berat)
1 Karbon, C 41,21
2 Natrium Oksida, Na2O 0,47
3 Kalium Oksida, K2O 57,46
4 Kalsium Oksida, CaO 0,46
5 Besi (III) Oksida, FeO 0,40
Total 100,00
Pada kalsinasi suhu 500 C terlihat adanya pori pada permukaan matriks karbon (Gambar 4.6). Morfologinya tampak memiliki tekstur bergelombang. Hal ini menandakan adanya pori-pori yang tebentuk. Kadar zat aktif (K2O) pada suhu ini
adalah 57,46%. Menurut Liu et al. (2018) bahwa pori-pori mulai terbuka akibat aktivitas KOH. Kadar karbonnya adalah 41,21% (Tabel 4.3) sedikit lebih banyak dibanding pada suhu 600 C (37,33%). Suhu berpengaruh terhadap fixed carbon yang terbentuk, suhu tinggi menyebabkan hilangnya dengan mudah zat volatil, juga berkurangnya karbon akibat habis bereaksi.
Gambar 4.7 Hasil analisis SEM katalis biochar pada suhu kalsinasi 600 C, rasio KOH:biochar 4:1 (b/b) pada perbesaran 1000 kali
Tabel 4.4 Hasil analisis EDX katalis biochar kulit durian suhu 600 C, rasio KOH:biochar 4:1 (b/b)
No. Komponen Nilai (% berat)
1 Karbon, C 37,33
2 Natrium Oksida, Na2O 0,21
3 Kalium Oksida, K2O 61,92
4 Kalsium Oksida, CaO 0,34
5 Besi (III) Oksida, FeO 0,20
Total 100,00
Hasil pencitraan SEM pada suhu 600 C tampak pada Gambar 4.7. Pada suhu tersebut aktivitas pelepasan gas-gas volatil serta reaksi KOH dengan karbon menghasilkan sejumlah pori. Penelitian yang telah dilakukan untuk proses pirolisis
pada suhu 600 C, memperlihatkan hasil dimana karbon bereaksi dengan KOH secara optimal (Bhomick et al. 2019). Tabel 4.4 menampilkan hasil analisis EDX proses kalsinasi pada suhu 600 C. Pada suhu 600 C, pori-pori mengalami pembesaran (pore reaming). Hal ini mempermudah senyawa K2O masuk dan terikat dengan matriks karbonnya. Liu et al. (2018) memperoleh suhu optimum sebesar 600 C dalam pembuatan karbon aktif.
Gambar 4.8 Hasil analisis SEM katalis biochar pada suhu kalsinasi 700 C, rasio KOH:biochar 4:1 (b/b) pada perbesaran 1000 kali
Tabel 4.5 Hasil analisis EDX katalis biochar kulit durian suhu 700 C, rasio KOH:biochar 4:1 (b/b)
No. Komponen Nilai (% berat)
1 Karbon, C 25,96
2 Natrium Oksida, Na2O 0,88
3 Kalium Oksida, K2O 72,19
4 Kalsium Oksida, CaO 0,57
5 Besi (III) Oksida, FeO 0,41
Total 100,00
Gambar 4.8 merupakan hasil analisis SEM suhu 700 C. Morfologi tampak rata dan hanya sedikit pori terbentuk. Kalsinasi pada suhu 700 C menghasilkan situasi
dimana reaksi KOH dengan karbon berlangsung cepat. Permukaan pori hilang akibat tertutupnya sebagian pori-pori karena aktivitas reaksi yang terlalu cepat (Liu et al.
2018). Peningkatan suhu kalsinasi menyebabkan berkurangnya karbon. Jumlah K berlebih menutupi pori-pori biochar sehingga kualitas katalis biochar menurun (Wang et al. 2012). Tabel 4.5 adalah hasil analisis EDX biochar pada suhu 700 C.
Dengan jumlah rasio KOH dan biochar yang sama, kandungan zat aktif K2O pada suhu 700 C sedikit lebih banyak (72,19%) dibanding suhu 600 C (61,92%).
