PENGARUH SUHU DAN WAKTU PIROLISIS TERHADAP KARAKTERISTIK ARANG DARI TEMPURUNG KELAPA
SKRIPSI
OLEH:
HANS MARTUA PARDEDE 160405055
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
FEBRUARI 2022
PENGARUH SUHU DAN WAKTU PIROLISIS TERHADAP KARAKTERISTIK ARANG DARI
TEMPURUNG KELAPA
SKRIPSI
OLEH:
HANS MARTUA PARDEDE 160405055
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
FEBRUARI 2022
i
ii
iii
iv
PRAKATA
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas kasih dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Skripsi dengan judul
“PENGARUH SUHU DAN WAKTU PIROLISIS TERHADAP
KARAKTERISTIK ARANG DARI TEMPURUNG KELAPA”. Skripsi ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik.
Selama penulisan proposal ini, penulis telah mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada pihak- pihak yang dimaksud, yaitu:
1. Ibu Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, M.T. selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan selama melakukan penelitian dan selama penyusunan Skripsi.
2. Ibu Prof. Ir. Seri Maulina, M.Si, Ph.D, selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan dalam penyusunan Skripsi ini.
3. Ibu Dr. Ir. Iriany, M.Si. selaku Dosen Penguji yang telah memberikan saran dan masukan dalam penyusunan Skripsi ini.
4. Bapak Dr. Ir. Bambang Trisakti, M.Si. selaku Koordinator Penelitian Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Ibu Ir. Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D., IPM selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
6. Dosen dan Staf Teknik Kimia USU yang telah membantu penulis selama perkuliahan.
7. Orang tua yang telah mendoakan, membantu dan mendukung penulis untuk menyelesaikan Skripsi ini.
8. Teman-teman dekat penulis, Hevanders Silaban, Kevin Togi Panggabean, Peter Hans Karo-Karo, Elsa Mei Pasaribu dan Kristin Kartini Sitanggang yang telah memberikan dukungan bagi penulis.
9. Teman SMA Methodist-8 Medan sampai dengan kuliah dijurusan yang sama, Gabriella Janed Johana Sijabat yang telah memberikan dukungan bagi penulis.
10. Partner IDTK 2 sekaligus teman diskusi Ruth Ria Rista Nababan yang telah memberikan dukungan bagi Penulis.
v
11. Teman diskusi akademik Daniel Micael Fransiskus Bonnke Siregar yang telah memberikan dukungan serta masukan bagi penulis.
12. Teman-teman Teknik Kimia 2016 yang membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini.
13. Departemen Diakonia Gereja Bethel Indonesia Medan Plaza atas bantuan dan dukungan perkuliahan yang telah diberikan.
14. Yayasan Karya Salemba Empat dan Donatur PT. Inalum (Persero) atas bantuan perkuliahan, dukungan dan pelatihan yang telah diberikan.
15. Abangda Joseph O.A. Tambun, Rivaldi Sidabutar dan Arya Saka Wicaksono yang telah memberikan dukungan, semangat dan saran bagi penulis.
16. Terakhir, untuk diri saya sendiri, terimakasih sudah mau berjuang menyelesaikan skripsi ini, terimakasih karena mampu melalui proses dan progress perkuliahan dan tetap semangat menjalani kehidupan.
Penulis menyadari bahwa Skripsi ini masih memiliki kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan adanya kritik dan saran dari pembaca. Semoga Skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Medan, 2022
Hans Martua Pardede
vi
DEDIKASI
Skripsi ini saya persembahkan untuk:
Kedua orangtua tercinta
Among Anggiat Pardede dan Inong Ellen Agustina br Tanjung
Mereka adalah orang tua Hebat yang sudah membesarkan, mengajar, mendidik, mendukung, memotivasi dan mendoakan Hans. Terimakasih atas pengorbanan Among
sama Inong yang sudah memperjuangkan Hans.
Opung tercinta
Terimakasih untuk Opung yang Hans sayangi dan cintai Rosintan Hutagalung, atas dukungan, doa dan nasihat yang telah diberikan kepada Hans sehingga dapat
menyelesaikan skripsi ini.
Adik tercinta
Terimakasih kepada adik saya yang saya sayangi, cintai dan banggakan Natalia Saurma br. Pardede atas dukungan dan doa yang telah diberikan.
Saudari tercinta
Walaupun belum sempat melihat saya dibangku perkuliahan namun tetap saya sampaikan terimakasih sudah menjadi saudara saya, almarhumah Jenni Sarah br
Sinaga.
Segenap Keluarga Besar
Terimakasih juga Untuk segenap keluarga saya Namboru Margareth, Namboru Laguboti, Amangboru Hutajulu, seluruh Lae saya, seluruh Kakak saya (boru Namboru
Margareth dan boru Namboru-Amangboru Hutajulu) dan abang-kakak saya (anak Bapa Tua saya) atas dukungan dan doa yang diberikan kepada saya dalam
menyelesaikan Skripsi ini
Kiranya Tuhan Yesus Kristus berkenan memberikan berkat, kasih karunia dan damai sejahtera-Nya kepada mereka semua.
vii
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama : Hans Martua Pardede
NIM : 160405055
Tempat/Tgl lahir : Medan, 26 November 1998 Nama Orang Tua : Anggiat Pardede & Ellen Agustina Alamat Orang Tua : Jl. Ir. Juanda No.91 Medan, Kel. Hamdan,
MedanMaimun Riwayat Pendidikan:
SD Swasta St. Antonius V Medan (2004-2010)
SMP Swasta Katolik Tri Sakti-1 Medan (2010-2013)
SMA Swasta Methodist-8 Medan (2013-2016) Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Anggota Pemerintahan Mahasiswa Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (PEMA- FT USU) 2017-2018
2. Ketua Panitia Kuliah Umum “Thermoelectric Power Generation” 2018 3. Anggota Paguyuban Karya Salemba Empat Divisi Entrepreneurship 2019-2020 4. Wakil Ketua Try Out and Sharing Scholarship (TOSS) 2020
5. Kerja Praktek di PT.Perkebunan Nusantara II, Kebun Kwala Sawit, Kecamatan Batang Serangan Kabupaten Langkat Sumatera Utara: 14 Oktober 2020-11 Desember 2020
viii ABSTRAK
Tempurung kelapa merupakan salah satu limbah dari pengolahan buah kelapa. Umumnya dibuang setelah dipisahkan dari dagingnya. Dengan meningkatnya produksi buah kelapa, maka tempurung yang dihasilkan semakin meningkat, padahal tempurung kelapa ini memiliki kandungan lignin sebesar 33,30% sehingga memiliki potensi untuk dikonversi menjadi arang melalui proses pirolisis. Pirolisis adalah proses dekomposisi termal yang terjadi tanpa udara atau dengan sedikit udara untuk mengubah biomassa menjadi tiga fraksi produk yang berbeda: residu padat (arang), uap yang terkondensasi menghasilkan fraksi produk cair (bio-oil) dan produk gas dari uap yang tidak terkondensasi. Arang tempurung kelapa dapat dimanfaatkan untuk co-firing batubara dalam mengembangkan energi baru terbarukan. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan suhu dan waktu pirolisis terbaik dalam pembuatan arang tempurung kelapa berkalori tinggi yang sesuai dengan SNI 06-4369-1996. Adapun penelitian ini dilakukan dengan memecahkan tempurung kelapa lalu dipirolisis didalam reaktor pirolisis pada suhu 350 °C, 450 °C dan 550 °C serta waktu pirolisis 2, 3 dan 4 jam. Dari hasil percobaan yang dilakukan diperoleh arang dengan nilai kalori tertinggi yaitu 7.750,96 kal/gr, dengan yield kadar air, kadar abu dan kadar zat terbang masing-masing 30,10 % 2,75 %; 2,70 %; dan 9,50 % yang didapat pada suhu 450 °C dan waktu pirolisis 3 jam.
Kata kunci : arang, biomassa, lignin, pirolisis, tempurung kelapa
ix ABSTRACT
Coconut shell is one of the wastes from processing coconuts. Generally this is discarded after being separated from the flesh of the fruit. With the increase in coconut production, the shell produced is increasing, even though this coconut shell has a lignin content of 33.30% so it has the potential to be converted into charcoal through the pyrolysis process.
