ANALISIS ENERGI PROSES PIROLISIS
LIMBAH KELAPA SAWIT
RAJU
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Analisis Energi Proses Pirolisis Limbah Kelapa Sawit adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.1
Bogor, Januari 2016 Raju NRP F151120091
*
RINGKASAN
RAJU. Analisis Energi Proses Pirolisis Limbah Kelapa Sawit. Dibimbing oleh ARMANSYAH HALOMOAN TAMBUNAN dan RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN
Cangkang dan tandan kosong kelapa sawit (TKKS) merupakan sumber bioenergi yang potensial karena mengandung lignoselulosa (selulosa, hemiselulosa dan lignin) sehingga dapat dikonversi menjadi cairan, arang atau gas mampu bakar melalui proses pirolisis. Pirolisis adalah penguraian kandungan kimia biomassa dengan pemanfaatan panas tanpa adanya campuran oksigen pada suhu sekitar 200 °C - 600 °C. Pirolisis lignoselulosa biomassa terdiri dari empat tahapan yaitu pelepasan uap air, dekomposisi hemiselulosa, dekomposisi selulosa dan dekomposisi lignin.
Suhu pengoperasian pada proses pirolisis akan mempengaruhi komposisi cairan, arang dan gas serta karakteristik hasil pirolisis tersebut. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengklarifikasi karakteristik arang, cairan dan gas hasil pirolisis cangkang kelapa sawit dan TKKS serta faktor-faktor yang mempengaruhinya serta menganalisis keseimbangan energi proses pirolisis limbah kelapa sawit pada beberapa tingkat suhu pirolisis. Penelitian dilakukan dengan menggunakan reaktor pirolisis skala lab, yang didesain khusus agar suhunya dapat dikendalikan. Suhu pirolisis dikendalikan pada level 300 °C, 400 °C, 500 °C dan 600 °C, kemudian hasil pirolisis diukur dan dianalisa.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa pirolisis cangkang menghasilkan fraksi massa arang, cairan dan gas dalam rentang 34.99-63.78%, 22.76-43.28% dan 13.47-21.73%. Sedangkan pirolisis TKKS menghasilkan fraksi massa arang, cairan dan gas dalam rentang 30.66-64.76%, 16.25-29.16% dan 18.98-44.49% secara berturut-turut. Peningkatan suhu menghasilkan peningkatan nilai kalor arang hasil pirolisis cangkang dan TKKS dengan rentang antara 25.64 – 29.60 kJ/g dan 24.50 – 27.86 kJ/g. Peningkatan suhu menurunkan nilai kalor cairan hasil pirolisis cangkang kelapa sawit namun meningkatkan nilai kalor cairan hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit dengan rentang 33.90 – 37.84 kJ/g dan 30.94 – 40.86 kJ/g. Sementara itu peningkatan suhu pirolisis cangkang menyebabkan
Rasio energi proses pirolisis, yang merupakan kombinasi antara energi yang terkandung dalam produk pirolisis dengan energi input, menurun seiring dengan peningkatan suhu karena penggunaan listrik yang semakin tinggi dengan rentang antara 0.54 – 0.67 untuk pirolisis cangkang dan 0.30 – 0.66 untuk tandan kosong kelapa sawit.
SUMMARY
RAJU. Energy Analysis of Palm Oil Waste Pyrolysis Process. Supervised by ARMANSYAH HALOMOAN TAMBUNAN and RADITE PRAEKO AGUS SETIAWAN.
Empty fruit bunch (EFB) and shell of oil palm are potential sources of bioenergy because they contain lignocellulose (cellulose, hemycellulose and lignin) which can be converted to bio-oil (liquid), char, or combustible gases by pyrolysis process. Pyrolysis is biomass chemical contain decomposition using heat without oxygen at 200 °C – 600 °C level of temperature. Biomass lignocellulose pyrolysis has four stages which are water boiling, hemicellulose decomposition, cellulose decomposition and lignin decomposition.
Operating temperature of the pyrolysis process will influence the composition of the liquid, char and gases, as well as its characteristics. The objective of this study is to clarify the characteristic of pyrolysis products and to analyze pyrolysis process energy balance of both empty fruit bunch and shell as affected by the pyrolysis temperature. The experiment was conducted by using a lab scale pyrolysis reactor, specially designed with controlable temperature. The temperature of the pyrolysis process was controlled at 300 °C, 400 °C, 500 °C and 600 °C level, and the product was measured and analysed.
The result showed that pyrolysis of shell produced char, liquid and gases at the range of 34.99-63.78%, 22.76-43.28% and 13.47-21.73%, in mass fraction respectively. While pyrolysis of empty fruit bunch produced char, liquid and gases at the range of 30.66-64.76%, 16.25-29.16% and 18.98-44.49%, in mass fraction respectively. Increasing temperature resulted in increasing calorific value of the pyrolysis char from shell and empty fruit bunch in range of 25.64 – 29.60 kJ/g and 24.50 – 27.86 kJ/g, respectively. Increasing temperature resulted in decreasing calorific value of the pyrolysis oil from shell but the contrary from empty fruit bunch in range of 33.90 – 37.84 kJ/g and 30.94 – 40.86 kJ/g, respectively. However, temperature increasing on shell pyrolysis caused the increasing of CO concentration in range of 2.86% - 18.42% while the CH4 concentration increased
below temperature of 400 °C and decreased above the temperature. The increasing
of EFB pyrolysis temperature increased CO and CH4 concentration in the range of
3.81% - 15.74% and 0.29% - 0.76%, respectively.
Energy ratio of the pyrolysis process, as calculated by combining the energy content of the product and the input energy, were decreasing with the increasing temperature which were caused by increasing electricity consumption in range of 0.54 – 0.67 and 0.30 – 0.66, respectively.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
ANALISIS ENERGI PROSES PIROLISIS
LIMBAH KELAPA SAWIT
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah Enenrgi Terbarukan, dengan judul Analisis Energi Proses Pirolisis Limbah Kelapa Sawit.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Armansyah H Tambunan dan Bapak Dr Ir Radite P A Setiawan, MAgr selaku komisi pembimbing yang telah banyak membimbing dan memberi saran kepada penulis dalam menyelesaikan karya ilmiah ini serta Dr Ir Rokhani Hasbullah, Msi sebagai penguji luar komisi pada ujian tesis. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Papaku Gondren Faisal dan Mamaku Fatimah serta adik-adikku Trisna Hadi dan Devi Ramadana atas doa, kasih sayang serta dukungan dan semangat yang diberikan selama ini. Ucapan terima kasih juga disampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Republik Indonesia yang sudah mendukung penelitian ini dalam program Penelitian Hibah Kompetensi tahun kedua sesuai kontrak nomor: 074/IT3.11/LT/2014 tanggal 2 juni 2014.