Tingginya kadar K pada suhu 700 C akibat akselarasi K2O ke matriks karbon bertambah besar. Kerugian yang didapat adalah hilangnya pori-pori yang sudah ada akibat kerusakan (Liu et al. 2018). Sedikitnya pori pada permukaan katalis biochar berdampak berkurangnya ruang pengaktifan. Sementara itu, yield biodiesel yang diperoleh relatif sedikit. Penelitian yang dilakukan Wang et al. (2017) menyatakan ketika suhu kalsinasi 700 C maka permukaan biochar tertutup karena berlebihnya senyawa kalium. Keadaan ini sesuai dengan tingginya kandungan senyawa kalium (72,19%) yang didapat pada penelitian ini (Tabel 4.5).
4.4 Analisis Gugus Fungsi dengan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) Katalis Biochar Kulit Durian
Senyawa aktif yang telah melekat pada senyawa biochar dapat diamati dengan memperhatikan puncak-puncak pada Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Karbonisasi biomassa memakai suhu 600 C membentuk lapisan-lapisan pori.
Permukaan berpori merupakan keuntungan bagi biochar sebagai tempat melekat senyawa kalium.
Bilangan gelombang untuk senyawa biochar yang diperoleh pada penelitian ini memiliki variasi berbeda. Grafik FTIR pada Gambar 4.9 memperlihatkan perbedaan biochar sebelum dan setelah impregnasi. Sebelum impregnasi belum terlihat puncak-puncak gugus fungsi senyawa pendukung katalis biochar (gugus CO3, dll). Sebaliknya setelah biochar mengalami impregnasi, perbedaan puncak pada bilangan gelombang gugus fungsi sudah dapat dilihat. Variasi rentang puncak yakni 981 – 565 cm-1, 1.621 – 1.400 cm-1, 3.700 – 3.000 cm-1. Gugus O–H tampak pada bilangan gelombang 3400 cm-1. Pada rentang ini dapat dipastikan gugus air terserap dengan baik pada permukaan katalis biochar. Senyawa aromatik C=C sendiri berada pada gelombang 1.400 cm-1. Ini merupakan gugus CO3 yang terbaca dalam bentuk ikatan C=C di dalam biochar (Lendzion et al. 2018).
Senyawa K2CO3 dan K2Oterbentuk sesuai dengan reaksi (4.11) dan (4.12) (Shen et al. 2018). Senyawa karbonat akan terurai menjadi kalium oksida (Reaksi 4.13).
Senyawa ini merupakan zat aktif pada katalis biochar. Senyawa K2O terbaca sesuai Gambar 4.9 pada puncak 800 - 500 cm-1. Penelitian yang dilakukan oleh Grujic et al.
(2005) dan Edukondalu et al. (2014) mencatat bilangan gelombang gugus fungsi senyawa K2O adalah pada gelombang 800 cm-1 sampai 450 cm-1 . Cukup jelas terlihat bahwa zat K2CO3 terurai dengan baik pada proses kalsinasi biochar (reaksi 4.12).
Reaksi K2CO3 dengan karbon menghasilkan zat aktif K2O (reaksi 4.13).
6KOH + 2C → 2K + 3H2 + 2K2CO3 (4.11) K2CO3→ K2O + CO2 (4.12) K2CO3 + 2C → 2K(atau K2O) + 3CO (4.13) K2O + C → 2K + CO (4.14)
Gambar 4.9 Hasil analisis FTIR biochar kulit durian sebelum dan sesudah impregnasi dengan KOH
Setelah proses kalsinasi selesai maka dapat ditemukan senyawa K2CO3 pada biochar. Selanjutnya K2CO3 terurai menjadi K2O. Bilangan gelombang 1.400 cm-1 adalah pembacaan untuk gugus karbonat (CO3 2-).Penelitian yang dilakukan Zhao et al. (2018) memperlihatkan bilangan gelombang karbonat (CO3 2-) terbentuk pada rentang 1.430 sampai 870 cm-1. Pada penelitian katalis biochar tanah gemuk (peat) terimpregnasi K2CO3, gugus karbonatnya terdeteksi pada bilangan gelombang 1.457 cm-1 (Shan et al. 2017).
