I. PENDAHULUAN. 1.1 Latar belakang

(1)

1

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Pada tahun 2008, Indonesia merupakan negara yang menempati peringkat ke-9 sebagai produsen batubara dunia dengan tingkat produksi sebesar 233 juta ton. Sedangkan sebagai peng-ekspor, pada tahun yang sama Indonesia menempati peringkat ke-3 dengan tingkat ekspor sebesar 160 juta ton. Sumber daya batubara Indonesia mencapai104,8 milyar ton. Sebesar 59% dari total sumber daya tersebut, dikategorikan ke dalam jenis batubara peringkat rendah (Daulay, 2009). Batubara peringkat rendah memiliki kandungan air yang cukup tinggi sehingga harganya relatif murah, sedangkan biaya produksi relatif sama dengan biaya produksi batubara peringkat di atasnya. UU No. 4/2009, tentang pertambangan mineral dan batubara, disebutkan dalam pasal 102 dan 103, yang mengamanatkan bahwa IUP/IUPK wajib meningkatkan nilai tambah dalam rangka pelaksanaan pengolahan dan pemurnian di dalam negeri (Dirjen Minerba, 2010). Saat ini, batubara Indonesia lebih banyak diekspor sebagai bahan mentah, kemudian mengimpor kembali bahan yang sudah diolah. Melalui pengolahan bahan mentah dan barang setengah jadi menjadi barang jadi, akan memiliki nilai tambah yang lebih tinggi (Ramelan, 2006). Untuk mewujudkan tujuan ini, teknologi merupakan faktor penggerak utama untuk memperoleh nilai tambah tersebut.

Puslitbang tekMIRA sebagai institusi pemerintah yang menyelenggarakan litbang terapan dalam pengolahan dan pemanfaatan batubara telah mengembangkan berbagai hasil penelitian, diantaranya adalah pembuatan karbon aktif dari batubara. Penelitian ini telah berlangsung sejak tahun 1980 dan merupakan kegiatan multiyears. Pada tahun 2007 dilakukan peningkatan kapasitas percobaan dari skala laboratorium dan bench scale ke skala pilot. Alat yang digunakan pada skala pilot adalah rotary kiln yang berkapasitas 1 ton/hari. Saat ini, percobaan pada skala pilot telah mencapai tahap optimalisasi peralatan dan proses. Pelaksanaan optimalisasi mengacu pada faktor-faktor yang menentukan agar teknologi proses pembuatan karbon aktif ini dapat diterima masyarakat, yaitu murah, mudah dan ramah lingkungan. Tabel 1.1

(2)

2

memperlihatkan tahapan kegiatan penelitian pembuatan karbon aktif dari batubara pada skala pilot.

Tabel 1.1 Tahap kegiatan pembuatan karbon aktif dari batubara dari tahun 2007 s/d tahun 2010

Tahun Kegiatan

2007

Peningkatan Pengembangan Teknologi Aktivasi Pembuatan Karbon Aktif dari Batubara

-Uji coba pembuatan karbon aktif pada skala komersil di pabrik karbon aktif tempurung kelapa (Lampung)

-Pengadaan 1 unit rotary kiln berkapasitas 1 ton/hari 2008 Optimalisasi Teknologi Aktivasi Karbon Aktif dari Batubara

a. Optimalisasi peralatan.

Modifikasi feeder, burner, scrubber, distribusi uap air dan cooler. b. Optimalisasi proses

Variabel percobaan; kemiringan dan putaran kiln, laju umpan, temperatur dan waktu aktivasi, dan laju alir uap air dengan boiler yang berkapasitas 100 kg/jam

2009 A.Optimalisasi Proses dan Uji Coba Pemanfaatan Karbon Aktif dari Batubara

a. Optimalisasi proses (lanjutan)

- Parameter percobaan ; temperatur karbonisasi, ukuran butir, waktu aktivasi dan laju alir uap air dengan boiler yang berkapasitas 200 kg/jam.

b. Uji coba pemanfaatan karbon aktif di industri c. Efisiensi proses (untuk keekonomian produk)

(3)

3

2010 Optimalisasi Produksi Karbon Aktif Berbasis Batubara

a. Proses pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara (tungku siklon)

b. Peningkatan efisiensi proses, dengan mempersiapkan instalasi pemanfaatan energi gas buang sebagai bahan bakar boiler b. Uji coba pemanfaatan karbon aktif di tambak udang

Optimalisasi yang dilakukan pada tahun 2008 bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja alat dengan cara memodifikasi sistim fungsi rotary kiln yang terdiri atas feeder, burner, boiler, ruang bakar (tungku), scrubber dan cooler. Pengujian sistim peralatan yang telah dimodifikasi dilakukan dengan uji coba pembuatan karbon aktif, dengan variabel proses seperti kemiringan dan putaran kiln, laju umpan, laju alir uap air, temperatur dan waktu aktivasi. Pada tahun 2009, kegiatan dilanjutkan dengan optimalisasi terhadap kondisi proses, termasuk diantaranya substitusi bahan bakar minyak oleh batubara. Dasar pertimbangan substitusi oleh batubara disebabkan biaya pembuatan karbon aktif dengan bahan bakar minyak sangat mahal, sehingga produk yang dihasilkan tidak mungkin dapat dijual. Hasil optimalisasi tahun 2009 adalah diperoleh karbon aktif dengan kualitas yang mendekati persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia. Selain itu, berdasarkan hasil uji coba pemanfaatan yang dilakukan di laboratorium, karbon aktif batubara dapat digunakan untuk penurunan kadar logam, pH, COD, TSS dan penyerap bau terutama pada fasa cair. Sedangkan berdasarkan hasil perhitungan penggunaan batubara sebagai bahan bakar, diperoleh penghematan biaya produksi sebesar ±65%, lebih murah dari penggunaan bahan bakar minyak.