Pyrolysis is a thermal decomposition process that occurs without air or with little air to convert biomass into three different product fractions: solid residue (bio-char), condensable gaseous to produce liquid product fraction (bio-oil) and gaseous product from non-condensable gaseous. Coconut shell charcoal can be used for coal co-firing in developing new renewable energy. This study aims to obtain the best pyrolysis temperature and time in the manufacture of high-calorie coconut shell charcoal in accordance with SNI 06-4369-1996. This research was carried out by breaking the coconut shell and then pyrolysis in a pyrolysis reactor at temperatures of 350 °C, 450 °C and 550 °C and pyrolysis times of 2, 3 and 4 hours. From the results of the experiments carried out, it was found that charcoal with the highest calorific value was 7750.96 cal/gr, with the yield of water content, ash content and volatile matter content respectively 30.10% 2.75%; 2.70%; and 9.50 % obtained at a temperature of 450 °C and a pyrolysis time of 3 hours.
Keywords: charcoal, biomass, lignin, pyrolysis, coconut shell
x
DAFTAR ISI
Halaman
PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i
PENGESAHAN SKRIPSI ii
LEMBAR PERSETUJUAN iii
PRAKATA iv
DEDIKASI vi
RIWAYAT HIDUP PENULIS vii
ABSTRAK viii
ABSTRACT ix
DAFTAR ISI x
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR TABEL xiv
DAFTAR LAMPIRAN xv
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 LATAR BELAKANG 1
1.2 RUMUSAN MASALAH 6
1.3 TUJUAN PENELITIAN 6
1.4 MANFAAT PENELITIAN 6
1.5 RUANG LINGKUP PERCOBAAN 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 8
2.1 TANAMAN KELAPA 8
2.2 BIOMASSA 9
2.3 TEMPURUNG KELAPA 9
2.4 PIROLISIS 10
2.4.1 Jenis-jenis Pirolisis 12
2.4.1.1 Slow Pirolisis (Pirolisis lambat) 12 2.4.1.2 Intermediate Pirolisis (Pirolisis Menengah) 12 2.4.1.3 Fast Pirolisis (Pirolisis Cepat) 12 2.5 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PIROLISIS 13
2.5.1 Kadar Air 13
xi
2.5.2 Komposisi Bahan 13
2.5.3 Laju Pemanasan 14
2.5.4 Ukuran Partikel 14
2.5.5 Waktu tinggal 14
2.5.6 Suhu 15
2.6 ARANG 15
2.7 CO-FIRING BIOMASSA-BATUBARA 16
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 18
3.1 LOKASI PENELITIAN 18
3.2 BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN 18
3.2.1 Bahan Penelitian 18
3.2.2 Peralatan Penelitian 18
3.3 RANCANGAN PERCOBAAN PENELITIAN 19
3.4 TAHAP PENELITIAN 19
3.5 PROSEDUR PENELITIAN 20
3.6 FLOWCHART PENELITIAN 21
3.7 PROSEDUR ANALISIS 22
3.7.1 Analisis Yield Arang 22
3.7.2 Analisis Kadar Air 22
3.7.3 Analisis Kadar Abu 22
3.7.4 Analisis Volatille Matter 23
3.7.5 Analisis Nilai Kalor 23
3.8 FLOWCHART ANALISIS 24
3.8.1 Flowchart Analisis Kadar Air 24
3.8.2 Flowchart Analisis Kadar Abu 25
3.8.3 Flowchart Analisis Volatille Matter 26
3.8.4 Flowchart Analisis Nilai Kalor 27
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 28
4.1 Yield Arang pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis 29 4.2 Karakteristik Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu
dan Waktu Pirolisis 30
4.2.1 Karakteristik Kadar Air Arang pada variasi Suhu
xii
dan Waktu Pirolisis 30
4.2.2 Karakteristik Kadar Abu pada variasi Suhu dan
Waktu Pirolisis 31
4.2.3 Karakteristik Kadar Zat Terbang (Volatille matter)
pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis 32 4.2.4 Karakteristik Nilai Kalori Arang pada variasi Waktu
Pengaruh Waktu Pirolisis 34
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 36
5.1 Kesimpulan 36
5.2 Saran 37
DAFTAR PUSTAKA 38
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Tempurung Kelapa 10
Gambar 2.2 Dekomposisi Molekul Hidrokarbon menjadi Molekul Kecil 11
Gambar 2.3 Reaksi Pirolisis 12
Gambar 3.1 Unit Rangkaian Peralatan Proses Pirolisis 19
Gambar 3.2 Flowchart Pirolisis Tempurung Kelapa 21
Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Analisis Kadar Air Arang 24
Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisis Kadar Abu 25
Gambar 3.5 Flowchart Prosedur Analisis Volatille Matter 26
Gambar 3.6 Flowchart Analisis Nilai Kalor Arang 27
Gambar 4.1 Yield Arang pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis 29 Gambar 4.2 Kadar Air Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan
Waktu Pirolisis 30
Gambar 4.3 Kadar Abu Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan
Waktu Pirolisis 31
Gambar 4.4 Kadar Zat Terbang Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu
dan Waktu Pirolisis 32
Gambar 4.5 Nilai Kalori Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan
Waktu Pirolisis 34
Gambar C.1 Alat Pirolisis LC-1
Gambar C.2 Sampel Tempurung Kelapa sebelum Pirolisis LC-1 Gambar C.3 Sampel Tempurung Kelapa setelah Pirolisis LC-2
Gambar D.1 Hasil Analisis Nilai Kalori Arang LD-1
xiv
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1.1 Penelitian Sebelumnya Tentang Pirolisis Biomassa 3
Tabel 1.2 Variabel Tetap 7
Tabel 1.3 Variabel Bebas 7
Tabel 2.1 Data Perkembangan Luas Area Perkebunan Kelapa dan Total
Produksi Buah Kelapa di Sumatera Utara tahun 2015-2019 8
Tabel 2.2 Standar Arang Tempurung Kelapa 16
Tabel 2.3 Kriteria Batubara yang digunakan dalam PLTU 17
Tabel 3.1 Rancangan Percobaan Renelitian 19
Tabel 4.1 Hasil Karakteristik Arang Tempurung Kelapa pada Berbagai
Kondisi Operasi 28
Tabel 4.2 Standar Arang Tempurung Kelapa 28
Tabel 4.3 Kriteria Batubara yang digunakan dalam PLTU 40
Tabel LA.1 Data Hasil Analisis Yield Arang LA-1
Tabel LA.2 Data Analisis Kadar Air Arang LA-1
Tabel LA.3 Data Analisis Kadar Abu Arang LA-2
Tabel LA.4 Data Analisis Kadar Zat Terbang Arang (Volatile matter) LA-2
Tabel LA.5 Data Analisis Nilai Kalori Arang LA-3
xv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
LAMPIRAN A DATA HASIL PENELITIAN LA-1
LA.1 Data Hasil Analisis Yield Arang LA-1
LA.2 Data Hasil Analisis Kadar Air Arang LA-1
LA.3 Data Analisis Kadar Abu Arang LA-2
LA.4 Analisis Kadar Zat Terbang Arang (Volatille matter) LA-2
LA.5 Analisis Nilai Kalori Arang LA-3
LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN LB-1
LB.1 Contoh Perhitungan Yield Arang LB-1
LB.2 Contoh Perhitungan Kadar Air Arang LB-1
LB.3 Contoh Perhitungan Kadar Abu Arang LB-1
LB.4 Contoh Perhitungan Kadar Zat Terbang (Volatille matter) LB-2
LAMPIRAN C FOTO DOKUMENTASI PENELITIAN LC-1
LC.1 Foto Alat Percobaan LC-1
LC.2 Foto Sampel Pirolisis LC-1
LAMPIRAN D HASIL PENGUJIAN NILAI KALORI LD-1
LD.1 Hasil Analisis Nilai Kalori Arang LD-1
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Saat ini pasokan energi nasional masih didasarkan pada bahan bakar fosil, yaitu minyak bumi, gas dan batubara. Batubara yang merupakan salah satu energi fosil banyak dipakai menjadi sumber energi listrik pada beberapa sektor industri dan pembangunan. Perkembangan kebutuhan akan batubara semakin meningkat sesuai dengan perkembangan pembangunan Indonesia. Di bidang industri batubara digunakan sebagai sumber energi terutama sebagai bahan bakar pembangkit listrik.