Ucapan terima kasih juga disampaikan pada teman-teman Laboratorium Pindah Panas dan Massa: Irfan, Kak Inge, Sari, Bang Agus, Mas Tian, Haga, Sigit, Well, Ilham, Zakkir, Ramdhan, Holil, Fidel, Jhon, Pak Jhon, Pak Wahyudin, Pak Ali, Daniel, Bu Tatun, Dwi, Dian, Tiara, Mas Agus, Fadhil, Irwan, Husna, Pak Paulus, Pak Rusman, Pak Hendri, Kak Meika, Pak Bayu, Bang Kiman, Mas Angga. Teman-teman TMP 2012: Ali, Kindi, Tika, Dedek, Mas Joko, Dziyad, Haning, Pane, Choe, Endah, Rusnadi, Iqbal, teman-teman TMP 2011, 2013 dan 2014. Teman-teman keluarga kosan Al-Fath: Ikrom, Mas Sigit, Adi, Iskan, Kamil, Oshi, Bang Fajar, Lutfi, Dedi, Aryo, Gusti, Rivanu, Alwin, Fuad, Udin, Amir, Fajri, Eki, Iqbal, Bang Ary, Teki, Ridho, Danny, Septian, Julian, Adji, Rico.
Ucapan terima kasih juga disampaikan pada Pak Ahmad Mulyatullah dan Bu Rusmiyati yang banyak membantu penulis dalam pengurusan administrasi perkuliahan dan penelitian.
Akhir kata penulis berharap semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Terima Kasih.
DAFTAR ISI
Karakteristik Tandan dan Cangkang Kelapa Sawit 3
Klasifikasi Bahan Bakar 4
Diagram Ternary 4
Rasio Atom 5
Rasio Komponen Lignoselulosa 6
Proses dan Prinsip Pirolisis 8
Produk Pirolisis 9
Konsep Rancangan Peralatan Pengujian 12
Prosedur Penelitian 13
Pengukuran Parameter 16
4 HASIL DAN PEMBAHASAN 16
Karakteristik Tandan dan Cangkang Kelapa Sawit 16
Pirolisis Cangkang dan Tandan Kelapa Sawit 18
Karakteristik Hasil Pirolisis Limbah Kelapa Sawit 20 Karakteristik Arang, Cairan dan Gas Hasil Pirolisis 21 Keseimbangan Energi Pirolisis Limbah Kelapa Sawit 23
5 SIMPULAN DAN SARAN 24
Simpulan 24
Saran 25
DAFTAR PUSTAKA 26
DAFTAR TABEL
1 Karakteristik tandan dan cangkang kelapa sawit 3
2 Nilai kalor beberapa bahan bakar 9
3 State of the art penelitian tentang pirolisis 10 4 Analisis ultimat dan proksimat cangkang kelapa sawit dan beberapa
literatur pembanding 17
5 Analisis ultimat dan proksimat tandan kosong kelapa sawit dan
beberapa literatur pembanding 17
6 Analisis linognoselulosa cangkang dan tandan kelapa sawit 18 7 Suhu akhir, persamaan regresi linear dan laju pemanasan pirolisis
cangkang kelapa sawit 18
8 Suhu akhir, persamaan regresi linear dan laju pemanasan pirolisis
tandan kosong kelapa sawit 19
9 Fraksi massa hasil pirolisis cangkang kelapa sawit 20 10 Fraksi massa hasil pirolisis tandan kelapa sawit 21 11 Karakteristik arang hasil pirolisis cangkang kelapa sawit 21 12 Karakteristik arang hasil pirolisis tandan kelapa sawit 21 13 Nilai kalor cairan hasil pirolisis cangkang kelapa sawit 22 14 Nilai kalor cairan hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit 22 15 Karakteristik gas hasil pirolisis cangkang kelapa sawit 23 16 Karakteristik gas hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit 23 17 Rasio energi produk pirolisis cangkang kelapa sawit terhadap biomassa
dan energi proses 24
18 Rasio energi produk pirolisis tandan kosong kelapa sawit terhadap
biomassa dan energi proses 24
DAFTAR GAMBAR
1 Diagram ternary 4
2 Diagram van kravelen 5
3 Ilustrasi skematik selulosa 6
4 Ilustrasi skematik hemiselulosa 6
5 Struktur lignin pada biomassa 7
6 Grafik hubungan rasio selulosa-lignin dengan hemiselulosa-lignin 7
7 Proses pirolisis 8
8 Bagan alir penelitian 11
9 Konsep rancangan 12
10 Alat pirolisis skala lab 13
11 Skema pengukuran suhu pada reaktor 13
DAFTAR LAMPIRAN
1 Profil suhu pirolisis cangkang kelapa sawit pada suhu 300 °C (a),
2 Profil suhu pirolisis TKKS pada suhu 300 °C (a), 400 °C (b), 500 °C (c)
dan 600 °C (d) 30
3 Spektra NMR cairan hasil pirolisis cangkang kelapa sawit pada suhu 300 °C (a), 400 °C (b), 500 °C (c) dan 600 °C (d) 31
4 Spektra NMR cairan hasil pirolisis TKKS pada suhu 300 °C (a), 400 °C
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keterbatasan bahan bakar fosil, pencemaran lingkungan dan isu pemanasan global telah menjadi topik yang menarik perhatian dunia internasional saat ini. Bahan bakar fosil diperkirakan akan habis pada tahun 2060. Biomassa menjadi sumber energi terbarukan untuk mensubstitusi bahan bakar fosil serta mengatasi kerusakan lingkungan. Limbah kelapa sawit merupakan biomassa yang melimpah di Indonesia. Menurut Badan Pusat Statistik produksi kelapa sawit di Indonesia pada tahun 2014 mencapai 29.34 juta ton minyak sawit mentah (CPO) atau sekitar 139.71 juta ton tandan buah segar. Pengolahan tandan buah segar menghasilkan limbah berupa cangkang sebanyak 6.7% dan tandan kosong kelapa sawit (TKKS) sebanyak 22.5%.
Karakteristik spesifik dari biomassa mempengaruhi peranannya sebagai bahan bakar. Cangkang dan TKKS merupakan sumber bioenergi yang potensial karena mengandung lignoselulosa (lignin, hemiselulosa dan selulosa) yang dapat dikonversi menjadi cairan, arang atau gas mampu bakar dan dimanfaatkan sebagai sumber energi. Konversi lignoselulosa dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu pembakaran langsung, gasifikasi, liquefaksi, torefaksi dan pirolisis. Pada penelitian ini proses konversi akan dilakukan secara pirolisis karena menghasilkan produk dalam bentuk arang, cairan dan gas yang memiliki fungsi tersendiri. Komposisi produk-produk tersebut dapat dikendalikan dengan menggunakan kendali proses.
Pirolisis pada biomassa diharapkan dapat meningkatkan densitas energi yang terkandung pada hasilnya, agar menghasilkan kerja yang lebih baik dibandingkan dengan pembakaran langsung biomassa tersebut. Pirolisis adalah penguraian kandungan kimia biomassa dengan pemanfaatan panas tanpa adanya campuran oksigen pada suhu sekitar 200 °C - 600 °C (Silva et al.2012). Menurut Klass (1998) umumnya gas yang dihasilkan terdiridari H2, CO2, CO, CH4, C2H6,
C2H4, gas organik dan uap air. Proses pirolisis lignoselulosa biomassa terdiri dari
empat tahapan yaitu pelepasan uap air, dekomposisi hemiselulosa, dekomposisi selulosa dan dekomposisi lignin. Dekomposisi hemiselulosa biasanya terjadi pada suhu 220 °C - 315 °C. Selulosa terdekomposisi pada suhu 315 °C - 400 °C dan lignin biasanya terdekomposisi pada suhu 150 °C sampai suhu 900 °C (Yang et al. 2006).