Berdasarkan hasil kegiatan tahun 2009, maka pada tahun 2010 dilakukan uji coba pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara, dan pemasangan instalasi boiler berkapasitas 300 kg/jam yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi. Rencana pada tahun 2011, akan dilakukan pemanfaatan energi panas gas buang (hasil proses aktivasi) sebagai bahan bakar boiler kapasitas 300 kg/jam. Pemanfaatan energi panas ini akan mengurangi biaya penggunaan bahan bakar

(4)

4

minyak yang selama ini digunakan sebagai bahan bakar boiler yang berkapasitas 200 kg/jam, dengan konsumsi sebesar 20 L/jam. Hasil percobaan secara keseluruhan, akan diperoleh penguasaan teknologi pembuatan karbon aktif berbasis batubara. Artinya, bahan baku dan bahan bakar yang digunakan pada pembuatan karbon aktif adalah batubara.

1.2 Ruang lingkup kegiatan

Kegiatan pembuatan karbon aktif terdiri atas 5 kegiatan utama yaitu ;

1. Optimasi pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara 2. Pemasangan instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam yang terintegrasi dengan rotary

kiln (reaktor aktivasi)

3. Pemanfaatan karbon aktif batubara di tambak udang 4. Evaluasi hasil percobaan dan keekonomian produk (draft FS) 5. Desain global (draft) peralatan utama reaktor aktivasi karbon aktif

1.3. Tujuan

Tujuan kegiatan adalah memperoleh sistim peralatan dan kondisi proses pembuatan karbon aktif yang efisien dan efektif sehingga pembuatan karbon aktif berbasis batubara Indonesia layak diterapkan di masyarakat.

1.4. Sasaran

- Teknologi proses pembuatan karbon aktif dari batubara pada kapasitas 1 ton/hari dengan menggunakan bahan bakar batubara (tungku siklon).

- Terpasangnya instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi berbahan bakar batubara

- Karbon aktif dengan kualitas sesuai persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia.

1.5 Lokasi kegiatan

(5)

5

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pembuatan karbon aktif

Karbon aktif dikenal sebagai bahan berbentuk kristalit dengan struktur pori yang sangat besar sehingga memiliki sifat adsorpsi yang sangat kuat (Strand, 2001). Berbagai bahan karbon dapat digunakan untuk pembuatan karbon aktif, seperti tempurung kelapa, kayu, tulang-tulang, biji-bijian, limbah kertas, dan sebagainya. Batubara adalah bahan dengan kandungan senyawa karbon tinggi, sehingga potensial sebagai bahan karbon aktif. Sifat adsorpsi karbon aktif diperoleh melalui proses pengarangan (karbonisasi) dan aktivasi. Pada proses karbonisasi, terjadi pirolisis atau de-volatilisasi. Pada tahap ini, dihasilkan 3 produk utama, yaitu arang, tar dan gas-gas (Patisson, 2000). Arang adalah padatan yang tersisa dari proses transformasi karbon yang mencapai 50% dari berat batubara awal, dikenal sebagai semikokas. Pembakaran terhadap semikokas dikontrol dengan pengaturan kecepatan oksigen yang berdisfusi ke dalam permukaan karbon. Tar dan gas-gas seperti CO2, CO, H2O dan hidrokarbon-hidrokarbon, CxHy, akan terbakar dan bereaksi menurut persamaan berikut .

CxHy + (x + y/4)O2 xCO2 + y/2 H2O + Q (kJ/mol) CO + ½O2 CO2 + Q (kJ/mol)

Pada proses pembuatan karbon aktif dari batubara, terjadi proses pirolisis dan gasifikasi. Pada temperatur 300-400°C, ikatan kimia terlemah mulai terputus, menghasilkan fragmen molekul-molekul disebut de-polimerisasi. Fragmen ini dapat mengakibatkan terbentuknya tar jika keberadaanya cukup kecil untuk diuapkan dan dikeluarkan dari batubara. De-komposisi yang terjadi pada temperatur 500-600°C, menyebabkan pembebasan gas CO dan H2. Pada proses pirolisis, sembilan komposisi utama zat terbang utama yang harus dipertimbangkan adalah air, tar, etilena (C2H4), etana (C2H6), asetilena (C2H2), karbon dioksida (CO2), metana (CH4), karbon monoksida (CO), dan hidrogen (H2). Tahap kedua setelah pirolisis adalah gasifikasi yang terjadi pada saat proses aktivasi. Gasifikasi melibatkan uap air sebagai zat aktifator (Sugianto, 2009). Pada reaksi gasifikasi, selain penguraian, terjadi pula pembentukan gas-gas, cairan yang terkondensasi, tar, juga padatan produk karbon aktif, dengan keberadaan gas-gas reaktif bertekanan. Unsur karbon, hidrogen dan oksigen yang merupakan tiga komponen utama dalam sistim gasifikasi, diasumsikan

(6)

6

sebagai fasa gas dalam bentuk CO, CO2, H2, H2O dan CH4 (Baron,1978). Pada proses aktivasi, reaksi gasifikasi karbon dan uap air akan menghasilkan komposisi utama gas CO dan H2 yang dikenal sebagai gas sintesis (syngas) dan dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar (Durie”, 1978). Pada saat bersamaan, reaksi karbon dengan uap air mengakibatkan permukaan dan distribusi pori semakin luas. Hal tersebut disebabkan tar yang terbentuk pada saat pirolisis dan menutupi permukaan pori-pori karbon turut terbakar dan bereaksi dengan uap air. Meningkatnya luas permukaan dan pori-pori mengakibatkan karbon memiliki daya serap yang lebih baik.

2.2 Energi pada proses aktivasi

Pada proses aktivasi, reaksi gasifikasi karbon dengan uap air akan menghasilkan energi kalor yang menyertai sistim reaksi tersebut. Kalor yang terbentuk dapat bersifat eksoterm (melepaskan) atau endoterm (menerima), yang disebut sebagai entalpi pembakaran dan dinyatakan dalam kJ/mol. Perhitungan nilai entalpi pada setiap reaksi yang terjadi merupakan konsep dasar untuk menghitung energi yang dibutuhkan dan dilepaskan, sehingga dapat menjadi dasar untuk merancang dan menentukan kalor reaksi dalam proses pembuatan karbon aktif. Reaksi dasar gasifikasi digambarkan sebagai berikut (Klein, 2002).

1) C + O2 CO2 -393 kJ/mol (eksoterm)

2) C + H2O CO + H2 +131 kJ /mol (endoterm) 3) C + CO2 2CO +172 kJ/mol (endoterm) 4) C + 2H2 CH4 -74 kJ/mol (eksoterm) 5) CO + H20 CO2 + H2 -41 kJ/mol (eksoterm) 6) CO + 3H2 CH4 + H20 -205 kJ/mol (eksoterm)

Seluruh reaksi di atas bersifat reversible dan kecepatannya tergantung pada temperatur, tekanan dan konsentrasi oksigen di dalam sistim.