P
enggunaan batubara sebagai pembangkit energi memiliki suatu kendala, yaitu dihasilkannya emisi gas rumah kaca (GRK) sebagai penyebab utama pemanasan global yang sedang marak diperdebatkan (Suganal dan Hudaya, 2019). Disisi lain karena batubara adalah energi fosil yang tidak bisa diperbaharui maka kekhawatiran akan pasokan ini diperkirakan tidak akan bertahan lebih lama (Khademi dan Yildiz, 2018).Untuk mengatasi masalah tersebut maka pemerintah Indonesia mengeluarkan Peraturan Presiden Republik Indonesia No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional untuk mengembangkan sumber-sumber energi alternatif (terbarukan). Ini menetapkan target untuk campuran energi optimal pada tahun 2025, dimana energi terbarukan berkontribusi lebih dari 15% dari total campuran energi nasional. Dengan demikian, energi biomassa diharapkan dapat memberikan kontribusi sekitar 5–10%
dari total campuran energi pada tahun 2025.
Energi yang terbarukan adalah energi yang sumbernya tersedia di alam dalam jumlah besar karena merupakan bagian dari proses alam atau sumbernya dapat diproduksi dalam waktu yang relatif singkat. Secara umum, energi terbarukan adalah sumber daya non fosil yang dapat diperbaharui dan jika dikelola dengan baik maka sumber dayanya tidak akan habis. Energi terbarukan merupakan cara terbaik untuk mengatasi pemanasan global dan perubahan iklim. Penggunaan energi terbarukan akan mengurangi penggunaan bahan bakar fosil yang berarti mengurangi emisi karbondioksida dan memberikan dampak perubahan iklim yang lebih rendah (Sudarlin, 2019). Salah satu energi alternatif yang bisa dilakukan adalah dengan
2
menggunakan energi biomassa. Energi biomassa adalah sumber energi yang berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbarui sehingga memungkinkan digunakan sebagai bahan bakar alternatif. Biomassa dapat diperoleh dari limbah pertanian, industri dan rumah tangga, termasuk tempurung kelapa yang berlimpah di tempat pengolahan kelapa (Sudding dan Jamaluddin, 2016).
Biomassa adalah karbon netral dan merupakan sumber energi utama keempat setelah minyak bumi, batubara, dan gas alam. Biomassa menghasilkan sekitar 14%
dari permintaan energi global. Konferensi Perserikatan Bangsa-Bangsa tentang Lingkungan dan Pembangunan (UNCED) melakukan analisis pada permintaan energi masa depan dimana ini diproyeksikan untuk memenuhi 50% pada tahun 2050 (Devi, et al., 2020). Untuk biomassa secara umum lebih dikenal sebagai bahan kering material organik atau bahan yang tersisa setelah suatu tanaman atau material organik dihilangkan kadar airnya. Biomassa sangat mudah ditemukan dari aktivitas pertanian, peternakan, kehutanan, perkebunan, perikanan dan limbah-limbah lainnya (Siwi, dkk., 2017).
Sebagai negara tropis Indonesia memiliki potensi tinggi produksi kelapa.
Tanaman kelapa tersebar luas baik di pekarangan ataupun perkebunan hampir di seluruh wilayah Indonesia. Indonesia memiliki perkebunan kelapa seluas 3.417.951 hektar (Direktorat Jenderal Perkebunan, 2019). Dengan Produksi kelapa Rata-rata yaitu 3 juta ton per tahun dan limbah tempurung kelapa yang dihasilkan sekitar 360 ribu ton per tahun (Irawan, 2017) membuat Indonesia memiliki potensi mengembangkan energi alternatif biomassa dari limbah tempurung kelapa.
Salah satu konversi biomassa menjadi energi adalah dengan cara pirolisis.
Pirolisis adalah proses dekomposisi termal yang terjadi tanpa adanya oksigen untuk mengubah biomassa menjadi tiga fraksi produk yang berbeda: residu padat (arang), uap yang terkondensasi menghasilkan fraksi produk cair (bio-oil) dan produk gas dari uap yang tidak terkondensasi. Pirolisis adalah teknik yang paling menjanjikan untuk mengubah biomassa menjadi arang (Daful dan Chandraratne, 2018). Arang dapat digunakan lebih lanjut dalam proses pembakaran bersamaan dengan batubara (Cofiring) pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) untuk menghasilkan energi listrik. Cofiring batubara-biomassa juga menjadi salah satu cara untuk mengurangi emisi gas rumah kaca.
3
Adapun penelitian terdahulu mengenai pirolisis biomassa yaitu:
Tabel 1.1 Penelitian Sebelumnya Tentang Pirolisis Biomassa No Peneliti Judul Kondisi Operasi Hasil penelitian 1. Shi-Xiang
Zhao, Na Ta and Xu-Dong Wang (2017)
Pengaruh Temperatur terhadap Sifat Struktural dan Fisikokimia Arang dengan Cabang Pohon Apel sebagai Bahan Baku
Waktu tetap (2 jam 10 menit)
Suhu (300, 400, 500, 600)
Seiring naiknya suhu, hasil arang menurun tajam dari 47,94% menjadi 28,48%.
2. Rahul Garg, Neeru Anand, Dinesh Kumar (2016)
Pirolisis biji Akasia (Acacia nilotica) dalam reaktor unggun
tetap dan
karakterisasi bio- oil
Sampel: Biji Akasia
Suhu: 400, 500, 600, dan 700) °C
Ukuran Partikel:
0,4 mm; 0,4-0,6 mm; 0,6-0,8 mm; and 0,8-1,0 mm
Laju N2 : 100- 400 cm3/ min
seiring naiknya suhu hasil char menurun dari 21% menjadi
12% karena
penguraian bahan arang pada suhu yang lebih tinggi.
Sementara Bio-oil tertinggi didapat pada suhu 500 °C yaitu sebesar 38,7%.
3. Zhengang Liu dan Guanghua Han (2015)
Produksi arang bahan bakar padat dari limbah biomassa dengan pirolisis suhu rendah.
Sampel: Kayu Pinus dan Serat kelapa
Suhu 200-330
°C
Waktu: 20 menit
Laju panas 15°C/menit
Pada sampel kayu pinus diperoleh yield tertinggi 91 % dengan suhu 200
°C nilai kalor rendah yaitu sebesar 20,74 MJ/kg, jumlah karbon tetap yaitu sebesar 18,62% dan kadar abu sebesar 0,95% serta volatile matter sebesar 80,43%.
Pada sampel Serat Kelapa diperoleh yield tertinggi sebesar 83,11% dengan suhu 200°C, dengan nilai kalor sebesar 19,93 MJ/kg,
4
jumlah karbon tetap sebesar 15,04% dan kadar abu 6,70%
serta volatile matter sebesar 78,26%.
4. Nurhidayah Mohamed Noor, Adilah Shariff, Nurhayati Abdullah dan Nur Syairah Mohamad Aziz (2019)
Efek suhu pada sifat arang dari pirolisis lambat limbah daging kelapa
Massa: 100 g
Laju Pemanasan:
5 °C/menit
Waktu tunggu: 1 jam
Laju Nitrogen:
0,5 L/jam
Suhu
(350, 400, 450, 500, 550, 600)
°C
Peningkatan suhu pirolisis dari 350°C menjadi 600°C:
mengurangi hasil arang dari 23,54% berat menjadi 13,97%
berat.
meningkatkan kadar abu arang dari 4,63%
menjadi 8,19%,
kandungan karbon tetap naik dari 45,20%
menjadi 79,09%
bahan volatil arang menurun dari 50,17%
menjadi 12,71%,
nilai kalor arang berkurang dari 33,95 MJ/kg menjadi 27,49 MJ/kg.