Energi input, energi proses dan energi output menjadi hal yang penting dalam proses pirolisis. Perbandingan antara energi input dan energi proses dengan energi output disebut rasio energi. Semakin tinggi perbandingan antara energi output dengan gabungan energi input dan proses maka semakin baik pula proses prolisis yang berlangsung.
2
proses pirolisis dengan suhu 500 °C dan 700 °C yang diaplikasikan pada oil palm stone dan palm kernel cake dengan menggunakan reaktor fixed-bed meningkatkan nilai kalor pada arang namun menurunkan nilai kalor pada oil seiring dengan peningkatan suhu pirolisis. Konsentrasi gas H2 meningkat, CH4 mengalami
peningkatan sampai suhu 600 °C setelah itu mengalami penurunan sedang gas CO dan CO2 mengalami penurunan seiring dengan meningkatnya suhu pirolisis.
Penelitian dengan bahan sekam padi dilakukan oleh Park et al. (2014). Penelitian ini menghasilkan peningkatan hasil untuk gas dan cairan namun penurunan hasil dan nilai kalor pada arang yang dihasilkan. Konsentrasi CO dan CO2 yang
terbentuk mengalami penurunan sedangkan H2 dan CH4 mengalami peningkatan
seiring meningkatnya suhu. Sukiran (2008) menggunakan reaktor fluidized-bed dengan bahan tandan kosong kelapa sawit menunjukkan bahwa peningkatan suhu pirolisis meningkatkan cairan dan gas hasil pirolisis namun menurunkan produksi arangnya. Peningkatan suhu pirolisis juga menyebabkan terjadinya penurunan nilai kalor pada arang. Jumlah gas CH4 terlihat meningkat namun gas CO
menurun seiring peningkatan suhu pirolisis. Asadullah (2013) menggunakan reaktor fluidized-bed melakukan pirolisis pada cangkang kelapa sawit dan menghasilkan fenomena yang sama pada hasil pirolisis seperti penelitian Sukiran (2008) yaitu peningkatan produksi cairan dan gas serta penurunan produksi arang seiring dengan peningkatan suhu pirolisis. Ginting (2014) menggunakan bahan tandan kosong kelapa sawit. Pirolisis dilakukan dengan suhu 200 °C – 450 °C. Hasil yang diperoleh adalah nilai kalor syngas yang terbentuk berupa H2, CO dan
CH4 meningkat dengan meningkatnya suhu pirolisis.
Penelitian ini akan membuat alat pirolisis skala lab yang dapat diatur suhunya untuk melakukan proses pirolisis cangkang dan tandan kelapa sawit. Arang, cairan dan gas yang dihasilkan akan dianalisis karakteristiknya dan keseimbangan energi pada proses pirolisis.
Perumusan Masalah
Proses pirolisis membutuhkan asupan energi dalam bentuk panas untuk mengkonversi biomassa menjadi arang, cairan dan gas. Energi yang terkandung pada produk hasil pirolisis diharapkan lebih tinggi dibandingkan gabungan energi input dan proses pada proses pirolisis sehingga proses pirolisis limbah kelapa sawit akan menghasilkan keseimbangan energi yang positif.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Mempelajari karakteristik arang, cairan dan gas hasil pirolisis cangkang kelapa sawit dan TKKS serta faktor-faktor yang mempengaruhinya pada beberapa tingkat suhu.
3 Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah untuk mengetahui potensi energi yang berasal dari proses pirolisis cangkang dan TKKS sebagai dasar dalam penggunaan limbah sawit sebagai bahan bakar alternatif.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian yang dilakukan meliputi pengeringan dan pengecilan ukuran tandan kosong kelapa sawit. Pengkarakterisasian kandungan yang terdapat dalam produk hasil pirolisis cangkang dan TKKS serta membandingkan energi pada tahap input, proses dan output pirolisis.
2
TINJAUAN PUSTAKA
Karakteristik Tandan dan Cangkang Kelapa Sawit
Karakteristik biomassa seperti kadar air, ukuran partikel, densitas, bahan yang terkandung (C, H, N, S, dan O), bahan mudah menguap dan kadar abu mempengaruhi kesesuaian biomassa sebagai bahan bakar (Omar 2011). Karakteristik ini disebut analisis ultimat dan proksimat.
Tabel 2.1 menunjukkan analisa ultimat dan proksimat cangkang dan tandan kosong kelapa sawit dari beberapa penelitian.
Tabel 2.1 Karakteristik tandan dan cangkang kelapa sawit
Kandungan Tandan Kosong Kelapa Sawit Cangkang Kelapa Sawit
4
Klasifikasi Bahan Bakar
Menurut Basu (2010) klasifikasi bahan bakar sangat penting dalam menentukan karakteristiknya. Bahan bakar dapat dibagi dalam beberapa kelompok yang memiliki sifat yang sama tanpa mempertimbangkan jenis dan asalnya. Oleh karena itu, ketika biomassa dipertimbangkan untuk pirolisis atau konversi termokimia lainnya, klasifikasinya dapat ditelusuri, kemudian dari karakteristiknya tersebut kita dapat menilai potensi konversinya.
Ada tiga metode dalam mengklasifikasi dan mengurutkan peringkat bahan bakar menggunakan kandungan kimianya yaitu rasio atom, rasio kandungan lignoselulosa dan diagram ternary. Seluruh hidrokarbon dapat diklasifikasi dan diurutkan peringkatnya berdasarkan pada rasio atomnya tapi klasifikasi kedua terbatas pada lignoselulosa biomassa.
Diagram Ternary
Diagram ternary tidak digunakan untuk mengklasifikasikan biomassa tapi dapat digunakan untuk merepresentasikan proses konversi biomassa. Sudut-sudut pada segitiga adalah representasi dari konsentrasi karbon murni, oksigen dan hidrogen 100%. Titik-titik dalam segitiga menunjukkan campuran ternary dari ketiga substansi ini. Sisi yang berseberangan dengan sudut menunjukkan tidak ada konsentrasi komponen tersebut. Sebagai contoh, sisi alas pada Gambar 2.1 menunjukkan konsentrasi hidrogen 0% dan merupakan pencampuran antara dua komponen saja yaitu C dan O.
Gambar 2.1 Diagram ternary (Basu 2010)
5 Proses konversi yang dapat digambarkan ternary diagram sebagai berikut. Pada proses karbonisasi atau pirolisis lambat, produk digerakkan ke arah karbon melalui pembentukan char padat. Pirolisis cepat menggerakkan produk menuju hidrogen menjauhi oksigen yang mengindikasikan produk mengandung lebih banyak cairan. Gasifikasi oksigen menggerakkan produk gas menuju sudut oksigen, dimana gasifikasi membuat proses menjauhi sudut karbon. Sedangkan pada proses hidrogenisasi dapat meningkatkan hidrogen sehingga menggerakkan produk ke arah hidrogen.