2.3 Pemanfaatan karbon aktif

Adsorpsi adalah peristiwa penyerapan suatu zat, ion atau molekul yang melekat pada permukaan, dimana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan pengadsorpsi atau adsorben. Sifat adsorpsi partikel koloid banyak dimanfaatkan dalam proses penjernihan air atau pemurnian suatu bahan yang masih mengandung pengotor.

(7)

7

Partikel koloid mempunyai permukaan yang luas sehingga mempunyai sifat adsorpsi yang besar. Terjadinya adsorpsi pada permukaan larutan disebabkan adanya kekuatan atau gaya tarik – menarik antara atom atau molekul pada permukaan larutan. Peristiwa penyerapan suatu zat pada permukaan zat lain disebut adsorpsi, zat yang diserap disebut fasa terserap (adsorbat), sedangkan zat yang menyerap disebut adsorben. Peristiwa adsorpsi disebabkan oleh gaya tarik molekul dipermukaan adsorben.

Pemanfaatan karbon aktif erat berhubungan dengan sifat adsorpsi, adsoban dan adsorbat. Sifat adsorpsi memungkinkan karbon aktif untuk digunakan pada fasa cair seperti pengolahan/pemurnian air atau limbah. Berdasarkan hasil survey secara langsung ke pengguna karbon aktif dan hasil uji coba pemanfaatan di laboratorium, karbon aktif dengan kualitas seperti kualitas hasil percobaan, banyak digunakan oleh masyarakat yang mengembangkan budidaya tambak udang. Perbedaannya, karbon aktif yang selama ini digunakan di tambak udang terbuat dari tempurung kelapa. Tambak udang adalah industri yang berkembang dalam skala besar maupun rumahan, umumnya berlokasi di dekat pantai. Pemanfaatan karbon aktif di tambak udang untuk filtrasi, yaitu proses menyaring air laut dari air yang berisi beragam partikel/kotoran menjadi air yang bersih, jernih dan bebas dari mikroorganisme (BPBIALP, 2010). Sebagai gambaran, Gambar 2.1 dan 2.2 memperlihatkan pemanfaatan karbon aktif pada sistim filtrasi budidaya tambak udang yang berlokasi di Pangandaran-Ciamis, Jawa Barat.

(8)

8

Gambar 2.1 Kemasan karbon aktif Gambar 2.2 Sistim filtrasi di tambak udang

yang digunakan di tambak udang

Filtrasi air laut perlu dilakukan, karena budidaya udang membutuhkan kualitas air tertentu. Parameter pengukuran kualitas air tambak cukup beragam, diantaranya pH, salinitas, alkalinitas, N-NH4, ORP dan Br2.

- pH

pH adalah derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu larutan. pH air laut umumnya bersifat alkalis (pH > 7) karena bergaram. pH air tambak terdiri atas kondisi tanah dasar dan konsentrasi CO2 terlarut. Peningkatan level pH yang terlalu rendah dapat dilakukan dengan pengapuran, sedangkan pH yang terlalu tinggi dapat dilakukan dengan pengasaman. Tabel 2.1 mencantumkan ukuran pH pengaruhnya terhadap kondisi kultur

pertumbuhan udang.

Tabel 2.1 Pengaruh pH pada pertumbuhan udang (ITB, 2009)

- Salinitas

Salinitas adalah tingkat keasinan atau kadar garam, yang menggambarkan konsentrasi seluruh larutan garam yang terdapat dalam air laut. Konsentrasi garam-garam dalam air laut jumlahnya relatif sama. Beberapa jenis ikan seperti bandeng,

pH air Kondisi kultur

< 4.5 Air bersifat toksik

5 –6.5 Pertumbuhan udang terhambat; pengaruh pada ketahanan tubuh

6.5 –9.0 Pertumbuhan optimal

(9)

9

kakap, nila dan mujair memiliki toleransi salinitas yang luas. Untuk mengurangi atau mengubah salinitas air biasanya dilakukan dengan penggantian air atau penambahan air tawar. Tabel 2.2 mencantumkan klasifikasi air berdasarkan tingkat salinitas.

Tabel 2.2 Klasifikasi air berdasarkan tingkat salinitas Istilah Salinitas (ppt) Air tawar : Fresh water < 0,5 Oligohaline 0,5 –3,0 Air payau : Mesohaline 3,0–16,0 Polyhaline 16,0 –30,0

Air asin (marine) 30,0 –40,0

Kisaran salinitas optimal pada budidaya udang/ikan tambak adalah 12-20 ppt. Persyaratan salinitas dibutuhkan untuk mengatur keseimbangan cairan tubuh ikan dan air tambak (proses osmoregulasi), sedangkan energi yang berasal dari pakan digunakan secara maksimal untuk pertumbuhan.

- Alkalinitas

Alkalinitas adalah konsentrasi total dari unsur basa-basa yang terkandung dalam air, dan umumnya dinyatakan dalam satuan mg/L (ppm). Basa terkandung dalam bentuk ion karbonat dan bikarbonat akan mempengaruhi tingkat kesadahan dan pH air. Namun pada dasarnya, unsur-unsur karbonat dan bikarbonat juga berperan sebagai buffer (penyangga pH) untuk menjaga kestabilan pH. Pengapuran dengan penambahan kapur dolomit pada tambak, umum dilakukan untuk menyuplai unsur basa (karbonat), serta meningkatkan pH (dilakukan pada sore hari). Untuk pertumbuhan optimal plankton, diperlukan total alkalinitas dengan kisaran 80 –120 ppm. Alkalinitas yang tidak sesuai akan mmoni efek pada pertumbuhan dan produksi ikan budidaya.