5. Lee, Y. E., Shin, D. C., Jeong, Y., Kim, I. T., dan Yoo, Y. S.
(2019)
Pengaruh Temperatur Pirolisis dan Waktu Retensi terhadap
Karakteristik bahan bakar dari Limbah Makanan dan Kompos untuk
Pembakaran Bersama di Pembangkit Listrik Tenaga Batubara.
Suhu 300°C, 400 °C, 500 °C
Waktu Operasi:
15, 30, 45, 60 menit
memperoleh hasil pada proses pirolisis :
Kalor arang dari bahan kompos mengalamai kenaikan di suhu 300-400 °C pada semua rentang waktu.
Pada Limbah bahan makanan mengalami kenaikan dari suhu 300- 400 ° C dan batas waktu 45 menit.
5
Berdasarkan data-data di atas, peneliti akan mengkaji pengaruh suhu dan waktu pirolisis terhadap karakteristik arang dari tempurung kelapa untuk mendapatkan arang berkalori tinggi yang dapat digunakan dalam pembakaran bersama (co-firing) batubara.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Penggunaan Energi di Indonesia terus meningkat setiap tahun nya, Salah Satu sumber energi yang digunakan di Indonesia saat ini adalah batubara, sementara itu batubara tidak dapat diperbaharui dan memiliki polusi yang buruk bagi udara. Untuk itu diperlukan energi alternatif, salah satu energi alternatif yaitu energi Biomassa.
Limbah Tempurung kelapa merupakan salah satu bahan baku biomasssa yang sangat tersedia di Indonesia karena belum dimanfaatkan secara maksimal. Pemanfaatan Limbah tempurung kelapa menjadi Arang dengan cara pirolisis, dapat dijadikan solusi untuk mengurangi penggunaan batubara. Arang yang memiliki nilai kalor tinggi dapat digunakan secara bersamaan dengan batubara (Co-firing). Untuk itu perlu dilakukan pembuatan Arang yang memiliki energi kalor tinggi yang dapat digunakan secara bersamaan dengan batubara.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Adapun Tujuan dari penelitian ini yaitu:
1. Menghasilkan arang berkalori tinggi dari tempurung kelapa dengan cara Pirolisis.
2. Mendapatkan Suhu dan Waktu Pirolisis terbaik dalam pembuatan arang tempurung kelapa.
3. Menguji Karakteristik Arang dengan Standar SNI 06-4369-1996.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Adapun Penelitian ini diharapkan dapat:
1. Memberikan informasi bahwa limbah Tempurung kelapa dapat dikonversi menjadi arang berkalori tinggi melalui proses pirolisis dan dapat digunakan untuk pembakaran bersama (Co-firing) dengan batubara.
2. Memberikan informasi Kondisi Operasi Pirolisis terbaik dalam pembuatan arang tempurung kelapa.
6
3. Memberikan informasi Karakteristik Arang yang sesuai dengan SNI 06-4369- 1996.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Proses Industri Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah Tempurung kelapa yang diperoleh dari Pasar Sore sekitaran Kampus USU.
Variabel-variabel dalam penelitian ini adalah sebagai berikut 1. Variabel Tetap
Tabel 1.2 Variabel Tetap
Variabel Tetap Keterangan
Massa Bahan Baku 2 kg
2. Variabel bebas
Tabel 1.3 Variabel Bebas
Variabel Bebas Keterangan
Suhu 350 °C, 450 °C, 550 °C
Waktu Operasi 2 jam, 3 Jam, 4 jam
Data yang dikumpulkan selama percobaan pirolisis Tempurung kelapa menjadi arang adalah :
1. Yield Arang 2. Kadar Air Arang 3. Kadar Abu Arang 4. Kadar Volatille Matter 5. Nilai Kalor Arang
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 TANAMAN KELAPA
Kelapa merupakan tanaman tropis yang telah lama dikenal masyarakat Indonesia, hal ini terlihat dari penyebarannya hampir di seluruh wilayah Nusantara (Ariyanti, dkk., 2018). Kelapa termasuk jenis palma yang biasa tumbuh di pantai.
Tanaman ini tumbuh pada ketinggian 900 m dari permukaan laut. Batang pohon kelapa berbentuk ramping lurus, tingginya 10-14 m, tidak bercabang. Daunnya berpelepah/bersirip genap dengan panjang mencapai 2-3 m. Buahnya bulat berbentuk kerucut terbungkus serabut tebal dan bergaris tengah sekitar 25 cm. Kelapa memiliki sabut tebal dan tempurung keras, berisi air dan daging yang mengandung santan.
Pohon kelapa dapat dijumpai di seluruh wilayah Indonesia, terutama di daerah berpasir dekat pantai. Pada 2016, produksi kelapa Indonesia mencapai 18,3 juta ton dan ini merupakan yang tertinggi di dunia. Komposisi dari komponen buah kelapa adalah sabut 35%, daging 28%, air 25% dan tempurung 12% (Dwi, 2017).
Kelapa (Cocos nucifera) memiliki banyak manfaat baik dari daun, buah, dan batang. Pemanfaatan utama dari tanaman Kelapa adalah buah Kelapa. Selain untuk dimakan, buah kelapa juga dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku minyak kelapa.
Pemanfaatan buah kelapa tersebut akan menghasilkan limbah tempurung kelapa.
Agar tidak mengurangi nilai estetika lingkungan, limbah tempurung kelapa bisa diolah menjadi bahan baku biomassa (Sulistyani, dkk., 2015).
Tabel 2.1 Data Perkembangan Luas Area Perkebunan Kelapa dan Total Produksi Buah Kelapa di Sumatera Utara tahun 2015-2019
Tahun Luas Lahan (Ha) Produksi (Ton)
2015 85.808 88.844
2016 86.388 89.270
2017 110.376 97.684
2018 110.786 99.445
2019 114.212 99.616
(Direktorat Jenderal Perkebunan, 2019)
8
Pada Tabel 2.1 dapat dilihat perkembangan luas area mengalami peningkatan dari 86.620 Ha pada tahun 2015 hingga mencapai 114.212 Ha tahun 2019. Kemudian untuk produksi buah kelapa mengalami peningkatan, pada tahun 2015 yaitu 87.974 ton menjadi 99.616 ton pada tahun 2019 (Direktorat Jenderal Perkebunan, 2019).
Dari data yang disebutkan dapat diketahui bahwa pertumbuhan dan perkembangan tanaman kelapa mengalami peningkatan. Peningkatan produksi kelapa tiap tahun menyebabkan bertambahnya limbah yang dihasilkan dari Industri pengolahan buah kelapa.
2.2 BIOMASSA
Biomassa didefinisikan oleh Badan Energi Internasional (IEA) sebagai setiap bahan organik, bisa mengalami pembusukan, bahan yang berasal dari tumbuhan atau hewan yang tersedia yang dapat diperbarui. Biomassa meliputi kayu dan tanaman pertanian, tanaman herbal dan energi berkayu, limbah organik kota serta pupuk kandang (Dufour, 2016). Meskipun ada banyak pilihan energi terbarukan, biomassa dianggap sebagai yang utama sumber energi terbarukan dan memiliki potensi untuk kontribusi signifikan terhadap produksi energi (Khademi dan Yildiz, 2018).
Bagian biomassa dalam memenuhi campuran energi primer dunia saat ini berada pada kisaran 24% pada tahun 2016, tetapi mengingat meningkatnya kekhawatiran tentang pemanasan global dan keberlanjutan, bagian ini cenderung meningkat hingga 30% pada tahun 2020 (Basu, 2018). Biomassa digunakan untuk memasok kebutuhan energi, termasuk pembangkit listrik, energi rumah, kendaraan bahan bakar, dan fasilitas industri. Produksi biomassa di Indonesia adalah sekitar 146,7 miliar ton/tahun (Dani dan Wibawa, 2018) dan salah satu biomassa yang berlimpah di Indonesia adalah tempurung kelapa. Komponen utama biomassa adalah selulosa, hemiselulosa, pati, gula, lignin, minyak, lemak, dan lilin, protein, dan berbagai ekstraktif (Dusselier, et al., 2014).
2.3 TEMPURUNG KELAPA
Tempurung kelapa adalah bagian paling kuat yang menutupi buah kelapa. Ini berfungsi sebagai lapisan pelindung antara daging kelapa dan sabut kelapa.