Rasio Atom
Klasifikasi berdasarkan rasio atom dapat membantu dalam memahami nilai kalor pada sebuah bahan bakar. Sebagai contoh nilai HHV (higher heating value) dari biomassa berkaitan erat dengan rasio O/C dimana nilainya akan menurun dari 38 menjadi 15 MJ/kg ketika rasio O?C meningkat dari 0,1 menjadi 0,7. Peningkatan rasio H/C akan menurunkan nilai kalor efektif suatu bahan bakar.
Rasio atom berdasarkan pada kandungan hidrogen, oksigen dan karbon yang terdapat pada bahan bakar. Gambar 2.2 merupakan plot anatara rasio H/C dengan O/C pada bahan semua bahan bakar. Diagram ini dikenal sebaagai diagram van krevelen dan menunjukkan bahwa biomassa memiliki rasio H/C dan O/C yang lebih tinggi dibandingkan bahan bakar fosil. Biomassa yang muda seperti daun memiliki nila kalor yang sangat rendah karena rasio H/C dan O/C yang tinggi. Rasio atom bahan bakar menurun sebanding dengan peningkatan usianya, dengan kata lain semakin tua bahan bakar maka energy yang dikandungnya semakin tinggi. Sebagai contoh pada antrasit yaitu bahan bakar fosil yang terbentuk setelah ribuan tahun memiliki nilai kalor yang sangat tinggi. Rasio H/C yang lebih rendah meningkatkan panas yang dihasilkan tapi meningkatkan juga intensitas emisi CO2 dari pembakarannya.
6
Rasio Komponen Lignoselulosa
Secara umum biomassa mengandung tiga komponen yaitu selulosa, hemiselulosa dan lignin. Selulosa memiliki rumus (C6H12O6)n, dimana n adalah
derajat polimerisasi. Rentang n pada selulosa mencapai ribuan hingga puluhan ribu. Selulosa terdegradasi pada rentang suhu 275 °C - 350 °C. Hasil degradasi selulosa berupa uap yang dapat terkondensasi. Pirolisis selulosa secara dominan menjadi monomer levoglucosan yang akan menguap dan menghasilkan gas dan oil.
Gambar 2.3 Ilustrasi skematik selulosa (Basu 2010)
Hemiselulosa memiliki rumus (C5H8O4)n, berbeda dengan selulosa rentang
n pada hemiselulosa jauh lebih sedikit yaitu sekitar 50-200 sehingga hemiselulosa lebih mudah hancur. Hemiselulosa terdegradasi pada rentang suhu 150 °C – 350 °C. Hasil degradasi hemiselulosa berupa gas yang tidak dapat terkondensasi serta jumlah tar yang lebih sedikit dibandingkan pada selulosa.
Gambar 2.4 Ilustrasi skematik hemiselulosa (Basu 2010)
7 adalah 250 °C – 500 °C. Karena terdegradasi lebih lambat, lignin berkontribusi pada pembentukan char.
Gambar 2.5 Struktur lignin pada biomassa (Basu 2010)
Biomassa dapat juga diklasifikasikan terhadap perbandingan jumlah selulosa, hemiselulosa dan lignin yang terkandung di dalamnya. Kita dapat memprediksi perilaku biomassa selama pirolisis dari pengetahuan tentang komponen-komponen ini. Gambar 2.6 memplot antara rasio hemiselulosa terhadap lignin dengan rasio selulosa terhadap lignin. Tanpa memperdulikan beberapa titik, proporsional tertentu dapat dideteksi antara keduanya. Untuk beberapa jenis biomassa, rasio selulosa lignin meningkat dari 0,5 menjadi 2,7 sementara rasio hemiselulosa meningkat dari 0,5 menjadi 2,0.
8
Proses dan Prinsip Pirolisis
Pirolisis adalah dekomposisi termokimia dari biomassa menjadi produk-produk yang bermanfaat, baik dalam keadaan absen agen-agen pengoksidasi secara total maupun dengan pemberian yang terbatas. Selama pirolisis, molekul kompleks hidrokarbon yang besar terpecah menjadi molekul yang relatif lebih kecil dan lebih simpel dalam bentuk gas, cairan dan arang.
Gambar 2.7 Proses pirolisis (Basu 2010)
Pirolisis tidak sama dengan proses gasifikasi yang melibatkan reaksi kimia dengan sebuah agen eksternal. Pirolisis biomassa biasanya berlangsung pada rentang suhu yang rendah dari 300 °C – 650 °C dibandingkan dengan 800 °C – 1000 °C pada gasifikasi. Produk awal dari pirolisis terbuat dari gas-gas yang dapat dikondensasikan dan arang padat. Gas yang dapat terkondensasi selanjutnya berubah menjadi gas-gas yang tidak daapat terkondensasi (CO, CO2, H2, dan
CH4), cairan dan arang. Proses pirolisis dapat disajikan dengan
persamaan-persamaan reaksi sebagai berikut (Yang et al 2006):
Biomassa Gas (H2 CO, CO2, CmHn) + H2O + tar + C (char) (1)
Tar CH4 + H2O + CmHn + H2 (2)
CH4 + H2O CO + 3H2 (3)
C + H2O CO + H2 (4)
CO + H2O CO2 + H2 (5)
C + CO2 2CO (6)
C + 2H2 CH4 (7)
CH4 + CO2 2CO + 2H2 (8)
CmHn + 2nH2O nCO2 + [2n + (m/2)] H2 (9)
CmHn + nH2O nCO + [n + (m/2)] H2 (10)
9 waktu reaksi pirolisis dan sebaliknya. Pada pirolisis lambat, waktu uap tinggal pada zona pirolisis berkisar beberapa menit atau lebih lama. Proses ini digunakan secara utama untuk produksi arang dan terbagi menjadi dua tipe : karbonisasi dan konvensional. Sedangkan dalam pirolisis cepat, waktu tinggal uap pada zona pirolisis berlangsung dalam detik. Tipe pirolisis ini digunakan untuk produksi bio-oil dan gas, terbagi menjadi dua tipe : flash dan ultra-rapid (Basu 2010) (Yang et al 2006) (Misson et al 2009).
Produk Pirolisis
Pirolisis memecah molekul-molekul kompleks yang besar menjadi beberapa molekul yang lebih kecil. Produk dari pemecahan molekul ini diklasifikasikan menjadi tiga tipe :
a. Padatan (kebanyakan dalam bentuk arang atau karbon) b. Cairan (tar, hidrokarbon yang lebih berat, dan air) c. Gas (CO2, H2O, CO, C2H2, C2H4, C2H6, dan lain-lain)
Jumlah dari produk-produk ini bergantung pada beberapa faktor termasuk laju pemanasan dan temperatur akhir yang dicapai oleh biomassa.
Padatan
Arang adalah hasil padatan dari pirolisis. Sebagian besar terdiri dari karbon ( ~85%), tapi dapat juga mengandung oksigen dan hidrogen. Tidak seperti bahan bakar fosil, biomassa mengandung sangat sedikit abu anorganik. Lower heating value (LHV) dari arang biomassa sekitar 32 MJ/kg, yang secara substansi lebih tinggi dibandingkan dengan biomassa awalnya atau produk cairannya (bio-oil). Cairan
Hasil dalam bentuk cairan dikenal sebagai tar, bio-oil, atau biocrude adalah cairan seperti tar yang berwarna hitam dan mengandung lebih dari 20% air. Biomassa awal mengandung nilai LHV di rentang 19,5-21 MJ/kg, namun hasil cairan mengandung nilai LHV dalam rentang 13-18 MJ/kg.