- Ammonia

Hewan akuatik umumnya mengekskresikan mmonia (NH3) sebagai hasil dari proses mmonia sm dan sebagai produk ekskretori (dari ginjal dan jaringan insang). Amonia

(10)

10

juga dihasilkan dari dekomposisi protein sisa pakan atau plankton yang mati. Di perairan, mmonia umumnya terlarut dalam bentuk NH4+. Kadar mmonia di perairan akan meningkat seiring dengan peningkatan suhu dan pH. Toksisitas mmonia lebih besar pada suhu dan pH tinggi (lebih beracun dan berbahaya bagi ikan). Untuk mengatasi hal tersebut, dilakukan dengan cara pergantian air sehingga dapat mengatasi konsentrasi ammonia yang terlalu tinggi. Konsentrasi maksimal mmonia dalam tambak ~ 0,1 ppm.

III. PROGRAM KEGIATAN

Pelaksanaan kegiatan mengacu pada ruang lingkup kegiatan dengan keterangan sebagai berikut.

3.1 Optimalisasi pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara

3.1.1 Persiapan peralatan untuk proses karbonisasi dan aktivasi

Persiapan peralatan dilakukan dengan melakukan kegiatan sebagai berikut ; - kalibrasi waktu tinggal di dalam kiln

- pemasangan stopper dan lifter - pengaturan distribusi uap air

- pengujian kestabilan temperatur di dalam kiln dengan menggunakan tungku siklon

3.1.2 Proses karbonisasi

Analisis karakteristik dan preparasi batubara untuk proses karbonisasi, dengan variabel proses sebagai berikut ;

- temperatur karbonisasi 500-600°C, - jumlah umpan 60 kg/jam,

- waktu tinggal 2 jam, putaran kiln 1,5 rpm dan ukuran butir batubara 1, 3 dan 5 cm

(11)

11

- preparasi semikokas untuk analisis karakteristik semikokas dan proses aktivasi - aktivasi, dengan variabel proses ; temperatur aktivasi 900°C, laju umpan 17,5,

35 dan 52,5 kg/jam, putaran kiln 0,5 rpm, ukuran semikokas antara +6, -6+12 dan -12+20 mesh, pengaturan distribusi uap air sepanjang ruang kiln dengan kapasitas boiler 200 kg/jam

3.1.4 Analisis kualitas produk

Meliputi analisis kualitas menurut Standar Industri Indonesia, seperti bilangan yodium, metilen biru, kadar air, abu, karbon aktif murni, bagian yang hilang pada pemanasan 950°C dan kerapatan jenis curah

3.2 Pemasangan instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam dan exhauster yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi (rotary kiln)

- Persiapan tempat dan peralatan yang diperlukan untuk instalasi boiler

kapasitas 300 kg/jam dan exhauster, yang terhubung dengan reaktor aktivasi - Pemasangan instalasi boiler dan exhauster

- Pengujian kinerja boiler dan exhauster 3.3 Uji coba pemanfaatan karbon aktif batubara

- Uji coba pemanfaatan merupakan kelanjutan dari hasil uji coba pemanfaatan yang dilakukan di laboratorium, dan pelaksanaannya dilakukan pada tambak udang bekerjasama dengan Balai Pengembangan Benih Ikan Air Payau dan Laut, di Pangandaran Ciamis

3.4 Evaluasi hasil percobaan dan keekonomian produk (draft FS) 3.5 Desain umum (draft) peralatan utama reaktor aktivasi karbon aktif 3.6 Pembuatan laporan

4. METODOLOGI

4.1 Peralatan yang digunakan ;

-

1 unit reaktor aktivasi (rotary kiln) berkapasitas 1 ton/hari, yang

dilengkapi dengan pembakar berupa tungku siklon, bucket elevator,

feeder, cooler dan scrubber (Gambar 4.1)

(12)

12 -

Crusher dan screen

-

Peralatan laboratorium seperti timbangan analitik, pemanas, buret,

beaker glass, corong, erlenmeyer, pengaduk dan kertas saring untuk

analisis kualitas produk

Gambar 4.1 Reaktor aktivasi (rotary kiln)

4.2 Bahan yang digunakan ;

- Batubara dari Air Laya PT Tambang Batubara Bukit Asam, Sumatera Selatan - Bahan kimia seperti larutan yodium, kalium yodida, asam klorida, natrium tio

sulfat dan di-natrium karbonat 4.3 Prosedur kegiatan

Cara kerja pembuatan karbon aktif relatif sederhana. Pertama, masing-masing batubara yang berukuran 1, 3 dan 5 cm dikarbonisasi dengan menggunakan reaktor aktivasi pada temperatur 500-600 ºC. Dengan laju umpan 60 kg/jam, dan kecepatan putaran kiln 1,5 rpm, maka waktu yang dibutuhkan untuk proses karbonisasi ± 2 jam. Bahan bakar yang digunakan adalah batubara, dengan sistim pemanasan langsung, yaitu batubara secara langsung dipanaskan dan dibakar di dalam reaktor aktivasi. Kestabilan temperatur selama proses berlangsung diatur melalui pengaturan

(13)

13

selanjutnya dilakukan analisis karakteristik semikokas yang terdiri atas analisis kadar air, abu, zat terbang dan karbon tertambat. Sedangkan untuk proses aktivasi, semikokas digerus dan diayak untuk memperoleh ukuran butir +6, -6+12 dan -12+20 mesh. Masing-masing ukuran semikokas tersebut selanjutnya diaktivasi pada temperatur

900ºC

dengan laju umpan masing-masing 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam. Setelah proses

pembuatan karbon aktif selesai, selanjutnya dilakukan analisis kualitas karbon

aktif yang meliputi analisis bilangan yodium, metilen biru, air, abu, bagian yang

hilang pada pemanasan 950°C dan karbon aktif murni, sesuai persyaratan

kualitas menurut Standar Industri Indonesia.