Tempurung kelapa dapat dimanfaatkan sebagai arang dan juga untuk peralatan seperti kerajinan tangan dan peralatan makan (Sahat, 2017).
9
Gambar 2.1 Tempurung Kelapa
Tempurung kelapa merupakan bagian buah kelapa dengan ketebalan berkisar antara 3–6 mm. Tempurung kelapa dikategorikan sebagai kayu keras tetapi mempunyai kadar lignin yang lebih tinggi dan kadar selulosa lebih rendah. Apabila tempurung kelapa dibakar pada temperatur tinggi dalam ruangan yang tidak berhubungan dengan udara maka akan terjadi rangkaian proses penguraian penyusun tempurung kelapa tersebut dan akan menghasilkan arang, destilat, tar dan gas (Burhilal dan Suryaningsih, 2017).
Tempurung kelapa penggunaan utamanya adalah sebagai bahan bakar.
Penggunaan lainnya dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan arang rokok shisha, berbagai peralatan rumah tangga, barang antik, barang mewah, dll.
Pemanfaatan komersial tempurung kelapa juga dapat dibuat menjadi arang tempurung dan karbon aktif (Nampoothiri, et al., 2019). Tempurung kelapa mengandung lignin (33,30%), selulosa (30,58%) dan hemiselulosa (26,70%) (Arena, et al., 2016). Dengan kadar lignin yang tinggi ini, tempurung kelapa memiliki potensi yang besar untuk dikonversi menjadi arang. Konversi yang biasanya dilakukan adalah dengan metode pirolisis.
2.4 PIROLISIS
Di antara berbagai teknologi konversi biomassa, pirolisis adalah teknik yang relatif sederhana di mana bahan organik dipanaskan tanpa oksigen. Selama proses
10
pirolisis, konstituen polimer alami (yaitu lignin, selulosa, lemak dan pati) secara termal dipecah menjadi tiga fraksi berbeda menjadi bio-oil, arang dan gas (Ronsse et al., 2013).
Dalam pirolisis, molekul besar hidrokarbon biomassa dipecah menjadi molekul yang lebih kecil. Pirolisis cepat lebih mengutamakan produk bahan bakar cair, yang dikenal sebagai bio-oil, sedangkan pirolisis lambat menghasilkan beberapa gas dan arang padat (Basu, 2018).
Gambar 2.2 Dekomposisi Molekul Hidrokarbon menjadi Molekul Kecil (Basu, 2018)
Menurut (Khademi & Yildiz, 2018) Pirolisis secara langsung mengubah rantai lignoselulosa panjang menjadi senyawa padat gelap yang kaya karbon, yang disebut arang (biochar) serta fraksi minyak yang dilembabkan, yaitu cairan hitam dengan viskositas tinggi. Ada juga beberapa produk samping berupa gas yang dapat terkondensasi dan tidak dapat terkondensasi, yang sebagian besar terdiri dari CO, CH4, H2, CO2, dan sejumlah kecil gas primer ringan lainnya. Gas sintesis yang dihasilkan dari proses pirolisis dapat diarahkan ke pembangkit listrik untuk menghasilkan listrik.
Proses pirolisis dapat diwakili oleh reaksi umumnya seperti ini:
(biomass) → ∑ ∑ Gambar 2.3 Reaksi Pirolisis
(Basu, 2018)
11 2.4.1 Jenis-jenis Pirolisis
Pirolisis biomassa adalah fenomena yang terdefinisi dengan baik yang melibatkan dekomposisi termal dari biomassa menjadi bio-oil, biochar (Arang) dan produk gas. Ini dapat diklasifikasikan menjadi tiga subkategori utama yaitu: pirolisis lambat, menengah dan cepat, tergantung pada laju pemanasan dan waktu tinggal (Hashim, et al., 2020). Berikut merupakan pembagian dari jenis-jenis pirolisis:
2.4.1.1 Slow Pirolisis (Pirolisis Lambat)
Pirolisis lambat terjadi pada laju pemanasan yang sangat lambat (0,1–1 °C/s) dan waktu tinggal yang sangat lama (Kantarelis et al., 2013). Pirolisis lambat dicirikan dengan lama waktu proses yaitu > 2-4 jam dengan hasil produk padat (arang) yaitu 35% dan kadar karbon yang tinggi pada arang diantara 50-95%
(Kumarathilaka et al., 2016). Pirolisis lambat bertujuan untuk memaksimalkan hasil arang (Roy dan Dias, 2018).
2.4.1.2 Intermediate Pirolisis (Pirolisis Menengah)
Pada pirolisis menengah, reaksinya lebih cepat daripada pirolisis lambat tetapi lebih lambat dari pirolisis cepat. Ini terjadi pada kisaran suhu 450–550 °C, pada laju pemanasan yang lebih tinggi dari pada pirolisis lambat dengan waktu tinggal mulai dari 10 hingga 30 detik dan menghasilkan arang yang lebih sedikit daripada proses pirolisis lambat (Daful dan Chandraratne, 2018). Pirolisis menengah akan menghasilkan produk dengan komposisi 25% arang, 50% bio-oil dan 25% Gas dengan kandungan karbon pada produk padat (arang) yaitu 66-74% (Kumarathilaka et al., 2016).
2.4.1.3 Fast Pirolisis (Pirolisis Cepat)
Dalam pirolisis cepat, biomassa diubah pada laju pemanasan yang sangat tinggi dan untuk waktu tinggal yang sangat singkat yaitu sekitar 0,5–2 detik (Roy dan Dias, 2018). Tujuan utama pirolisis cepat adalah untuk memaksimalkan produksi cairan atau bio-oil. Biomassa dipanaskan dengan sangat cepat hingga mencapai suhu puncak (pirolisis) sebelum terurai. Tingkat pemanasan bisa setinggi 1000 – 10.000
°C/s, tetapi suhu puncak harus di bawah 650 °C jika bio-oil adalah produk yang
12
diinginkan. Namun, suhu puncak dapat mencapai 1000 °C jika produksi gas merupakan kepentingan utama (Basu, 2018).
2.5 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PIROLISIS Adapun Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pirolisis yaitu:
2.5.1 Kadar Air
Adanya air dalam bahan yang dipirolisis mempengaruhi proses pirolisis karena air dalam bahan akan menggunakan energi untuk menghilangkan kandungan air. Energi dari luar yang seharusnya digunakan untuk proses pirolisis digunakan sebagian untuk proses pengeringan kadar air bahan. Akibatnya kandungan air yang tinggi dalam bahan akan membutuhkan energi yang tinggi untuk proses pirolisis atau dengan kata lain pada energi yang sama bahan dengan kadar air yang tinggi menghasilkan gas yang sedikit dari pada bahan dengan kadar air rendah (Junaedi, dkk., 2019).
2.5.2 Komposisi Bahan
Komposisi bahan baku biomassa harus dipertimbangkan ketika ditujukan untuk menghasilkan hasil yang lebih tinggi dari produk tertentu karena karakteristik fisikokimia dari masing-masing komponen berbeda dalam berbagai biomassa. Lebih disukai menggunakan biomassa yang mengandung selulosa dan hemiselulosa untuk hasil bio-oil yang tinggi dan lignin untuk arang. Bahan volatil tinggi mendukung produksi tinggi bio-oil dan gas. Sementara itu, karbon tetap akan cenderung keproduk arang. Selain itu kadar air mempengaruhi stabilitas, viskositas, korosif dan pH produk cair (Bamboriya, et al., 2019).
2.5.3 Laju Pemanasan
Laju pemanasan proses pirolisis juga merupakan parameter penting yang mempengaruhi kinerja pirolisis. Pirolisis biomassa dapat dikategorikan berdasarkan laju pemanasan bersama dengan suhu reaksi lambat, dan cepat. Parameter operasi pirolisis disesuaikan untuk memenuhi persyaratan produk akhir yang diinginkan yaitu:
13
1. Untuk memaksimalkan produksi arang, gunakan laju pemanasan lambat (<0,01- 2,0 °C/s), suhu akhir yang rendah, dan waktu tinggal yang lama.
