PROPERTIES ALUMINIUM DARI SAMPAH PLASTIK DENGAN PROSES
PIROLISIS SEBAGAI BUILDING MATERIAL
Rinny Jelita1, Chairul Irawan2*, Iryanti Fatyasari Nata3
1,2,3Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Lambung Mangkurat Jl. A. Yani Km 34 Banjarbaru
*Email :chairawan_ftunlam@yahoo.com Abstrak
Pirolisis dapat digunakan untuk mengambil kembali aluminium pada sampah kemasan plastik sekaligus mengurangi permasalahan sampah plastik. Penelitian ini bertujuan untuk memisahkan logam aluminium pada sampah plastik yang terlapisi aluminium sehingga diketahui karakteristik aluminium yang didapatkan, mempelajari pengaruh suhu terhadap yield padatan dan aluminium serta mendapatkan parameter kinetika yang menggambarkan pengaruh suhu terhadap laju proses pirolisis. Sampah plastik dibersihkan, dijemur, dipotong dengan ukuran 4x4 cm dan ditimbang sebanyak 100 gram. Pirolisis berlangsung sejak suhu ruangan hingga 2 jam setelah suhu pirolisis tercapai, yaitu 450oC. Asap yang terbentuk dikondensasikan dan
ditimbang setiap 10 menit sejak tetesan pertama hingga waktu pirolisis selesai. Padatan yang tersisa dalam reaktor diambil setelah pirolisis selesai dan suhu reaktor mencapai suhu ruangan. Aluminium kotor selanjutnya dileburkan, dicetak dan didinginkan. Percobaan diulang untuk berbagai variasi suhu pirolisis (500oC, 550oC, 600oC, 650oC). Hasil penelitian menunjukkan
bahwa kenaikan suhu pirolisis akan menurunkan yield padatan, sedangkan yield aluminium tetap. Logam aluminium yang diperoleh sebesar 5,3% terhadap massa plastik awal dengan kemurnian 95,80%. Berdasarkan penelitian juga diketahui bahwa peningkatan suhu akan meningkatkan laju proses pirolisis. Model kinetika yang mewakili proses pirolisis plastik adalah model reaksi tunggal dengan nilai parameter kinetika pre-exponential factor (A) 18,2689 menit -1 dan nilai energi aktivasi (E) 40,2310 kJ/mol.
Kata kunci: aluminium, pirolisis, plastik, suhu
1. PENDAHULUAN
Peningkatan populasi dunia menuntut berbagai peningkatan kebutuhan termasuk kebutuhan pangan dan plastik sebagai kemasannya sehingga berimbas pula pada sampah yang ditimbulkan. Sebagai material yang dapat didaur ulang, sampah plastik dapat ditanggulangi dengan proses yang lebih ramah lingkungan untuk mengurangi dampak negatif dari proses penanggulangan limbah plastik konvensional. Salah satu alternatif proses tersebut adalah pirolisis. Pirolisis memungkinkan daur ulang plastik, termasuk kemasan plastik multilayer seperti plastik berlapis aluminium. Penelitian yang dilakukan bertujuan memisahkan logam aluminium pada sampah plastik yang terlapisi aluminium sehingga diketahui karakteristik aluminium yang didapatkan, mempelajari pengaruh suhu pirolisis terhadap yield padatan dan aluminium serta mendapatkan parameter kinetika yang menggambarkan pengaruh suhu terhadap laju proses pirolisis.
Kemasan plastik berlapis aluminium merupakan jenis kemasan yang paling banyak digunakan dalam pengemasan makanan ringan. Melalui pirolisis, aluminium pada kemasan plastik dapat diambil dan permasalahan sampah plastik dapat dikurangi. Logam aluminium banyak dimanfaatkan dalam berbagai bidang karena bersifat ringan tapi kuat, tidak bersifat magnet dan tidak beracun. Selain itu, aluminium juga bersifat tahan korosi, murah dan dapat didaur ulang. Logam aluminium hasil daur ulang yang dapat diambil sangat bermanfaat karena dapat diolah menjadi produk aluminium lain sehingga dapat membantu pemenuhan kebutuhan aluminium.