Dua kegiatan lainnya adalah mempersiapkan pemanfaatan energi gas buang, dengan pemasangan pipa-pipa yang menghubungkan boiler berkapasitas 300 kg/jam dengan reaktor aktivasi, dan uji coba pemanfaatan secara langsung di tambak udang. Pada prinsipnya, bagan alir proses pembuatan karbon aktif dapat dilihat pada Gambar 4.2 Raw Batubara Shake feeder CrusherScreen

Rotary Kiln (karbonisasi) Siklon Burner

Roll mill

Rotary kiln (aktivasi)

Siklon burner

Boiler

Screen

Karbon aktif Semikokas

(14)

14

5. HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1 Optimalisasi pembuatan karbon aktif

Optimalisasi dilakukan terhadap dua proses utama pembuatan karbon aktif, yaitu proses karbonisasi dan aktivasi. Sebelum kegiatan tersebut dilaksanakan, terlebih dahulu dilakukan kalibrasi waktu tinggal, pengaturan kembali distribusi uap air dan pengujian kinerja tungku siklon. Kalibrasi waktu tinggal dilakukan dengan cara penempatan kisi-kisi atau stopper di dalam kiln pada kecepatan dan kemiringan kiln tetap. Sedangkan pengaturan distribusi uap air dengan cara mendistribusikan uap air pada posisi sepanjang ruang kiln. Pemasangan kisi-kisi dan pengaturan kembali distribusi uap air bertujuan agar kontak bahan dengan uap air dapat lebih merata. Sistim penempatan kisi-kisi dan pipa uap air di dalam kiln dapat dilihat pada Gambar 5.1

Gambar 5.1 Sistim kisi-kisi dan distribusi uap di dalam kiln

Percobaan dilakukan dengan mengoptimalkan penggunaan tungku siklon terhadap proses pembuatan karbon aktif. Tungku siklon yang berbahan bakar batubara berbentuksilinder dengan diameter dalam 65 cm, diameter luar 102 cm, dan panjang 150 cm (Gambar 5.2).

(15)

15

Gambar 5.2 Tungku siklon berbahan bakar batubara

Untuk kiln dengan kapasitas 1 ton/hari dan temperatur yang diinginkan pada ruang 1 adalah 900˚C, laju pengumpanan batubara sebagai bahan bakar adalah 60 kg/jam. Jumlah umpan tersebut menghasilkan panas di dalam kiln mencapai ±800°C, sedangkan temperatur di dalam tungku siklon mencapai >1000°C. Kegiatan optimalisasi dilakukan terhadap proses karbonisasi dan aktivasi, dengan pengujian dan pengamatan terhadap faktor-faktor yang dapat meningkatkan daya serap karbon aktif, seperti temperatur, ukuran butir umpan dan waktu tinggal.

5.1.1 Optimalisasi proses karbonisasi

Optimalisasi karbonisasi tahun 2010 dilakukan dengan mengacu pada kondisi dan hasil karbonisasi tahun 2009. Perbedaannya, karbonisasi tahun 2009 menggunakan bahan bakar minyak, sedangkan karbonisasi yang dilakukan pada tahun 2010 menggunakan batubara sebagai bahan bakar. Kondisi proses karbonisasi berlangsung pada temperatur 500-600˚C. Pada kecepatan putaran kiln 1,5 rpm, dengan laju umpan 60 kg/jam diperoleh waktu tinggal selama ± 2 jam. Contoh batubara yang digunakan adalah batubara Air Laya dari PT Tambang Batubara Bukit Asam Persero, Sumatera Selatan, dengan karakteristik seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5.1.

Tabel 5.1 Karaktaristik batubara sebagai bahan baku karbon aktif Nama contoh Air lembab

%adb Abu %adb Zat terbang %adb Karbon tertambat %adb

(16)

16

Batubara Air Laya 18,6 4,8 38,6 38,0

Variabel proses karbonisasi dilakukan dengan ukuran butir batubara 1, 3 dan 5 cm. Penetapan parameter ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh ukuran butir batubara terhadap pembentukan semikokas yang diindikasikan dengan berkurangnya kadar zat terbang. Hasil percobaan dengan variabel ukuran butir memperlihatkan bahwa batubara yang berukuran 1, 3 dan 5 cm tidak mempengaruhi proses penurunan kadar zat terbang. Artinya, proses karbonisasi dengan tiga ukuran berbeda, menghasilkan semikokas dengan spesifikasi kadar zat terbang yang relatif sama. Begitu pula pengaruhnya terhadap bentuk semikokas, ketiga ukuran ukuran batubara yang berbeda tersebut menghasilkan semikokas yang berukuran sama, yaitu <1 cm. Oleh karena itu, untuk setiap proses karbonisasi lanjutan, digunakan batubara dengan ukuran butir 3 cm, dengan pertimbangan ukuran tersebut sesuai dengan spesifikasi screw feeder pada rotary kiln.

Penentuan spesifikasi semikokas mengacu pada persyaratan ideal bahan baku karbon aktif menurut Standar Industri Indonesia 0258, seperti yang yang ditunjukkan pada Tabel 5.2.

Tabel 5.2 Spesifikasi persyaratan ideal arang untuk karbon aktif (SII, 1999)

Karakteristik Satuan Ukuran

Karbon tertambat % 70 – 80

Air % 3 -10

Abu % 1 – 2

Zat terbang % 15 – 20

Spesifikasi pada Tabel 5.2, merupakan persyaratan bahan baku yang digunakan untuk memproduksi karbon aktif dari tempurung kelapa. Oleh karena spesifikasi bahan baku ideal dari batubara peringkat rendah belum ada, maka spesifikasi pada Tabel 5.2 menjadi acuan setiap proses karbonisasi batubara yang dilakukan. Adapun hasil karbonisasi dengan menggunakan bahan bakar batubara (tungku siklon), ditunjukkan pada Tabel 5.3.

Tabel 5.3 Spesifikasi semikokas hasil karbonisasi Ukuran

(17)

17

Nama Contoh Air (%) Abu

(%) Zat terbang (%) tertambat(%) Karbon

Semi kokas Air Laya 2-7 4-13 15-20 60-80

Bila mengacu pada persyaratan ideal bahan baku, spesifikasi semikokas pada Tabel 5.3 telah memenuhi persyaratan. Kadar zat terbang yang menjadi indikator utama terbentuknya semikokas telah mencapai nilai yang diinginkan yaitu 15-20%. NIlai tersebut tercapai pada temperatur karbonisasi berkisar antara 500-600˚C. Namun secara keseluruhan, 65 % dari data pengamatan menunjukkan kadar di atas tidak stabil dan fluktuatif. Berdasarkan hasil evaluasi data, ketidakstabilan tersebut disebabkan oleh ketidakstabilan temperatur karbonisasi. Gambar 5.3 menunjukkan grafik hasil karbonisasi.