2. Untuk memaksimalkan hasil cairan, gunakan laju pemanasan tinggi, suhu akhir moderat (450-600 °C), dan waktu tinggal pendek.
3. Untuk memaksimalkan produksi gas, gunakan laju pemanasan sedang hingga lambat, suhu akhir tinggi (700-900 °C), dan waktu tinggal yang lama.
Produksi arang melalui karbonisasi menggunakan langkah (1), pirolisis cepat menggunakan langkah (2) untuk memaksimalkan hasil cairan. Langkah (3) digunakan ketika produksi gas akan dimaksimalkan.
2.5.4 Ukuran Partikel
Apabila ukuran partikel meningkat maka hasil dari padatan akan meningkat pula sedangkan hasil dari volatil dan gas akan menurun. Fenomena ini adalah konsekuensi dari penurunan temperatur pada setiap posisi radial dengan adanya peningkatan pada ukuran partikel. Kosentrasi dari volatil dan gas meningkat sampai dengan nilai tertentu dan kemudian menurun sesuai dengan kenaikan ukuran partikel.
Seiring dengan kenaikan ukuran partikel maka waktu yang dibutuhkan untuk proses pirolisis pada temperatur tertentu juga akan meningkat (Udyani, dkk., 2018). Laju pemanasan seragam dalam partikel ukuran kecil akan menghasilkan bio-oil dan gas volatil lebih banyak sementara bila ukuran besar akan menghambat perpindahan panas yang nantinya akan menghasilkan pembentukan arang yang tinggi (Basu, 2018).
2.5.5 Waktu Tinggal
Waktu tinggal juga disesuaikan dengan laju pemanasan. Menurut Basu (2018), efek laju pemanasan, suhu pirolisis, dan waktu tinggal pada produk pirolisis dapat diringkas sebagai berikut:
1. Tingkat pemanasan yang lebih lambat, suhu pirolisis yang lebih rendah, dan waktu tinggal yang lebih lama memaksimalkan hasil arang padat.
2. Tingkat pemanasan yang lebih tinggi, suhu pirolisis yang lebih tinggi, dan waktu tinggal yang lebih pendek memaksimalkan hasil gas.
14
3. Tingkat pemanasan yang lebih tinggi, suhu pirolisis menengah, dan waktu tinggal yang lebih pendek memaksimalkan hasil cairan.
2.5.6 Suhu
Selama pirolisis, partikel bahan bakar dipanaskan pada laju yang ditentukan dari suhu awal hingga suhu maksimum, yang dikenal sebagai suhu pirolisis.
Temperatur pirolisis mempengaruhi komposisi dan hasil produk. Jumlah arang yang diproduksi juga tergantung pada suhu pirolisis. Suhu yang rendah menghasilkan lebih banyak arang; suhu tinggi menghasilkan lebih sedikit arang (Basu, 2018).
Arang terlihat kaya karbon pada temperatur tinggi akibat hilangnya hidrogen dan oksigen selama proses dekomposisi, arang yang kaya akan karbon akan menghasilkan sifat yang lebih baik terutama pada nilai kalor dan densitas energi arang (Rahman et al., 2015).
2.6 ARANG
Arang adalah bahan padat berpori karbon dengan tingkat aromatisasi tinggi yang dihasilkan oleh dekomposisi termal biomassa dari limbah tanaman di bawah kondisi bebas oksigen atau oksigen terbatas (Daful dan Chandraratne, 2018). Residu padat bernama char, terbentuk selama konversi biomassa dalam proses pirolisis, menghadirkan struktur polisiklik aromatic (Bamboriya, et al., 2019).
Arang memiliki daya tarik khusus dalam pengurangan gas rumah kaca karena produksinya dapat meningkatkan jumlah karbon yang tersimpan di tanah dalam bentuk yang stabil, mirip dengan apa yang dilakukan untuk penyerapan karbon. Di sisi lain, jika biomassa diubah menjadi arang, sebanyak 50% atau lebih dari karbon yang terkandung dalam biomassa dapat tinggal di tanah sebagai residu arang yang stabil. Arang memiliki sejumlah manfaat yaitu, mengurangi penggunaan bahan bakar fosil, mengurangi penggunaan pupuk, dan mengurangi kehilangan unsur hara dalam tanah.
Nilai kalor arang berada pada kisaran 25-32 MJ/kg basis kering, yang jauh lebih tinggi daripada biomassa induk atau produk cairnya dan pembakaran arang dianggap lebih ramah lingkungan daripada batubara (Basu, 2018). Adapun Standar arang menurut SNI 06-4369-1996 yaitu:
15
Tabel 2.2 Standar Arang Tempurung Kelapa
No. Jenis Uji Satuan Persyaratan
1 Kadar Air % Maksimal 6
2 Kadar Abu % Maksimal 5
3 Volatille Matter % Maksimal 20
4 Nilai Kalor kal/gr Minimal 7.000
(SNI, 1996)
Menurut SNI, Arang tempurung kelapa memiliki kadar air maksimal 6%, kadar abu maksimal 5%, kadar zat mudah terbang (Volatille matter) maksimal 20%
dan memiliki nilai kalor minimal 7.000 kal/gr.
Pembakaran arang menawarkan potensi untuk mengurangi emisi CO2 dari pembangkit listrik yang menggunakan batu bara, dengan mengimbangi emisi dari bahan bakar fosil. Untuk memaksimalkan potensi penyeimbangan dari pembakaran, perlu untuk memanfaatkan biomassa dalam boiler efisiensi tinggi, yang berarti penggunaan arang dengan batubara secara bersamaan pada mesin boiler. Penggunaan kombinasi biomassa dan batubara menghadirkan banyak tantangan karena sifat kedua material ini sangat berbeda, dan oleh karena itu banyak pengembangan telah dilakukan pada proses pretreatment yang membuat berbagai jenis biomassa lebih cocok untuk digunakan bersamaan dengan batubara (Gronnow, et al., 2013).
Arang ditandai dengan luas permukaan pori yang besar. Karena itu arang memiliki jumlah besar untuk penggunaan non-bahan bakar seperti adsorpsi bahan kimia dan penyimpanan karbon di tanah (Basu, 2018). Arang juga dapat digunakan sebagai zat untuk memperbaharui tanah, oleh karena itu disebut biochar, untuk secara substansial meningkatkan kesuburan tanah (Ronsse et al., 2013).
2.7 CO-FIRING BIOMASSA-BATUBARA
Co-firing, juga dikenal sebagai co-combustion, adalah proses pembakaran dua jenis bahan bakar berbeda dalam perangkat pembakaran ketel pembangkit uap.
Dalam pengertian sederhana, pembakaran co-firing dari batubara dengan biomassa dapat dipandang sebagai bagian dari sistem yang melengkapi perangkat boiler berbahan bakar batubara (Suganal dan Hudaya, 2019). Co-firing dapat dijadikan solusi untuk meningkatkan penggunaan biomassa dalam pembangkit listrik dan
16
mengurangi emisi gas rumah kaca (GRK) (Lempp, 2013).
Batubara yang digunakan dalam Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) memiliki kriteria yaitu:
Tabel 2.3 Kriteria Batubara yang digunakan dalam PLTU
Unsur Satuan Average
Nilai Kalor kal/g 5.242
Total Moisture % 23,6
Volatille Matter % 30,3
Ash Content % 7,8
(Asy’ari dan Hidayatullah, 2016)
Secara umum, karakteristik biomassa mempunyai kadar air dan zat terbang tinggi, kadar karbon padat, nilai kalor relatif rendah dan kadar abu sangat rendah yaitu kurang dari 5% . Batubara umumnya mempunyai nilai kalor yang lebih tinggi dari material biomassa. Arang memiliki kepadatan energi yang mirip dengan batubara, oleh sebab itu agar cofiring biomassa dan batubara dapat maksimal maka biomassa dikonversi terlebih dahulu menjadi arang (Arcate, 1998).
17
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. LOKASI PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Proses Industri Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan.
3.2. BAHAN DAN PERALATAN PENELITIAN 3.2.1 Bahan Penelitian
Bahan baku Tempurung kelapa yang diperoleh dari Pasar sekitaran Kampus USU. Tempurung dibersihkan, dipecahkan dan ditimbang sesuai ukuran dan dikumpulkan ke dalam ember, sebelum dilakukan proses pirolisis.