Tabel 2.2 Nilai kalor beberapa bahan bakar (Basu 2010) Bahan Bakar Nilai kalor (MJ/kg)
10 Gas
Secara utama dekomposisi biomassa menghasilkan gas-gas yang dapat dikondensasi dan gas-gas yang tidak dapat dikondensasi ( gas utama). Uap yang terbentuk dari molekul-molekul yang lebih berat, terkondensasi pada pendinginan. Nilai LHV gas yang terbentuk dari pirolisis adalah 16 MJ/kg sampai 29 MJ/kg.
Tabel 2.3 State of the art penelitian tentang pirolisis
Peneliti Jenis
seiring peningkatan suhu, namun
menurunkan konsentrasi CO dan CO2
Asadullah
Peningkatan produksi cairan dan gas serta penurunan produksi arang seiring dengan peningkatan suhu pirolisis
Ly et al.
(2013)
Palm fibre - Closed reactor
- 340 °C, 350 °C
dan 360 °C
Peningkatan produksi cairan dan gas serta penurunan produksi arang seiring dengan peningkatan suhu pirolisis
- Produksi padatan menurun sedangkan
cairan dan gas meningkat seiring peningkatan suhu
- Nilai kalor padatan meningkat hingga
level 300 W kemudian menurun
- Konsentrasi CO, H2, CO2 dan CH4
- Nilai kalor arang menurun seiring
peningkatan suhu .
- Konsentrasi H2 dan CH4 meningkat
seiring peningkatan suhu, namun
menurunkan konsentrasi CO dan CO2.
Ginting
menurunkan konsentrasi gas CO.
3
METODE
11 Mulai
Persiapan bahan, penjemuran tandan kosong kelapa sawit serta pengecilan ukuran (3-4 cm)
Analisis ultimat, proksimat, lignoselulosa dan nilai kalor biomassa
Setup alat pirolisis dan pemasangan alat gas analyzer
Pecatatan data profil suhu, massa cairan
Penimbangan massa arang
Pemisahan asap cair dan bio-oil
Analisis energi
Selesai
Gambar 3.1 Bagan alir penelitian
Alur penelitian dilanjutkan dengan setup alat penelitian dan pengujian. Pada saat pengujian, data berupa profil suhu dan massa cairan dicatat. Setelah pengujian selesai dilakukan penimbangna arang, kemudian dilakukan analisis karakteristik produk-produk hasil pirolisis, keseimbangan massa, H-NMR cairan serta nilai kalor arang dan gas yang dilanjutkan dengan analisis keseimbangan energi.
Bahan
12
terlebih dahulu dijemur pada sinar matahari untuk menurunkan kadar airnya dan diseragamkan ukurannya sekitar 3-4 cm dengan cara dicacah secara manual.
Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat pirolisis skala lab yang dilengkapi dengan heater listrik dan panel listrik yang terdiri dari pengendali suhu digital, solid state relay, KWH-meter dan stabilizer. Alat pendukung dalam pengujian adalah termokopel, timbangan digital, kondensor dan alat gas analyzer.
Konsep Rancangan Peralatan Pengujian
Alat pirolisis skala lab terdiri dari tabung reaktor, heater dan pengendali suhu digital serta dilengkapi dengan termokopel dan stabilizer. Konsep dan gambar teknik rancangan alat ditunjukkan pada Gambar 3.2 dan 3.3. Reaktor berukuran Φ 10 cm x 40 cm dan dipasangi heater listrik jenis ceramic band 220V, 10A yang terlebih dahulu dihubungkan ke KWH-meter sebelum dihubungkan ke sumber listrik.
Gambar 3.2 Konsep rancangan
13
Keterangan :
1. Panel listrik yang terdiri dari termostat digital (Omron E5CZ), MCB dan solid state relay
2. Reaktor dilengkapi dengan heater 3. Kondensor
4. Timbangan digital dengan sensitivitas 0.01 g
5. Selang pengukuran gas yang dihubungkan dengan alat gas analyzer Merk Lancom 4
Gambar 3.3 Alat pirolisis skala lab
Gambar 3.4 Skema pengukuran suhu pada reaktor
Prosedur Penelitian
14
yang lebih baik dalam menghasilkan produk pirolisis yang ingin diprioritaskan untuk dihasilkan. Heater dihubungkan dengan KWH-meter untuk diukur konsumsi listrik yang digunakan. Bahan yang digunakan pada tiap perlakuan adalah 1000 g cangkang sawit dan 300 g TKKS. Arus listrik heater dikendalikan dengan termostat digital. Pengukuran waktu dimulai ketika heater dinyalakan.
Titik pengukuran suhu di dalam reaktor ditunjukkan oleh Gambar 3.4. Titik T1, T2, T3 dan T4 adalah titik-titik pengukuran suhu di dalam reaktor yang dicatat tiap menit selama proses pirolisis. Titik T1 berada tepat di tengah reaktor (pusat reaktor), titik T2 berada di tengah jari-jari reaktor (0.5R), titik T3 berada 1 cm dari dinding dalam reaktor dan T4 ditempelkan pada dinding dalam reaktor dan merupakan titik dimana suhu pirolisis dikontrol. Dari hasil pencatatan akan diperoleh laju pemanasan tiap titik. Laju pemanasan dan suhu perlakuan akan dikorelasikan dengan hasil pirolisis yang diperoleh.
Zat-zat yang menguap dialirkan dari reaktor menuju kondensor dengan fluida berupa air 18 °C. Gas yang terkondensasi dan menjadi cairan ditampung untuk ditimbang setelah proses pirolisis selesai. Gas yang tidak terkondensasi diteruskan menuju alat Gas Analyzer Lancom 4. Kandungan gas mampu bakar hasil pirolisis yang terbentuk berupa CO dan CH4 serta gas tak mampu bakar
seperti O2, H2S, SO2, NO2, NO dan CO2 diukur dan dicatat secara otomatis pada
komputer kemudian dihitung dengan menggunakan rumus integrasi simpson dengan menerapkan prinsip luas kurva yang terbentuk oleh diagram persentase gas, dengan rumus seperti pada persamaan (11)
{ ∑ ∑ } (11)
Setelah diperoleh persentase gas, dihitung massa gas CO dan CH4 kemudian
dikalikan dengan nilai high heating value (HHV) masing-masing gas sehingga diperoleh nilai kalor gas. HHV CO adalah sebesar 10.1 kJ/g sedangkan HHV CH4
adalah sebesar 55.6 kJ/g.
Cairan yang terkondensasi dipisahkan antara antara asap cair dan bio-oil, ditimbang lalu bio-oil dianalisis dengan menggunakan alat H-NMR sehingga diketahui komponen-komponen yang terkandung di dalamnya. Pemisahan dilakukan karena asap cair merupakan komponen yang tidak mampu bakar. Setelah itu bio-oil yang telah dianalisis, dihitung nilai kalornya dengan menggunakan persamaan Dulong (Abnisa et al 2011):
(12)
C = persentase C H = persentase H O = persentase O
15 persamaan (13), (14) dan (15). Pada persamaan (15) asumsi yang digunakan adalah gas yang terkondensasi dan menempel pada dinding reaktor dan sepanjang pipa dianggap sebagai gas.