Gambar 5.3 Pengaruh temperatur terhadap penurunan kadar zat terbang, air dan abu

Pada Gambar 5.3, pengukuran temperatur pada ruang 1 (T1) dan ruang 2 (T2) menunjukkan ketidakstabilan temperatur pada saat karbonisasi. Temperatur di siklon yang mencapai >1000°C menjadi kendala meskipun laju umpan dan udara yang masuk ke dalam tungku siklon di kurangi. Kenaikan temperatur >600˚C, menyebabkan bahan karbon terbakar menjadi abu. Pada kondisi demikian, selain mematikan inverter dan blower, exhauster yang berfungsi menghisap gas panas di dalam sistim juga dimatikan, untuk menghindari udara masuk ke dalam kiln. Tidak difungsikannya exhauster mengakibatkan tekanan di dalam kiln lebih besar dari tekanan atmosfir,

(18)

18

sehingga gas panas keluar dari sistim. Sedangkan dihentikannya pemasukan umpan batubara ke dalam siklon menyebabkan temperatur turun secara drastis menjadi <300˚C. Akibat kondisi tersebut, kadar zat terbang yang menjadi acuan terbentuknya semikokas menjadi sangat fluktuatif. Oleh karena itu, pada proses karbonisasi berikutnya, dilakukan pengontrolan temperatur, dengan cara pemasangan thermocontrol. Secara teknis, thermocontrol terhubung dengan inverter feeder dan blower pada tungku siklon, sehingga secara otomatis apabila temperatur melebihi besaran yang ditetapkan, maka inverter dan blower tidak akan berfungsi. Hasil karbonisasi dengan cara pengontrolan menggunakan thermocontrol, ditunjukkan dalam Gambar 5.4.

Gambar 5.4. Pengaruh temperatur terhadap penurunan kadar zat terbang, air dan abu setelah pemasangan thermocontrol

Grafik pada Gambar 5.4 menunjukkan kestabilan temperatur di T1 dan T2 tercapai pada 500-600°C setelah jam ke 5,yang menghasilkan kadar zat terbang antara 7-14%. Bila mengacu pada persyaratan bahan baku, nilai ini tidak memenuhi spesifikasi yang ditetapkan. Namun demikian, dari sisi kestabilan temperatur, telah diperoleh kondisi optimal penggunaan tungku siklon untuk proses karbonisasi batubara.

(19)

19

Proses aktivasi adalah proses peningkatan luas permukaan terhadap semikokas hasil karbonisasi. Parameter proses aktivasi adalah variabel ukuran butir +6, -6+12 dan -12+20 mesh, dan laju umpan 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam. Variabel ini telah dilakukan pada tahun 2009, namun dengan kondisi distribusi uap air dari satu arah dan menggunakan bahan bakar minyak. Penentuan laju umpan sangat berpengaruh terhadap waktu tinggal. Berdasarkan hasil kalibrasi, laju umpan 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam menghasilkan waktu tinggal masing-masing selama 6, 3 dan 1,5 jam. Berdasarkan hasil pengukuran daya serap karbon aktif melalui analisis bilangan yodium, diperoleh hasil seperti ditunjukkan pada Gambar 5.5.

Gambar 5.5 Pengaruh waktu tinggal terhadap bilangan yodium

Bilangan yodium didefinisikan sebagai kemampuan per gram karbon aktif dalam menyerap per miligram zat anorganik. Semakin tinggi nilai bilangan yodium, semakin baik kualitas karbon aktif (Ningrum, 2000). Analisis bilangan yodium merupakan pengujian standar kualitas karbon aktif dan secara langsung dapat dilakukan di lapangan. Semakin tinggi nilai bilangan yodium, maka daya serap dan kualitas karbon aktif semakin baik. Hal tersebut disebabkan pada saat proses aktivasi, terjadi reaksi antara karbon dan uap air yang mengakibatkan pori-pori karbon terbuka dan permukaan semakin luas. Peningkatan daya serap dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya laju alir atau distribusi kontak uap air dan bahan karbon, ukuran butir umpan, serta waktu tinggal selama proses berlangsung. Secara teoritis, semakin kecil ukuran butir, permukaan dan volume pori semakin besar. Sedangkan untuk laju umpan, semakin kecil jumlah umpan, maka waktu tinggal di dalam kiln semakin lama.

(20)

20

Berdasarkan hasil analisis bilangan yodium yang ditunjukkan pada Gambar 5.5, daya serap terbaik diperoleh dari ukuran butir semikokas -12+20 mesh dengan laju umpan 17,5 kg/jam ( waktu tinggal ± 6 jam), yang mencapai bilangan yodium rata-rata 785 mg/gr, dan tertinggi tercatat mencapai 853 mg/gr. Begitu pula dengan laju umpan 35 kg/jam, rata-rata bilangan yodium adalah 723 mg/gr. Hal ini menunjukkan, bahwa semakin lama waktu proses, maka daya serap yang diperoleh semakin baik. Sebaliknya, terhadap ukuran butir semikokas + 6 mesh, pada laju umpan 17,5 kg/jam, rata-rata bilangan yodium adalah 574 mg/gr. Artinya, semakin besar ukuran butir semikokas maka semakin kecil luas permukaan dan volume pori. Secara keseluruhan, kualitas karbon aktif batubara hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 5.4, yang dibandingkan dengan hasil percobaan tahun 2009 dengan menggunakan contoh batubara sejenis, namun telah dikarbonisasi di Tanjung Enim menggunakan alat karbonisasi dari NEDO. Tabel 5.4 juga mencantumkan spesifikasi kualitas karbon aktif menurut SII atau komersil.