4.5 Pengaruh Suhu Kalsinasi terhadap Unsur Aktif Katalis
Untuk menentukan kandungan unsur aktif pada katalis biochar, maka dilakukan analisis EDX. Analisis ini bertujuan mengevaluasi kandungan unsur aktif pada biochar setelah di impregnasi maupun dikalsinasi. Tabel 4.6 adalah informasi mengenai kandungan unsur zat aktif dan unsur-unsur lain pada biochar.
CO
OH
K2O
Wavenumber (cm-1)
Transmitance (%)
Tabel 4.6 Hasil analisis EDX pada kulit durian dan biochar kulit durian pada rasio KOH:biochar 4:1 (b/b)
No Unsur Kulit durian
Tabel 4.6 memperlihatkan unsur-unsur yang ada pada biochar, kulit durian, dan juga biochar terimpregnasi yang telah dikalsinasi. Unsur penyusun utama kulit durian adalah karbon. Karbon pada biochar bertambah menjadi 97,73% akibat proses karbonisasi, sedangkan kandungan karbon pada biomassanya adalah 93,10%.
Pada Tabel 4.6 juga terlihat peningkatan kadar oksigen seiring bertambahnya suhu kalsinasi. Hal ini sesuai dengan penelitian Jin et al. (2014). Penelitian tersebut melaporkan perlakuan memakai KOH, meningkatkan nilai unsur oksigen seiring bertambahnya suhu kalsinasi. Sementara itu, kandungan kalium merupakan unsur yang terdapat dalam zat aktif yang berperan dalam reaksi transesterifikasi. Karbon dan KOH bereaksi membentuk gas-gas seperti CO dan CO2. Gas-gas ini bertanggung jawab dalam pembentukan pori-pori biochar.
Setelah melewati proses kalsinasi, maka katalis biochar sudah memiliki unsur aktif K. Kandungan karbon pada katalis biochar mengalami penurunan seiring bertambahnya suhu kalsinasi. Sementara itu, pada suhu kalsinasi 500 C terdapat 47,70% kalium, sedang pada suhu 600 C (51,40%) dan suhu 700 C (59,92%).
Peningkatan suhu kalsinasi menyebabkan berkurangya kandungan karbon biochar.
Menurut Tan et al. (2017), biomassa mengalami pirolisis parsial pada suhu rendah,
sebaliknya temperatur tinggi meningkatkan laju penguapan zat volatilnya. Unsur karbon hilang selama proses pemanasan. Laju pemanasan mempengaruhi yield biochar yang didapat.
Katalis biochar memiliki peran dalam pemecahan ikatan senyawa metanol.
Unsur K menempel tepat pada permukaan pori karbon. Jumlah K tertinggi pada penelitian ini adalah pada suhu 700 C (59,92%). Karbonisasi biomassa terjadi pada keadaan dimana oksigen dibuang dengan mengalirkan gas nitrogen. Sementara itu pada proses kalsinasi, kandungan oksigen mengalami perubahan kenaikan. Hal ini tejadi ketika unsur-unsur pada biochar teroksidasi membentuk senyawa oksida seperti K2O, CaO, Na2O.
Faktor utama yang menyebabkan bertambahnya kandungan oksigen setelah proses kalsinasi (Huang et al. 2017), adalah
1. Kandungan abu yang rendah pada biochar. Selama proses kalsinasi, oksidasi karbon berlangsung sehingga kadar abu menjadi rendah.
2. Gugus fungsional oksigen bertambah akibat adanya aktivitas KOH selama proses kalsinasi.
4.6 Aplikasi Katalis dengan Variasi Suhu Kalsinasi terhadap Yield Biodiesel Penelitian ini menghasilkan suhu kalsinasi terbaik pada 600 C. Suhu tersebut menghasilkan yield biodiesel 97%. Kandungan zat aktif K2O-nya adalah 61,92%.