3.2.2 Peralatan Penelitian
Pada penelitian ini peralatan yang digunakan antara lain:
1. Aluminium Foil 7. Oven
2. Bomb Calorimeter 8. Pengupas Kopra 3. Cawan Porselen 9. Saringan 80 mesh
4. Desikator 10. Stopwatch
5 Furnace 11. Unit alat Pirolisis
6. Neraca Digital
18
Gambar 3.1 Unit Rangkaian Peralatan Proses Pirolisis
3.3 RANCANGAN PERCOBAAN PENELITIAN
Percobaan penelitian dirancang sebanyak 9 run dengan variabel bebas pengaruh Suhu dan Waktu Pirolisis. Rancangan percobaan penelitian dapat dilihat pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Rancangan Percobaan Renelitian
Run Suhu (°C) Waktu (Jam)
1
350
2
2 3
3 4
4
450
2
5 3
6 4
7
550
2
8 3
9 4
19 3.4 TAHAP PENELITIAN
Tahap-tahap yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mempersiapkan bahan dan alat prolisis
2. Memastikan alat pirolisis berjalan dengan baik 3. Pelaksanaan percobaan
4. Melakukan Analisis mutu terhadap arang.
3.5 PROSEDUR PENELITIAN
Adapun prosedur yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Persiapan bahan baku
- Bahan tempurung kelapa dibersihkan dari kotoran.
2. Variasi waktu operasi - 2 jam
- 3 jam - 4 jam 3. Suhu operasi:
- 350 °C - 450 °C - 550 °C
4. Prosedur operasi pirolisis
- Bahan baku tempurung kelapa sebanyak 2 kg dimasukkan ke alat pirolisis, kemudian pintu ditutup rapat.
- Alat pirolisis dihidupkan, suhu dan waktu pirolisis diatur sesuai dengan variasi yang ditentukan.
- Proses pirolisis selesai.
- Alat pirolisis dimatikan dan dibiarkan sampai dingin.
- Pintu alat pirolisis dibuka, kemudian hasil pirolisis berupa arang dikeluarkan dari alat pirolsis.
- Arang yang dihasilkan diAnalisis Yield arang, kadar air, kadar abu, nilai kalor, dan volatile matter.
20 3.6 FLOWCHART PENELITIAN
Untuk lebih jelasnya prosedur penelitian disajikan dalam bentuk flowchart sebagai berikut :
Gambar 3.2 Flowchart Pirolisis Tempurung Kelapa Alat proses pirolisis disiapkan
Apakah ada variabel lain yang divariasikan?
Tidak Alat pirolisis dimatikan dan dibiarkan hingga dingin sampai dilakukan analisa
Selesai
Ya Mulai
Tempurung kelapa ditimbang sebanyak 2 kilogram
Tempurung kelapa dipanaskan dalam reaktor pirolisis pada Suhu 350 °C selama 2 jam
Alat pirolisis dibuka dan arang dikeluarkan
Suhu Operasi 350, 450 dan 550
°C
Varasi Waktu: 2, 3, 4 jam
Tempurung dimasukkan kedalam alat pirolisis dan pentutup reaktor pirolisis dikunci rapat
21 3.7 PROSEDUR ANALISIS
3.7.1 Analisis Yield Arang
Analisis yield Arang dilakukan untuk mengetahui massa Arang yang terbentuk setelah proses pirolisis dengan membandingkan massa arang dengan massa bahan baku. Yield Arang dihitung menggunakan Persamaan 3.1.
massa Arang
massa empurung 100 (3.1)
3.7.2 Analisis Kadar Air
Untuk menghitung kadar air, maka perlu diketahui berat kering dan berat sebelum pengeringan. Kemudian data diselesaikan dengan menggunakan persamaan:
a ar air
-
-A x 100 (3.2)
keterangan:
A = Massa Cawan (gr)
B = Massa Cawan + sampel sebelum pemanasan (gr) C = Massa Cawan + sampel setelah pemanasan (gr)
3.7.3 Analisis Kadar Abu
Untuk menghitung kadar abu maka dibutuhkan data massa sebelum di masukkan ke furnace serta massa setelah menjadi abu.
a ar a u
-A -A
x
100 (3.3)Keterangan:
A = Massa Cawan kosong (gr) B = Massa Cawan + sampel (gr) C = Massa cawan + Abu (gr)
22
3.7.4 Analisis Kadar Zat Terbang (Volatile Matter)
Untuk menghitung Kadar Zat Terbang (Volatile matter) maka dibutuhkan data massa arang yang berukuran 80 mesh sebelum di masukkan ke furnace, serta massa setelah difurnace pada suhu 950 °C selama 7 menit.
-
-
x
100 (3.4)Keterangan:
A = Massa Cawan (gr)
B = Massa Cawan + Sampel sebelum pemanasan (gr) C = Massa Cawan + Sampel setelah pemanasan (gr)
3.7.5 Analisis Nilai Kalor (Automatic Bomb Calorimeter – K88890)
Prosedur Analisis nilai kalor arang dilakukan dengan menggunakan alat bomb calorimeter, yaitu :
1. Bomb calorimeter dan diatur pada mode dynamic 25 °C.
2. Chiller dihidupkan dan di atur suhu air pada 25 °C.
3. Arang ditimbang sebanyak 1 gram dan dimasukkan kedalam cawan sampel.
4. Arang yang telah ditimbang dimasukkan kedalam alat bomb calorimeter.
5. Komponen pendukung dirangkai bomb calorimeter dan dimasukkan kedalam bomb calorimeter.
6. Proses pembakaran dimulai dengan menekan tombol start.
7. Data dan hasil Analisis pada layar monitor di amati dan dicatat.
23 3.8 FLOWCHART ANALISIS 3.8.1 Flowchart Analisis Kadar Air
Mulai
Panaskan Furnace hingga 750 °C
Tempatkan cawan porselen kedalam furnace selama 10 menit
Dinginkan cawan porselen dalam desikator ±1 jam
Timbang cawan porselen lalu catat massa cawan
Masukkan 1 gram Arang kedalam cawan porselen
Masukkan cawan porselen tadi dalam oven pada suhu 105 °C-110 °C selama 2 jam
Angkat cawan dan masukkan kedalam desikator lalu timbang Hingga massa konstan
Selesai
Gambar 3.3 Flowchart Prosedur Analisis Kadar Air Arang
24 3.8.2 Flowchart Analisis Kadar Abu
Gambar 3.4 Flowchart Prosedur Analisis Kadar Abu Mulai
Panaskan Furnace hingga suhu 800-900 °C Timbang Cawan porselen kosong dan catat massa nya
Timbang Arang 1 gram catat massa Arang + Cawan
Ya
Tidak Cawan yang berisi Arang tadi dimasukkan kedalam
furnace selama 2 jam
Cawan diangkat dan dimasukkan kedalam desikator selama 1 jam lalu ditimbang
Apakah Massa Residu sudah konstan?
Selesai
25
3.8.3 Flowchart Analisis Zat Terbang (Volatile Matter)
Gambar 3.5 Flowchart Prosedur Analisis Zat Terbang (Volatile Matter) Arang ditimbang sebanyak 1 gram
dicatat massa Cawan+Arang Cawan porselen kosong ditimbang
Cawan diangkat dan didinginkan dalam desikator
Setelah dingin Cawan ditimbang dan dicatat massa nya
Volatile matter content Dihitung
Selesai
Arang dimasukkan ke dalam furnace pada suhu 950 °C selama 7 menit Mulai
26
3.8.4 Flowchart Analisis Nilai Kalor (Automatic Bomb Calorimeter – K88890)
Gambar 3.6 Flowchart Analisis Nilai Kalor Arang Arang ditimbang sebanyak 1 gram
Arang dimasukkan kedalam cawan sampel
Komponen pendukung dan dimasukkan kedalam bomb calorimeter
Tombol start ditekan untuk mulai proses pembakaran Mulai
Selesai
Bomb calorimeter dihidupkan
Alat diatur pada mode Isoperibol 25
°C
Chiller dihidupkan dan diatur suhu air pada 25 °C
Cawan sampel berisi arang dimasukkan kedalam bomb calorimeter
Data hasil analisa dicatat pada layar monitor
27
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi arang tempurung kelapa bertujuan untuk mengetahui sifat-sifat dasar dan kualitas mutu arang hasil pirolisis tempurung kelapa. Karakterisasi tersebut meliputi Yield arang, kadar air arang, kadar zat menguap, kadar abu dan nilai kalori arang. Dengan ada nya karakterisasi arang tempurung kelapa ini, akan memberikan informasi mengenai kualitas arang yang layak digunakan sebagai bahan bakar.