Tabel 5.4. Kualitas karbon aktif hasil uji coba dan persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia /komersil

No Parameter Satua n Kualitas karbon aktif hasil uji coba Kualitas karbon aktif tahun 2009 Kualitas karbon aktif (SII,1999)/komersil 1 Bagian yang hilang

pada pemanasan 950°C % 6 6 15-25 2 Air % 10 5 4-15 3 Abu % 8 18 2-10 4 Bilangan yodium mg/g 600-800 500-750 750-1200 (400-1200)*

5 Karbon aktif murni % 75 75 60-80

6 Adsorpsi benzene % - - 25

7 Bilangan metilen biru

mg/g 60 50 60-120

(21)

21

curah

*Kualitas karbon aktif komersil/di pasaran

Dibandingkan hasil percobaan tahun 2009, kualitas karbon aktif mengalami peningkatan. Menurut Standar Industri Indonesia, persyaratan nilai bilangan yodium antara 750 – 1200 mg/gr. Namun berdasarkan hasil survey secara langsung pada pengguna dan pasar karbon aktif, kualitas karbon aktif dengan nilai bilangan yodium 300-400 mg/gr telah digunakan dan dijual secara komersil. Dari delapan parameter di atas, bilangan yodium 500-750 mg/gr menjadi 600-800 mg/gr. Begitu pula dengan kadar abu. Berkurangnya kadar abu dari 18 menjadi 8% disebabkan distribusi uap air sepanjang ruang kiln telah mengurangi kenaikan temperatur. Berdasarkan hasil pengamatan selama proses aktivasi berlangsung, pada saat umpan masuk ke dalam kiln, temperatur di ruang 1dari 800°C naik menjadi ±1000°C. Kenaikan temperatur disebabkan reaksi pembakaran karbon bersifat eksotermis (menghasilkan panas). Namun pada saat uap air dialirkan, temperatur dari 1000°C turun menjadi ±900°C. Penurunan temperatur disebabkan reaksi karbon dengan uap air bersifat endotermis (membutuhkan panas) sehingga terjadi kesetimbangan reaksi selama proses berlangsung (Klein, 2002). Oleh karena itu, kesetimbangan reaksi antara karbon, oksigen dan uap air harus terkontrol sehingga mengurangi resiko terbakarnya bahan menjadi abu. Kadar abu tinggi akan mempengaruhi perolehan karbon aktif murni, yang merupakan perhitungan pengurangan 100% terhadap bagian yang hilang pada pemanasan 950°C dan kadar abu. Untuk analisis adsorpsi benzene, tidak dilakukan karena keterbatasan peralatan.

Berdasarkan hasil optimalisasi secara keseluruhan, selain dari sisi kualitas produk, ditinjau dari sisi keekonomian, proses menggunakan tungku lebih murah. Untuk proses aktivasi pada kapasitas umpan bahan baku 1 ton/hari dan temperatur yang diinginkan di dalam kiln mencapai 900°C, konsumsi BBM berkisar antara 30 L/jam atau ± 720 L/ton. Sedangkan proses dengan menggunakan tungku siklon, untuk kondisi yang sama, dibutuhkan batubara sebesar 60 kg/jam atau 1440 kg/ton. Jika asumsi harga BBM industri adalah Rp 7.000,-/L, dan batubara Rp 1.250,-/kg, maka dari tingkat efisiensi

(22)

22

biaya produksi terjadi penghematan sebesar ± 65% lebih murah penggunaan batubara dari pada menggunakan bahan bakar minyak.

5.2 Uji coba pemanfaatan

Hasil survey secara langsung ke industri pengguna karbon aktif dan hasil uji coba pemanfaatan di laboratorium, menunjukkan bahwa karbon aktif batubara dengan kualitas seperti pada Tabel 5.4 dapat digunakan untuk penjernihan/pemurnian air, pengolahan limbah dan penyerap bau. Oleh karena itu, pemanfaatan pada sektor ini menjadi prioritas utama uji coba pemanfaatan karbon aktif batubara hasil percobaan. Salah satu objek pemanfaatan pada fasa cair adalah pada sektor perikanan, yaitu budidaya tambak udang di daerah Pangandaran Ciamis. Berdasarkan analisis contoh karbon aktif yang digunakan di tambak udang, diperoleh bahwa karbon aktif yang digunakan mempunyai bilangan yodium berkisar antara 200-400 mg/gr. Karbon aktif yang digunakan terbuat dari tempurung kelapa dengan harga berkisar antara Rp 4.000,- - Rp 8.000,-/kg, dan digunakan sebagai filterisasi air laut. Hasil kunjungan ke Balai Pembenihan Dan Pembibitan Ikan Air Laut dan Payau di Pangandaran, dibutuhkan adsorben yang berfungsi selain sebagai filter air laut, juga sebagai adsorben yang mengurangi resiko berkembangnya mikroorganisme yang dapat membunuh benih udang. Berdasarkan pengujian pemanfaatan di laboratorium, diperoleh hasil seperti yang tercantum pada Tabel 5.5, sedangkan uji coba pemanfaatan secara langsung di lapangan dapat dilihat pada Gambar 5.6.

Tabel 5.5 Hasil uji coba pemanfaatan pada tambak udang

Nama contoh Hasil analisis

pH Salinitas Alkalinitas N-NH4+ ( - ) ( ppt ) ( mg/L ) ( mg/L ) Nilai baku mutu air yang

ditetapkan 8,0-8,40 30 120-180 0,5

Sebelum proses 8,06 tt 139 0,27

Setelah proses adsorpsi karbon aktif

(23)

23

Berdasarkan hasil percobaan di laboratorium, dengan variabel ukuran karbon aktif +6, -6+12 dan -12+20 mesh, jumlah karbon aktif sebesar 5, 10 dan 15 gram, dan waktu kontak 20, 40 dan 60 menit, pH, salinitas dan alkalinitas dapat diturunkan. Hasil terbaik, penurunan pH mencapai nilai 7,41 kurang dari nilai baku mutu air yang ditetapkan. Namun bila mengacu pada Tabel 2.1, nilai pH tersebut masih memenuhi nilai kisaran untuk pertumbuhan optimal budidaya udang. Begitu pula dengan alkalinitas dan ammonia. Untuk memenuhi nilai baku mutu air yang ditetapkan, penambahan karbon aktif dapat dilakukan dengan pengaturan jumlah dan ukuran butir karbon aktif, dan mempersingkat waktu kontak dengan adsorbat. Berdasarkan hasil laboratorium tersebut, selanjutnya pemanfaatan secara langsung di lokasi dilakukan dengan menempatkan karbon aktif batubara di dalam bak penampungan (Gambar 5.6).

Gambar 5.6. Pemanfaatan karbon aktif di tambak udang

Bak penampungan pada Gambar 5.6 (a) berisi karbon aktif berjumlah ±100 kg untuk kapasitas air ±10.000 m3_{, dengan masa penggunaan selama 2 bulan. Setelah diproses} selama 24 jam, selanjutnya dialirkan ke dalam bak kedua (b) yang berisi benur udang untuk proses perkembanganbiakkan. Keberhasilan uji coba pemanfaatan ini diharapkan menjadi bahan sosialisasi pemanfaatan karbon aktif batubara secara luas, terutama pada budidaya tambak udang yang selama ini menggunakan karbon aktif tempurung kelapa.