Katalis biochar suhu kalsinasi 700 C menghasilkan zat aktif K2O 72,19%, dan 57,46% pada suhu 500 C. Meskipun kandungan K2O pada katalis biochar suhu 700
C cukup tinggi, tetapi kinerja katalisnya rendah akibat terlalu banyaknya senyawa K2O pada pori katalis biochar. Gambar 4.10 menunjukkan hubungan suhu kalsinasi
terhadap yield biodiesel. Suhu kalsinasi mempengaruhi kualitas katalis biochar. Yield biodiesel pada suhu 700 C adalah 88,2% lebih rendah dibanding pada suhu 600 C (97%). Hal yang sama pada penelitian yang dilakukan oleh Zhao et al. (2018) bahwa suhu kalsinasi terbaiknya adalah 600 C. Kinerja katalis menurun pada saat suhu kalsinasi 700 C. Hal ini akibat berkurangnya volume pori dan luas permukaan (Tabel 4.2).
Gambar 4.10 Pengaruh suhu kalsinasi terhadap yield biodiesel pada perbandingan metanol:minyak 12:1, waktu reaksi 90 menit, jumlah katalis 3% (%berat), suhu
reaksi 60 C, rasio KOH:biochar 4:1 (b/b)
4.7 Pengaruh Katalis Biochar terhadap Produk Biodiesel
Katalis biochar terbaik adalah pada suhu kalsinasi 600 C. Katalis tersebut kemudian diuji pada RBDPO dalam reaksi transesterifikasi. Dimana rasio metanol dengan minyak adalah 12:1. Pengujian katalis dilakukan untuk waktu reaksi, suhu reaksi terhadap yield biodiesel.
Yield (%)
Suhu kalsinasi ( 0Celcius )
500 600 700
4.7.1 Analisis RBDPO dan Metil Ester pada Pembuatan Biodiesel
RBDPO yang digunakan dalam penelitian ini memiliki kadar FFA 0,15% dan kadar air 0,05%. RBDPO memiliki keunggulan dalam kestabilan oksidasi dan jumlah kadar FFA yang rendah. Asam oleat (C18) merupakan komposisi paling besar (45,56%), diikuti asam palmitat (C16) sebesar 38,6%. Berdasar Tabel 4.7 terlihat banyaknya komposisi asam lemak tidak jenuh (C18) dibanding asam lemak jenuh.
Semakin tinggi kadar asam lemak tidak jenuh semakin rendah suhu reaksi yang dibutuhkan (Al-muhtaseb et al, 2018), juga lebih hemat energi. Banyaknya rantai panjang menjadikan RBDPO layak menjadi bahan baku biodiesel. Komposisi Trigliserida ditampilkan pada Tabel 4.8.
Dari perhitungan pada Tabel 4.8 diperoleh berat molekul rata-rata trigliserida RBDPO sebesar 848,464 gr/mol. Trigliserida adalah bahan utama penyusun biodiesel.
Semakin banyak jumlahnya maka kemungkinan yield biodiesel yang didapat semakin besar. Tabel 4.9 menampilkan hasil metil ester yang didapat pada penelitian ini.
Kemurnian metil ester yang diperoleh adalah 98,872%. Yield biodiesel yang diperoleh sesuai dengan Persamaan 4.15.
Komposisi terbesar metil ester yang diperoleh (Tabel 4.9) adalah C18:1 (42,386%), C16 (38,427%) dan C18:2 (11,907%). Bahan baku RBDPO didominasi sebagian besar oleh rantai karbon panjang lemak tak jenuh (Tabel 4.7).
Tabel 4.7 Komposisi asam lemak RBDPO
Tabel 4.8 Komposisi trigliserida RBDPO
Asam Laurat (C12:0) 0,3151 Asam Miristat (C14:0) 1,0153 Asam Palmitat (C16:0) 38,6060 Asam Palmitoleiat (C16:1) 0,1199 Asam Stearat (C18:0) 2,8687 Asam Oleat (C18:1) 45,5618 Asam Linoleat (C18:2) 10,9627 Asam Linolenat (C18:3) 0,1963 Asam Arakidat (C20:0) 0,2196 Asam Eikosenoat (C20:1) 0,1346
Jumlah 100,00
Tri Palmitatin 44,08 807,345 355,8776
Tri Palmitolein 0,15 801,345 1,2020
Tri Palmitolein 0,15 801,345 1,2020