Salah satu kegunaan aluminium adalah sebagai building material, dimana aluminium tersebut harus berupa aluminium paduan untuk perbaikan sifat mekanis dan struktur mikro dari aluminium. Sebagai bahan konstruksi, aluminium biasa dipadukan dengan seng (Zn) karena memiliki kekuatan tertinggi di antara paduan aluminium lainnya. Dalam keadaan murni aluminium terlalu lunak, terutama kekuatannya sangat rendah untuk dapat dipergunakan pada berbagai keperluan teknik.
Sesuai dengan SNI 03-1583-1989, aluminium yang digunakan untuk atap dan dinding adalah aluminium lembaran bergelombang dengan karakteristik kekuatan dan kekerasan sedang (kekerasan bahan 30 skala brinnel), tahan korosi, dan ringan.
Pirolisis plastik dapat dilakukan pada suhu rendah (<400oC), sedang (400-600oC) atau suhu
tinggi (>600oC). Tekanan yang digunakan umumnya tekanan atmosfer. Dekomposisi termal polimer
menghasilkan gas, distilat dan char, dalam jumlah relatif bervariasi. Hasil pirolisis dapat digunakan sebagai bahan bakar, petrokimia, dan monomer. Proses pirolisis melibatkan pemutusan ikatan dan endotermik, sehingga pasokan panas menjadi sangat penting dan umumnya menentukan tingkat keberhasilan. Proses ini ditandai dengan pemanasan tidak langsung bahan melalui dinding tungku atau pipa (Buekens, 2006).
Salah satu faktor yang mempengaruhi proses pirolisis adalah temperatur. Pada 400-600oC,
dihasilkan minyak yang komposisi utamanya berupa nafta, minyak berat, gasolin, minyak diesel dan
kerosin. Peningkatan temperatur di atas 600oC akan meningkatkan produk gas dan hidrokarbon
ringan (C1-C4) dan menurunkan produk dengan jumlah karbon tinggi (C21-C30) (Xingzhong, 2006). Pada suhu pirolisis yang rendah akan menghasilkan produk yang didominasi oleh wax dan char berkarbon yang tertinggal dalam reaktor, walaupun ada juga produk cair (paraffin oil) dan juga gas. Komposisi cair produk pirolisis dapat ditingkatkan dan komposisi wax pun dapat dikurangi dengan meningkatkan suhu pirolisis (Achilias et al., 2007).
Produk cair akan meningkat seiring dengan peningkatan temperatur, namun akan menurun
setelah melewati temperatur tertentu dimana pada umumnya temperatur ±500oC merupakan
temperatur yang menghasilkan produk cair dengan jumlah maksimal. Parafin dan olefin adalah senyawa utama yang terdapat pada produk cair. Yield parafin menurun dengan peningkatan temperatur, sedangkan yield olefin akan meningkat dan berubah menjadi gas. Hal ini dikarenakan
pada temperatur di atas 550oC, akan terjadi secondary cracking pada senyawa dengan jumlah atom
C18. Pada temperatur rendah, akan terbentuk fraksi-fraksi berat dengan jumlah atom C35 (Marcilla et al., 2009).
Untuk mendapatkan parameter kinetika yang mempengaruhi laju proses pirolisis, digunakan beberapa model mekanisme reaksi pirolisis. Model I merupakan mekanisme reaksi kimia tunggal yang paling sederhana, yaitu single step method. Mekanisme reaksi tunggal dianggap dapat mewakili mekanisme pirolisis sesuai persamaan reaksi kimia pada umumnya dengan asumsi laju pembentukan minyak, padatan dan gas dari peruraian plastik adalah sama.
Plastik
Minyak + Padatan + Gas
Gambar 1. Mekanisme Reaksi Single-Step Mechanism
Pada penelitian ini akan dicoba model II yang merupakan mekanisme reaksi pirolisis lain yaitu
three-step mechanism. Asumsi yang digunakan adalah laju pembentukan minyak, padatan dan gas
berbeda-beda.