Analisis ultimat untuk mengetahui besarnya persentase karbon, hidrogen, nitrogen, dan oksigen yang terkandung pada cangkang dan tandan kosong kelapa sawit dilakukan menggunakan alat GCMS Pirolisis Shimadzu tipe GCMS-QP2010. Analisis Proksimat untuk mengetahui kadar air, zat terbang (volatile metter), karbon tetap dan abu dilakukan dengan menggunakan termogravimetri analyzer. Analisis lignoselulosa tandan kosong kelapa sawit dilakukan untuk mengetahui persentase kandungan selulosa menggunakan metode Norman Jenkins, lignin dengan standar TAPPI, T 6 m – 59 (ASTM), hemiseluloa menggunakan standar ASTM 1104-56 dan ASTM 1103-60. Analisis ultimat, proximat dan lignoselulosa dilakukan di Laboratorium Pengujian Hasil Hutan Pusat Penelitian dan Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Bogor. Analisis nilai kalor arang dilakukan di Laboratorium Ilmu dan Teknologi Pakan, Departemen Ilmu Nutrisi dan Teknologi Pakan, Institut Pertanian Bogor dengan menggunakan alat bomb calorimeter Parr 6200. Analisis H-NMR dilakukan untuk mengetahui komposisi yang terkandung pada cairan hasil pirolisis dengan menggunakan alat Spectrometer Delta-NMR. Analisis ini dilakukan di Balai Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT) Serpong.
16
Rasio energi dapat didefenisikan dalam persamaan berikut :
(22)
Dimana Σenergi in merupakan jumlah semua input energi ke sistem dan Σenergi out merupakan jumlah semua output energi dari sistem sebagai produk.
Pengukuran Parameter
Parameter-parameter yang akan diukur pada pengujian alat pirolisis adalah Profil suhu, massa bahan baku dan hasil pirolisis serta waktu proses pirolisis. Profil suhu di dalam reaktor pirolisis diukur dengan menggunakan termokopel tipe K (CA). Termokopel ditempatkan pada ruang reaktor kemudian suhu akan tertera pada display termometer. Massa bahan baku dan hasil pirolisis berupa arang dan cairan ditimbang dengan timbangan digital. Sementara gas-gas yang dihasilkan dihitung dengan analisis keseimbangan massa. Waktu proses pirolisis diukur dengan menggunakan stopwatch.
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Tandan dan Cangkang Kelapa Sawit
Perbandingan hasil analisis ultimat, proksimat dan nilai kalor cangkang dan tandan kosong kelapa sawit yang digunakan dalam penelitian ini dengan beberapa penelitian lainnya ditunjukkan oleh Tabel 4.1 dan 4.2. Rasio atom O/C dan H/C yang diperoleh dari analisis ultimat dapat digunakan untuk menunjukkan besarnya nilai kalor yang dapat dimanfaatkan dari bahan bakar tertentu. Semakin kecil nilai rasio O/C dan H/C maka nilai kalor yang terkandung di dalam suatu bahan bakar tertentu akan semakin besar, dan sebaliknya. Dari hasil terlihat bahwa nilai kalor cangkang dan tandan kosong kelapa sawit relatif lebih besar dibandingkan dengan literatur pembanding dikarenakan tingginya persentase atom C yang terkandung di dalamnya.
17 Tabel 4.1 Analisis ultimat dan proksimat cangkang kelapa sawit dan beberapa
literatur pembanding
Tabel 4.2 Analisis ultimat dan proksimat tandan kosong kelapa sawit dan beberapa literatur pembanding
18
Tabel 4.3 Analisis linognoselulosa cangkang dan tandan kelapa sawit dan beberapa literatur pembanding
Pirolisis Cangkang dan Tandan Kelapa Sawit
Proses pirolisis telah dilakukan dan diharapkan berlangsung pada suhu 300 °C, 400 °C, 500 °C dan 600 °C dengan menggunakan bahan cangkang dan TKKS. Sumber panas yang digunakan dalam proses pirolisis berasal dari heater. Panas dari heater listrik mengalir secara konduksi dengan arah horizontal melalui dinding reaktor yang kemudian dialirkan ke biomassa berupa cangkang dan TKKS. Pirolisis pada cangkang kelapa sawit dengan suhu 300 °C, 400 °C, 500 °C dan 600 °C berlangsung selama 143 menit, 110 menit, 106 menit dan 127 menit. Pirolisis TKKS dengan suhu 300 °C, 400 °C, 500 °C dan 600 °C berlangsung selama 47 menit, 51 menit, 50 menit dan 114 menit.
Tabel 4.4 Suhu akhir, persamaan regresi linear dan laju pemanasan pirolisis
Regresi linear Laju pemanasan
(°C/menit)
19 T3. Dari Tabel 4.4 dan Tabel 4.5 dapat dilihat bahwa pirolisis yang terjadi pada cangkang kelapa sawit secara umum lebih lambat dibandingkan pirolisis TKKS . Hal ini dapat terlihat dari laju pemanasan yang kurang dari 10 °C/menit, sementara pada pirolisis TKKS, laju pemanasan yang terjadi di atas 10 °C/menit. Perbedaan laju pemanasan yang terjadi bergantung pada karakteristik bahan dan suhu yang diaplikasikan pada bahan.
Laju pemanasan pada pirolisis dan suhu perlakuan dapat mempengaruhi hasil pirolisis. Laju pirolisis yang lebih cepat dan suhu perlakuan yang tinggi akan meningkatkan jumlah cairan dan gas pada hasil pirolisis, sementara laju pirolisis yang lebih lambat dan suhu perlakuan yang rendah akan meningkatkan jumlah
Regresi linear Laju pemanasan
(°C/menit)
20
Karakteristik Hasil Pirolisis Limbah Kelapa Sawit
Fraksi massa dari proses pirolisis cangkang dan tandan kelapa sawit pada kondisi pemanasan yang berbeda ditunjukkan pada Tabel 4.6 dan Tabel 4.7. Fraksi massa padatan, cairan dan gas hasil pirolisis cangkang kelapa sawit secara berturut-turut adalah 34.99-63.78%, 22.76-43.28% dan 13.47-21.73%. Sedangkan fraksi massa padatan, cairan dan gas hasil pirolisis tandan kelapa sawit secara berturut-turut adalah 30.66-64.76%, 16.25-29.16 dan 18.98-44.49%. Masing-masing fraksi massa padatan, cairan dan gas kemudian dibagi menjadi bagian yang memiliki nilai kalor dan yang tidak memiliki nilai kalor. Bagian yang memiliki nilai kalor adalah arang, bio-oil dan gas mampu bakar sedangkan bagian yang tidak memiliki nilai kalor adalah abu, asap cair dan gas tak mampu bakar.