Tabel 4.1 Hasil Karakteristik Arang Tempurung Kelapa pada Berbagai Kondisi Operasi
No.
Sampel
Waktu (Jam)
Suhu (°C)
Yield (%)
Kadar Air (%)
Kadar Abu (%)
Kadar Zat Terbang
(%)
Nilai Kalori (kal/gr)
Keterangan
01
2
350 32,00 3,42 2,50 24,50 6629,7874
Tidak memenuhi
SNI
04 450 30,55 2,90 2,57 10,90 7650,3431 Memenuhi
SNI
07 550 28,55 3,50 3,09 9,14 7666,5955 Memenuhi
SNI 02
3
350 31,50 3,20 2,63 19,57 7161,8148 Memenuhi SNI
05 450 30,10 2,75 2,70 9,50 7750,9646 Memenuhi
SNI
08 550 28,00 4,26 3,80 8,92 7643,1729 Memenuhi
SNI 03
4
350 31,35 2,95 2,75 18,36 7244,7499 Memenuhi SNI
06 450 29,6 3,41 3,00 9,18 7666,8345 Memenuhi
SNI
09 550 27,00 4,51 4,50 8,14 7597,5227 Memenuhi
SNI
Tabel 4.2 Standar Arang Tempurung Kelapa
No. Jenis Uji Satuan Persyaratan
1 Kadar Air % Maksimal 6
2 Kadar Abu % Maksimal 5
3 Volatille Matter % Maksimal 20
4 Nilai Kalor kal/gr Minimal 7.000
(SNI, 1996)
28
4.1. Yield Arang pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
Yield arang tempurung kelapa pada variasi suhu dan waktu pirolisis diperlihatkan pada gambar 4.1.
Gambar 4.1 Yield Arang pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis.
Dari grafik 4.1 dapat dilihat bahwa yield arang mengalami penurunan seiring bertambah nya suhu dan waktu pirolisis. Penurunan hasil arang dengan meningkatnya suhu dapat disebabkan oleh dekomposisi primer yang lebih besar (Singh, et al., 2015). Yaitu terurai nya komposisi bahan menjadi gas condensable dan gas non-condensable (Basu, 2018). Sementara itu, pengaruh waktu pirolisis yang meningkat maka akan meningkatkan suhu arang dan melemahkan ketahanan perpindahan panas antar partikel (Sadaka, et al., 2014) sehingga menurunkan massa arang.
Dari penelitian ini hasil yield tertinggi diperoleh pada suhu operasi 350 °C dengan waktu pirolisis 2 jam yaitu sebesar 32% dengan massa arang 640 gram dan Yield terendah sebesar 27% dengan suhu 550 °C dan waktu pirolisis 4 jam dengan massa arang 540 gram.
20 22 24 26 28 30 32 34
350 450 550
Yield (%)
Suhu °C
2 Jam 3 Jam 4 Jam
29
4.2. Karakteristik Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
4.2.1. Karakteristik Kadar Air Arang pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
Karakteristik kadar air arang pada variasi suhu dan waktu pirolisis dapat dilihat pada gambar 4.2
Gambar 4.2 Kadar Air Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
Secara teori pengaruh waktu pirolisis terhadap kadar air menyebutkan bahwa semakin lama waktu, maka kadar air semakin sedikit. Kadar air arang berpengaruh terhadap nilai kalori arang. Semakin kecil kadar air maka semakin bagus nilai kalornya. Selain itu dari data kadar air arang, kita dapat mengetahui sifat higroskopis arang tersebut (Lestari, dkk., 2017).
Dari Gambar 4.2 dapat kita lihat bahwa arang pada suhu 350 °C pada waktu pirolisis 2, 3 dan 4 jam serta suhu 450 °C pada waktu 2 dan 3 jam mengalami penurunan kadar air, hal ini sesuai dengan teori. Sementara itu ketika suhu 550 °C, kadar air arang mengalami kenaikan. Naiknya kadar air terjadi dikarenakan analisa kadar air dilakukan secara bersamaan, sehingga pada saat arang yang terlebih dahulu dihasilkan yakni pada suhu 450 °C
0 1 2 3 4 5 6
350 450 550
Kadar Air (%)
Suhu (°C)
2 Jam 3 Jam 4 Jam SNI Maksimal
30
dengan waktu 4 jam dan 550 °C menyerap uap air sekitarnya, serta arang yang dihasilkan pada kondisi tersebut memiliki sifat higroskopis yang tinggi.
Penyebab lain terjadi karena semakin lamanya waktu operasi pirolisis, maka pori-pori dari arang akan semakin terbuka, dan akan berpengaruh pada sifat higroskopis arang (Lestari, dkk., 2017). Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa arang yang diproduksi pada suhu pirolisis 450
°C dengan waktu 4 jam dan suhu 550 °C lebih baik digunakan sebagai arang aktif karena memiiki sifat higroskopis yang tinggi. Walaupun kadar air yang diperoleh meningkat di beberapa titik, namun kadar air rata-rata arang tempurung kelapa yang diperoleh telah sesuai dengan SNI 06-4369-1996 yaitu ≤ 6 .
4.2.2. Karakteristik Kadar Abu Arang pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
Hubungan antara suhu pirolisis terhadap kadar abu arang tempurung kelapa pada waktu yang divariasikan dapat dilihat pada gambar 4.5.
Gambar 4.3 Kadar Abu Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
Abu adalah oksida-oksida logam dalam arang yang terdiri dari mineral yang tidak dapat menguap pada proses karbonisasi dan kandungan abu sangat berpengaruh pada kualitas arang yang dihasilkan (Siahaan, dkk., 2013). Gambar 4.3 menunjukkan grafik suhu pirolisis terhadap kadar abu
0 1 2 3 4 5
350 450 550
Kadar Abu (%)
Suhu (°C)
2 Jam 3 Jam 4 Jam SNI Maksimal
31
arang. Dari grafik dapat dilihat bahwa seiring dengan naiknya suhu maka kadar abu arang mengalami kenaikan. Seiring bertambahnya suhu dan waktu pirolisis maka terjadi pengurangan kandungan unsur lain selama pirolisis.
Unsur seperti C, H, N, O, dan S diuapkan selama pemanasan sementara garam anorganik (mineral) tidak sepenuhnya diuapkan, sehingga konsentrasi residu mineral dan bahan organik meningkat. Oleh sebab itu maka kadar abu akan semakin meningkat seiring menurunnya unsur unsur yang hilang.
(Claoston, et al., 2014). Kadar abu yang tinggi dapat menurunkan nilai kalori arang (Wardani, et al., 2018).
Walaupun arang yang diperoleh memiliki kadar abu yang terus meningkat, namun kadar abu dari arang tersebut masih sesuai dengan SNI 06- 4369-1996, yaitu ≤ 5 . Arang dengan kadar abu paling rendah didapat pada kondisi operasi 350 °C dengan waktu operasi 2 jam. Dan kadar abu arang tertinggi diperoleh pada kondisi operasi 550 °C dengan waktu Operasi 4 jam.
4.2.3. Karakteristik Kadar Zat Terbang (Volatille matter) pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
Hubungan antara suhu pirolisis terhadap kadar zat terbang arang tempurung kelapa pada waktu yang divariasikan dapat dilihat pada gambar 4.4
Gambar 4.4 Kadar Zat Terbang Arang Tempurung Kelapa pada variasi Suhu dan Waktu Pirolisis
0 5 10 15 20 25 30
350 450 550
Kadar Zat Terbang (%)
Suhu °C
2 Jam 3 Jam 4 Jam SNI Maksimal