Minyak
Plastik Padatan
Gas
Gambar 2. Mekanisme Reaksi Three-Step Mechanism
Neraca Massa Plastik (p):
k1
k2
k3
1 2 3 p l s g
dm
k m
k m
k m
dt
(1)Neraca Massa Minyak (l): 1 l p
dm
k m
dt
(2)Neraca Massa Padatan (s): 2 s p
dm
k m
dt
(3)Neraca Massa Gas (g): g 3 p
dm
k m
dt
(4) dengan:mp : massa plastik (gram)
ml : massa minyak (gram)
ms : massa padatan (gram)
mg : massa gas (gram)
t : waktu (menit)
k : konstanta laju reaksi overall (menit-1)
k1 : konstanta laju reaksi pembentukan minyak (menit-1)
k2 : konstanta laju reaksi pembentukan padatan (menit-1)
k3 : konstanta laju reaksi pembentukan gas (menit-1)
2. METODE PENELITIAN 2.1 Bahan
Bahan yang digunakan adalah sampah kota berupa plastik kemasan makanan (snack) berlapis aluminium.
2.2 Alat
Alat yang digunakan antara lain stopwatch, gelas ukur, botol kaca, satu unit alat peleburan aluminium dan satu unit alat pirolisis sistem batch.
2.3 Prosedur Penelitian 2.3.1 Persiapan Bahan Baku
Sampah plastik berlapisi aluminium dicuci dan dibersihkan dari pengotor tanah. Kemudian sampah tersebut dijemur dan dipotong dengan ukuran seragam (4x4 cm) lalu ditimbang.
2.3.2 Pirolisis Plastik
Sampah plastik yang telah bersih dan berukuran kecil dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis sebanyak 100 gram. Proses pirolisis berlangsung sejak suhu kamar hingga 2 jam setelah suhu
tercapai, yaitu pada suhu 450oC. Asap yang terbentuk dari proses pirolisis dikondensasikan dan
pertama keluar hingga waktu pirolisis selesai. Padatan (aluminium dan karbon) yang tersisa di dalam reaktor diambil setelah proses pirolisis selesai dan suhu reaktor mencapai suhu ruangan untuk diolah
lebih lanjut. Percobaan diulang untuk variasi suhu 500oC, 550oC, 600oC, dan 650oC.
2.3.3 Foundry
Padatan hasil pirolisis di dalam reaktor diambil dan dipisahkan antara aluminium dengan karbon. Selanjutnya aluminium dileburkan, dicetak dan didinginkan. Aluminium kemudian dipotong menjadi beberapa spesimen untuk dianalisis.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Karakteristik Aluminium
Padatan hasil pirolisis plastik PE dan PE dengan coating aluminium terdiri dari aluminium dan karbon. Semakin tinggi suhu pirolisis, semakin sedikit karbon yang terdapat pada padatan. Aluminium hasil pirolisis berupa lembaran-lembaran tipis berwarna keperakan. Sebelum diolah, karbon dipisahkan dari aluminium secara fisik agar tidak terlalu banyak pengotor pada logam yang akan dibentuk. Padatan yang diperoleh dari pirolisis sebesar 26% terhadap massa plastik awal dan aluminium produk (aluminium costing) yang diperoleh sebesar 5,3%. Komposisi kimia sampah plastik sebagai bahan baku dan komposisi aluminium produk ditunjukkan Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi Kimia Plastik berlapis Aluminium dan Aluminium Produk No Parameter Hasil (%)
Bahan Baku Produk
1 Al 77,57 95,80
2 Fe 2,38 0,719
3 Si 1,61 1,90
4 Cu 0,2 0,159
5 Lain-lain 18,24 1,722
Peningkatan kandungan aluminium pada produk yang ditunjukkan Tabel 5.1 dikarenakan unsur-unsur lain dalam bahan baku plastik telah terpisah menjadi produk lainnya, yaitu minyak, padatan (karbon) dan gas. Komposisi kimia (kemurnian) aluminium sebesar 95,80% menunjukkan bahwa aluminium diklasifikasikan sebagai aluminium paduan (alloy), yaitu Al-Si. Aluminium alloy memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibandingan aluminium dengan kemurnian >99% karena adanya unsur-unsur lain seperti Si dan Cu yang dapat meningkatkan sifat mekanik aluminium tersebut. Aluminium yang dihasilkan berupa aluminium ingot yang dapat diolah menjadi berbagai produk.