Penggunaan bahan baku yang berbeda serta jenis pirolisis dapat mempengaruhi persentase produksi arang, bio-oil dan gas mampu bakar pada proses pirolisis tersebut. Tabel 4.6 dan Tabel 4.7 menunjukkan bahwa persentase produksi bio-oil pada pirolisis cangkang lebih banyak daripada persentase produksi bio-oil pada pirolisis tandan kosong kelapa sawit namun kebalikannya pada persentase produksi gas mampu bakar. Pada persentase produksi arang, pirolisis cangkang menghasilkan arang yang lebih sedikit dibandingkan pirolisis tandan kosong pada suhu 300 °C dan 400 °C sedangkan pada suhu 500 °C dan 600 °C terjadi sebaliknya.
Laju pemanasan yang lebih lambat pada pirolisis cangkang kelapa sawit berdampak pada lebih tingginya persentase bio-oil yang diperoleh dari hasil pirolisis dibandingkan dengan pirolisis TKKS, sementara itu persentase gas TKKS lebih besar dibandingkan persentase gas yang diperoleh pada pirolisis cangkang kelapa sawit.
Tabel 4.6 Fraksi massa hasil pirolisis cangkang kelapa sawit Suhu
21 Tabel 4.7 Fraksi massa hasil pirolisis tandan kelapa sawit
Suhu
Karakteristik Arang, Cairan dan Gas Hasil Pirolisis
Tabel 4.8 dan 4.9 menunjukkan karakteristik arang hasil pirolisis cangkang dan TKKS pada kisaran suhu 300 °C - 600 °C. Karakteristik arang diperoleh dari hasil analisis arang di Laboratorium Ilmu dan Teknologi Pakan, Departemen Ilmu Nutrisi dan Teknologi Pakan, IPB. Peningkatan suhu pirolisis pada cangkang kelapa sawit berdampak pada meningkatnya nilai kalor arang. Hal ini juga berlangsung pada pirolisis TKKS kecuali pada suhu 600 °C dimana nilai kalor arang lebih rendah dibandingkan dengan nilai kalor arang pada suhu perlakuan yang lain. Peningkatan nilai kalor arang yang beriringan dengan peningkatan suhu pirolisis dapat diakibatkan oleh peningkatan suhu pirolisis yang menyebabkan penguapan volatile matter sehingga kadar air arang lebih rendah seperti terlihat pada Tabel 4.10 dan 4.11. Penurunan nilai kalor arang pada pirolisis tandan kosong kelapa sawit yang terjadi pada suhu 600 °C diduga karena lebih banyaknya lignin yang terdekomposisi.
Tabel 4.8 Karakteristik arang hasil pirolisis cangkang kelapa sawit
Suhu (°C) Kadar Air (%) Kadar Abu (%) Nilai Kalor (kJ/g)
Tabel 4.9 Karakteristik arang hasil pirolisis tandan kelapa sawit
22
sedangkan pirolisis tandan kosong kelapa sawit menghasilkan nilai kalor cairan yang meningkat seiring dengan peningkatan suhu pirolisis.
Tabel 4.10 Nilai kalor cairan hasil pirolisis cangkang kelapa sawit
Komponen Suhu
Penurunan nilai kalor cairan pada cangkang kelapa sawit disebabkan karena pirolisis lambat yang terjadi dalam proses pirolisis sehingga hasil yang diperoleh lebih dominan pada arang dan lebih banyak volatile matter yang tersimpan di arang, sementara itu pada pirolisis tandan kosong kelapa sawit terjadi pirolisis yang lebih cepat pada prosesnya sehingga lebih banyak volatile matter yang menguap dan terbentuk menjadi cairan yang mengakibatkan nilai kalor cairan hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit mengalami peningkatan.
Tabel 4.11 Nilai kalor cairan hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit
Komponen Suhu
Tabel 4.12 dan Tabel 4.13 menunjukkan karakteristik gas hasil pirolisis cangkang dan TKKS. Peningkatan suhu pirolisis cangkang kelapa sawit mengakibatkan peningkatan konsentrasi gas CO pada rentang 2,86% - 18,42% sementara konsentrasi gas CH4 meningkat pada suhu 400 °C namun menurun
kembali dengan rentang 0,89% - 2,84%. Peningkatan persentase pada produksi gas CO meningkatkan pula jumlah kalor yang dihasilkan oleh gas CO dengan rentang 38.94 kJ – 398.07 kJ, sedangkan pada produksi gas CH4 rentang jumlah
kalornya adalah 71.11 kJ – 274.92 kJ.
Peningkatan suhu pirolisis TKKS meningkatkan konsentrasi gas CO dan CH4 pada rentang 3,81% - 15,74% dan 0,29% - 0,76%. Peningkatan konsentrasi
23 Gas – gas yang memiliki nilai kalor yang lebih besar diharapkan lebih banyak dihasilkan pada suhu yang lebih tinggi. Gas CH4 yang memiliki nilai kalor
55.6 kJ/g diharapkan lebih banyak dihasilkan dibandingkan gas CO yang memiliki nilai kalor 10.1 kJ/g dan gas H2 yang memiliki nilai kalor 141.9 kJ/g
diharapkan lebih banyak dihasilkan dibandingkan gas CH4, namun pada penelitian
ini gas H2 tidak dapat diukur oleh alat gas analyzer. Hasil penelitian Ginting
(2014) menunjukkan bahwa peningkatan suhu pirolisis TKKS meningkatkan konsentrasi gas H2 dengan rentang 0.5% - 21.46%. Diasumsikan fenomena ini
akan tetap terjadi sehingga jumlah energi yang dihasilkan akan semakin meningkat seiring dengan peningkatan suhu pirolisis. Pelepasan gas H2 sendiri
disebabkan oleh terurainya komponen selulosa dan lignin yang terjadi pada suhu yang lebih tinggi.Selulosa terurai pada suhu 315 °C - 400 °C dan lignin pada suhu 150 °C - 900 °C (Basu 2010).
Tabel 4.12 Karakteristik gas hasil pirolisis cangkang kelapa sawit
Suhu (°C) CO (%) CH4 (%) CO (g) CH4 (g) CO (kJ) CH4 (kJ)
300 2.86 0.95 3.85 1.28 38.94 71.11
400 14.15 2.84 24.62 4.94 248.64 274.92
500 18.42 1.47 39.41 3.15 398.07 175.15
600 16.60 0.89 36.07 1.93 364.26 107.36
Tabel 4.13 Karakteristik gas hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit
Suhu (°C) CO (%) CH4 (%) CO (g) CH4 (g) CO (kJ) CH4 (kJ)
300 3.81 0.65 2.17 0.37 21.93 20.56
400 4.15 0.29 3.59 0.25 36.27 14.04
500 6.10 0.65 8.14 0.87 82.19 48.55
600 15.74 0.76 17.98 0.87 181.61 48.12
Keseimbangan Energi Pirolisis Limbah Kelapa Sawit
Keseimbangan energi pirolisis limbah kelapa sawit ditunjukkan oleh Tabel 4.14 dan 4.15. Dapat dilihat bahwa rasio energi, yaitu perbandingan energi antara jumlah energi input dan proses dengan jumlah energi output, menunjukkan angka kurang dari 1 pada seluruh perlakuan suhu pirolisis dengan rentang antara 0.54 – 0.67 untuk pirolisis cangkang dan 0.30 – 0.66 untuk tandan kosong kelapa sawit. Semakin tinggi suhu perlakuan, rasio energi yang didapatkan semakin rendah yang disebabkan oleh peningkatan konsumsi listrik yang digunakan untuk proses pirolisis dan kalor yang hilang ke lingkungan dalam bentuk panas, gas yang terbuang akibat kebocoran alat, gas mampu bakar yang tidak terukur oleh alat gas analyzer serta sebagian komponen bio-oil yang tidak teridentifikasi pada analisis H-NMR.