Dari hasil pengujian sifat mekaniknya, produk aluminium memiliki nilai kekerasan yang termasuk dalam kategori sedang (<70 HB). Dengan nilai kekerasan tersebut, aluminium dapat digunakan pada berbagai keperluan teknik termasuk sebagai building material. Struktur mikro dari produk aluminium pada Gambar 3 menunjukkan adanya unsur-unsur selain aluminium pada logam tersebut.
Gambar 3. Struktur Mikro Produk Aluminium 3.2 Pengaruh Suhu terhadap Produk Padatan
Padatan merupakan residu plastik yang tertinggal dalam reaktor yang dapat diamati setelah selesainya proses pirolisis. Selama pirolisis berlangsung, plastik terurai menjadi produk minyak dan gas meninggalkan produk padatan dimana terdapat aluminium di dalamnya. Yield padatan dan aluminium pada berbagai suhu ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Hubungan Yield Padatan dan Aluminium terhadap Suhu
Padatan hasil pirolisis pada penelitian ini terdiri dari aluminium dan karbon, kecuali padatan
hasil pirolisis pada suhu 450oC dimana masih terdapat minyak yang membeku berbentuk lilin.
Adanya lilin mengindikasikan bahwa suhu 450oC masih belum cukup untuk menghasilkan produk
pirolisis yang maksimal. Pada suhu ini, hanya sedikit minyak yang dapat menguap sehingga masih banyak yang terjebak dalam reaktor. Dari Gambar 4 dapat diketahui bahwa semakin tinggi suhu,
yield padatan akan semakin menurun, dengan yield aluminium yang cenderung konstan.
Menurunnya produk padatan seiring dengan peningkatan suhu dikarenakan lebih banyak produk pirolisis yang menjadi gas akibat lebih banyak pembentukan molekul kecil pada suhu yang
lebih tinggi. Hal ini sesuai dengan pernyataan Klass (1998) yang menyatakan bahwa suhu
berpengaruh terhadap proses pirolisis karena dengan bertambahnya suhu maka proses penguraian akan semakin sempurna. Menurut Scheirs (2006), pirolisis pada suhu maksimum yang rendah akan memaksimalkan hasil dari padatan (char). Marco et al. (2007) menunjukkan hasil padatan menurun seiring peningkatan suhu pirolisis. Korkmaz et al. (2009) dan Undri et al. (2014) juga menunjukkan bahwa jumlah padatan akan menurun seiring peningkatan suhu dengan jumlah aluminium tetap.
Aluminium merupakan salah satu produk pirolisis dan tidak memberikan pengaruh pada proses degradasi termal plastik. Pada pirolisis plastik berlapis aluminium, padatan yang terbentuk adalah aluminium dan sisa-sisa plastik berupa karbon (char). Dengan jumlah aluminium yang tetap, maka berkurangnya jumlah padatan seiring dengan kenaikan suhu pirolisis dapat diartikan dengan berkurangnya jumlah karbon pada yield padatan. Berkurangnya jumlah karbon terjadi karena pada
suhu yang tinggi, produk pirolisis berupa gas dan minyak akan semakin banyak terbentuk.Jumlah
karbon yang semakin sedikit pada yield padatan menandakan jumlah pengotor pada aluminium yang juga semakin sedikit. Aluminium dengan sedikit pengotor akan memberikan kualitas aluminium yang lebih baik. Keberadaan pengotor pada logam aluminium akan mempengaruhi struktur mikro dan beberapa sifat mekanik dari aluminium yang dapat menurunkan kualitas dari aluminium itu sendiri.
3.3. Pengaruh Suhu terhadap Laju Proses Pirolisis
Untuk mempelajari pengaruh suhu terhadap kinetika reaksi pirolisis digunakan dua model kinetika. Model I merupakan mekanisme reaksi tunggal dimana plastik akan terdekomposisi menjadi 3 produk yaitu minyak, padatan dan gas dengan laju reaksi yang sama (Gambar 1). Sedangkan pada
0 0,2 0,4 0,6 0,8 400 500 600 700 Yi e ld (m assa p rod u k/ m as sa p las ti k) Suhu (oC) padatan aluminium
model II, plastik akan terdekomposisi menjadi minyak, padatan dengan laju reaksi yang berbeda (Gambar 2).
Referensi data acuan adalah data primer yang diperoleh dari percobaan laboratorium. Data tersebut adalah massa cairan (minyak) yang diambil secara berkala selama proses pirolisis berlangsung. Gambar 5 menunjukkan hubungan massa minyak yang diperoleh dari data laboratorium pada berbagai waktu dibandingkan dengan massa minyak hasil perhitungan (simulasi) pada model I dan II.
(a) 450oC (b) 500oC
(c) 550oC (d) 600oC
(e) 650oC
Gambar 5. Hubungan Massa Minyak Data Percobaan dan Simulasi Model I dan Model II terhadap Waktu 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 M assa m in yak (gr am ) Waktu (menit) data model I model II 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 M assa m in yak (gr am ) Waktu (menit) data model I model II 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 M assa m in yak (gr am ) Waktu (menit) data model I model II 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 M assa m in yak (gr am ) Waktu (menit) data model I model II 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 M assa m in yak (gr am ) Waktu (menit) data model I model II
Dari Gambar 5 dapat terlihat bahwa data simulasi hampir mendekati data percobaan, baik pada model I maupun model II. Namun model I memiliki trend yang paling dekat dengan data percobaan sehingga dapat disimpulkan bahwa model I mewakili mekanisme reaksi pirolisis plastik berlapis aluminium. Berdasarkan model I diketahui bahwa plastik terdekomposisi langsung menjadi minyak, padatan dan gas secara bersamaan dengan laju reaksi yang sama.
Berdasarkan model I dan tinjauan terhadap mekanisme mekanisme thermal cracking dari plastik, dapat dikatakan bahwa pemotongan plastik telah membentuk ketiga produk tersebut secara bersamaan dikarenakan pemotongan rantai yang acak. Dengan kata lain, plastik terkonversi langsung menjadi fraksi cair, padatan dan gas tanpa melewati fase intermediet sehingga pembentukan gas tidak melalui pemotongan rantai pada fraksi cair. Pada awal pemotongan molekul plastik di dalam reaktor telah terbentuk fraksi-fraksi gas (C1-C4), cair (C5-C24) dan juga fraksi padat. Fraksi cair akan menguap dan terkondensasi tanpa terjadi pemotongan rantai kembali.
Dari model kinetika I, dapat diperoleh nilai konstanta laju reaksi (k) yang diasumsikan sama untuk setiap pembentukan produk pirolisis yaitu minyak, padatan dan gas namun nilainya berbeda pada tiap suhunya. Selanjutnya hubungan konstanta laju reaksi dengan suhu tersebut ditunjukkan Gambar 6.
Gambar 6. Hubungan Konstanta Laju Reaksi terhadap Suhu
Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu maka semakin besar nilai konstanta laju reaksi (k). Konstanta laju reaksi dalam penelitian ini adalah konstanta laju reaksi overall yang diperoleh dari evaluasi model matematis mekanisme reaksi pirolisis. Kecepatan reaksi overall merupakan fungsi dari berbagai parameter yang berbanding lurus dengan suhu sehingga nilai k meningkat seiring peningkatan suhu.