24
300 °C lebih tinggi dibandingkan total kalor arang suhu perlakuan yang lain. Rasio energi arang pada suhu 300 °C paling optimal, mencapai 80% dari nilai kalor biomassanya yang memungkinkan arang hasil pirolisis untuk diproses lebih lanjut menjadi bahan bakar dalam proses gasifikasi atau proses lainnya. Pada pirolisis cangkang, hasil berupa bio-oil akan optimal pada suhu 600 °C sedangkan untuk hasil gas optimal pada suhu 500 °C. Sementara pada pirolisis TKKS hasil berupa bio-oil dan gas optimal pada suhu 600 °C.
Tabel 4.14 Rasio energi produk pirolisis cangkang kelapa sawit terhadap biomassa dan energi proses
Tabel 4.15 Rasio energi produk pirolisis tandan kosong kelapa sawit terhadap biomassa dan energi proses
25 dihasilkan kecuali pada pirolisis tandan kosong kelapa sawit pada suhu 600 °C yaitu dengan kisaran antara 25.64 – 29.60 kJ/g untuk cangkang kelapa sawit dan 24.50 – 27.86 kJ/g untuk tandan kosong kelapa sawit. Peningkatan suhu pirolisis menurunkan nilai kalor cairan hasil pirolisis cangkang kelapa sawit namun meningkatkan nilai kalor cairan hasil pirolisis tandan kosong kelapa sawit dengan rentang 33.90 – 37.84 kJ/g dan 30.94 – 40.86 kJ/g. Sementara itu pada pirolisis cangkang konsentrasi gas CO meningkat seiring peningkatan suhu dengan rentang 2.86% - 18.42% sementara konsentrasi gas CH4 mengalami peningkatan sampai
suhu 400 °C lalu menurun kembali pada suhu yang lebih tinggi dengan rentang 0.89% - 2.84%. Pada pirolisis TKKS peningkatan suhu meningkatkan konsentrasi gas CO dan CH4 pada rentang 3,81% - 15,74% dan 0,29% - 0,76%. Rasio energi
produk pirolisis dengan energi input dan proses pada pirolisis cangkang dan tandan kelapa sawit menurun seiring dengan peningkatan suhu dikarenakan penggunaan listrik yang semakin tinggi dengan rentang antara 0.54 – 0.67 untuk pirolisis cangkang dan 0.30 – 0.66 untuk tandan kosong kelapa sawit. Arang akan optimal dihasilkan pada suhu perlakuan 300 °C. Pada pirolisis cangkang, cairan akan optimal dihasilkan pada suhu 600 °C sedangkan gas optimal pada suhu 500 °C. Sementara pada pirolisis TKKS cairan dan gas optimal dihasilkan pada suhu 600 °C.
Saran
26
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah N, Gerhauser H. 2008. Bio oil derived from empty fruit bunch. Fuel 87.2606-2613.
Abnisa F, Daud WMAD, Husin WNW, Sahu JN. 2011. Utilization possibilities of palm shell as a source of biomass energy in Malaysia by producing bio-oil in pyrolysis process. Biomass and Bioenergy. 35:1863-1872.
Asadullah M, Rasid NSA, Kadir SASA, Azdarpour, A. 2013. Production and detailed characterization of bio-oil from fast pyrolysis of palm kernel shell. Biomass and Bioenergy. 59:316-324.
Basu P. 2010. Biomass gasification and pyrolysis practical design. Academic Presss Is An Imprint Of Elsevier.
Ginting AS. 2014. Karekterisasi gas-gas hasil pyrolisis tandan kosong kelapa sawit [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Huang YF, Chiueh PT, Kuan WH, Lo SL. 2013. Microwave pyrolysis of rice straw: Products, mechanism, and kinetics. Bioresource Technology. 142:620-624.
Idris SS, Rahman NA, Ismail K. 2012. Combustion characteristics of Malaysian oil palm biomass, sub-bituminous coal and their respective blends via thermogravimetric analysis (TGA). Bioresource Technology. 123:581–591. Klass DL. 1998. Biomass for Renewable Energy, Feuls and Chemicals. San Diego
(US): Academic Press An Imprint Of Elsevier.
Law KN, Daud WRW, Ghazali A. 2007. Morpological and Chemical Nature of Fiber Strands of Oil Palm Empty-Fruit-Bunch (OPEFB). Bio Resources 2:351-362. Lee Y, Park J, Ryu C, Gang KS, Yang W, Park YK, Jung J, Hyun S. 2013.
Comparison of biochar properties from biomass residues produced by slow pyrolysis at 500 °C. Bioresource Technology. 148:196–201.
Ly HV, Kim J, Kim SS. 2013. Pyrolysis characteristics and kinetics of palm fiber in a closed reactor. Renewable Energy. 54:91-95.
Ma AN, Yousof B. 2005. Biomass energy from palm oil industry in Malysia. Ingenieur. 27:18-25.
Misson M, Haron R, Kamaroddin MFA, Amin NAS. 2009. Pretreatment of empty palm fruit bunch for lignin degradation. Jurnal Teknologi. 2009:89-98.
Mohammed MAA, Salmiaton A, Wan A, Amran M. 2011.Gasification of oil palm fruit bunch : a characterization and kinetic study. Bioresource Technology. 110:628-636.
Omar R, Idris A, Yunus R, Khalid K, Aida I. 2011. Characterization of empty fruit bunch for micromave-assisted pyrolisis. Fuel. 90:1536-1544.
Park J, Lee Y, Ryu C, Park, YK. 2014. Slow pyrolysis of rice straw: Analysis of products properties, carbon and energy yields. Bioresource Technology. 155:63-70.
Razuan R, Chen Q, Zhang X, Sharifib V, Swithenbank J. 2010. Pyrolysis and combustion of oil palm stone and palm kernel cake in fixed-bed reactors. Bioresource Technology. 101:4622–4629.
27 Sukiran M. 2008. Pyrolysis of Empty oil palm fruit bunch using the quartz
fluidized-fixed bed reactor. Master Thesis, University of Malaya.
28
29 Lampiran 1 Profil suhu pirolisis cangkang kelapa sawit pada suhu 300 °C (a),
400 °C (b), 500 °C (c) dan 600 °C (d)
(a)
(b)
(c)
30
Lampiran 2 Profil suhu pirolisis TKKS pada suhu 300 °C (a), 400 °C (b), 500 °C (c) dan 600 °C (d)
(a)
(b)
(c)
31 Lampiran 3 Spektra NMR cairan hasil pirolisis cangkang kelapa sawit pada suhu
300 °C (a), 400 °C (b), 500 °C (c) dan 600 °C (d)
(a)
32
(c)
33 Lampiran 4 Spektra NMR cairan hasil pirolisis TKKS pada suhu 300 °C (a),
400 °C (b), 500 °C (c) dan 600 °C (d)
(a)
34
(c)
35