Konstanta laju reaksi diasumsikan mengikuti Persamaan Arhenius, yaitu:
.
E RT
k
A e
(5)Parameter kinetika yang terlibat (pre-exponential factor dan energi aktivasi) dicari dengan
melinierkan persamaan 5dan diperoleh nilai parameter pre-exponential factor (A) sebesar 18,2689
menit-1 dan nilai energi aktivasi (E) sebesar 40,2310 kJ/mol.Parameter kinetika yang didapatkan
selanjutnya digunakan untuk menghitung massa minyak hasil simulasi sebagai perbandingan dengan data minyak hasil percobaan yang ditunjukkan Gambar 7.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 400 500 600 700 k (m e n it -1) Suhu (oC)
Gambar 7. Hubungan Yield Minyak Data dan Model terhadap Waktu pada berbagai Suhu Data hasil perhitungan yang ditunjukkan Gambar 7 menunjukkan trend yang mendekati data laboratorium sehingga dapat dikatakan bahwa model kinetika mekanisme reaksi tunggal dianggap mampu menggambarkan mekanisme reaksi pirolisis plastik berlapis aluminium untuk keadaan proses dan alat yang digunakan dalam percobaan.
KESIMPULAN
1. Logam aluminium yang diperoleh sebesar 5,3% terhadap massa plastik dengan komposisi kimia aluminium produk 95,80% dan kekerasan <70 HB. Aluminium yang dihasilkan merupakan aluminium paduan Al-Si yang dapat digunakan sebagai bahan baku building material dengan pengolahan lebih lanjut.
2. Kenaikan suhu pirolisis akan menurunkan yield padatan dengan yield aluminium cenderung konstan.
3. Kenaikan suhu pirolisis akan meningkatkan laju proses pirolisis yang ditandai dengan meningkatnya nilai konstanta laju reaksi. Hubungan antara konstanta laju reaksi dengan suhu mengikuti persamaan:
4839
18, 2689 exp
k
T
dengan T dalam Kelvin.DAFTAR PUSTAKA
Achilias, D.S., Roupakias, C., Megalokonomos, P., Lappas, A.A., and Antonakou, E.V., 2007, Chemical Recycling of Plastic Wastes made from Polyethylene (LDPE and HDPE) and Polypropylene (PP), Journal of Hazardous Materials, Vol. 149 pp. 536-542.
Buekens, A., 2006, Introduction to Feedstock Recycling of Plastics, John Wiley & Sons Ltd, UK. Klass, D.L., 1998., Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals, Academic Press, San
Diego California.
Korkmaz, A., Yanik, J., Brebu, M., and Vasile, C., 2009, Pyrolysis of Tetra Pak, Journal of Waste
Management, Vol. 29 pp. 2836-2841.
Marcilla, A., Beltran, M.I., and Navarro, R., 2009, Evolution of Products During the Dedradation of Polyethylene in a Batch Reactor, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Vol. 86 pp. 14-21.
Marco, I., Caballero, B.M., Cabrero, M.A., Laresgoiti, M.F., Torres, A., and Chomon, M.J., 2007, Recycling of Automobile Shredder Residues by Means of Pyrolysis, Journal of Analytical
and Applied Pyrolysis, Vol. 79 pp. 403-408.
Scheirs, J., 2006, Overview of Commercial Pyrolysis Processes for Waste Plastics, John Wiley & Sons Ltd, UK. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 Yi e ld M in yak (% ) Waktu (menit) 450_data 500_data 550_data 600_data 650_data 450_hit 500_hit 550_hit 600_hit 650_hit
Undri, A., Rosi, L., Frediani, M., and Frediani, P., 2014, Fuel From Microwave Assisted Pyrolysis of Waste Multilayer Packaging Beverage, Journal of Fuel, Vol. 133 pp. 7-16.
Xingzhong, Y., 2006, Converting Waste Plastics into Liquid Fuel by Pyrolysis: Developments in