5.3 Instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam dan exhauster yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi (rotary kiln)

Pada aktivasi fisika karbon aktif dengan uap air, boiler merupakan unit yang sangat vital. Selama ini boiler yang digunakan berkapasitas 200 kg/jam dan menggunakan bahan bakar minyak. Sistim demikian sangat mahal dan akan menjadi kendala

(24)

24

apabila hasil litbang tersebut diterapkan di masyarakat. Selama proses aktivasi, reaksi karbon dan uap air adalah gas CO dan H2 yang terbuang ke udara terbuka. Berdasarkan hasil pengukuran pada cerobong pembuangan gas, temperatur mencapai 600-700°C. Oleh karena itu, sebagai tahap awal untuk mengoptimalkan sistim proses, telah dilakukan pemasangan instalasi boiler yang terintegrasi dengan rotary kiln (Gambar 5.10). Kegiatan tersebut merupakan tahap persiapan untuk pemanfaatan energi gas buang sebagai bahan bakar boiler.

Gambar 5.7 Integrasi boiler kapasitas 300 kg/jam dengan rotary kiln

Hasil pengujian kinerja boiler menunjukkan bahwa boiler berfungsi dengan baik. Kapasitas boiler adalah 300 kg/jam, dengan volume air sebesar 540 liter dan tekanan 0,8 Mpa (8 bar). Temperatur untuk memproduksi uap air mencapai 151°C dan dibutuhkan waktu sekitar 30 menit untuk mencapai kondisi demikian. Konsumsi solar sebelum modifikasi (sebagai initial combustion) adalah 20 Liter/jam. Unjuk kerja boiler kapasitas 300 kg/jam ditunjukkan pada Gambar 5.11.

(25)

25

6. KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil dan pembahasan dari kegiatan tahun anggaran 2010, diperoleh kesimpulan sebagai berikut.

- Proses pembuatan karbon aktif dari batubara dapat dilakukan dengan menggunakan rotary kiln berbahan bakar batubara (tungku siklon), dan menghasilkan karbon aktif batubara dengan kualitas sesuai persyaratan kualitas karbon aktif komersil atau menurut Standar Industri Indonesia.

- Sistim distribusi uap air sepanjang ruang kiln, telah mengurangi resiko terbakarnya bahan menjadi abu sehingga meningkatkan daya serap karbon aktif.

- Karbon aktif batubara hasil percobaan telah dapat digunakan untuk proses penjernihan air pada budidaya udang yang selama ini menggunakan karbon aktif tempurung kelapa. Hasil uji coba, pH dari 8,06 turun menjadi 7,41, alkalinitas dari 139 menjadi 74 mg/L, sedangkan N-NH4+ dari 0,27 menjadi 0,016 mg/L.

- Efisiensi proses pada penggunaan tungku siklon telah menghemat biaya produksi sebesar 65% lebih murah daripada penggunaan bahan bakar minyak, dan untuk memenuhi keekonomian produk perlu efisiensi terhadap penggunaan bahan bakar minyak pada boiler.

6.1 Saran

- Perlu penghematan biaya produksi dengan pemanfaatan energi gas buang sebagai bahan bakar boiler dengan sistim peralatan yang kontinyu dan terintegrasi - Perlu kestabilan proses karbonisasi dan aktivasi untuk memperoleh data secara

lebih spesifik sehingga diperoleh spesifikasi persyaratan bahan baku ideal dari batubara, kondisi proses pembuatannya, dan kualitas karbon aktif yang dihasilkan. - Perlu menetapkan keekonomian produk dan desain global peralatan pembuatan

(26)

26

DAFTAR PUSTAKA

1. Balai Benih dan Pembibitan Ikan Air Laut dan Payau, 2006. Standar Operasional Prosedur

2. BPPIAPL, 2010. Hatchery Udang L. vannamei

3. Baron, R., E., 1978. Chemical Equlibrium in Carbon-Hydrogen-Oxygen Sistim, MIT.Press, Cambridge

4. CSIRO Division of Process Technology, P.O. Box 136, North Ryde, N.S. W. 2173, Australia

(27)

27

5. Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Science et

Ge´nie des cole des Mines, 54042 Nancy, Cedex, France.

6. Daulay, Bukin, Dr., 2009. Evaluasi Kualitas Batubara Indonesia Dalam Upaya Penentuan Teknologi Pemanfaatan Yang Tepat, Orasi Pengukuhan Profesor Riset Bidang Teknik Bahan Bakar dan Pembakaran, Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral

7. Dirjen Minerba,

2010.http/www.esdm.go.id/modules/news/index.php?_article&news_id=2309 8. Durie” Robert A. and Harry N. S. Schafer, 1978. CSIRO Division of Process

Technology, P.O. Box 136, North Ryde, N.S. W. 2173, Australia, (Received 8 September 1978)

9. Fabrice, 2000 Coal Pyrolysis in a Rotary Kiln: Part I. Model of the Pyrolysis of a Single Grain

10. Jurgen, Keller, Reiner Staudt, 2005. Gas Adsorption Equilibria, Experimental Methods and Adsorption Isotherms, Chapter 1, Springer Science Inc. United State of Amerika.

11. Klein, Alexander, 2002 Gasification: An Alternative Processor Energi Recovery and Disposal of Municipal Solid Wastes, Earth Resources Engineering Department of Earth and Environmental Engineering Foundation School of Engineering and Applied Science Columbia University.

12. Perry., H. Robert, Green W. Don., 2007. Perry’s Chemical Engineers Handbook, 8 th Edition, The National Science Research Foundation, New York.

13. Standar Industri Indonesia, 1999. Departemen Perindustrian dan Perdagangan 14. Sugianto, Bambang., 2009. Kalor Pembakaran Berbagai Jenis Bahan Bakar.

http://www.chem-is-try.org

15. Strand, Gert, 2001. Activated Carbon for Purification of Alcohol, Malmoe, Sweden 16. ITB, 2009. Teknologi Pengelolaan Kualitas Air Bidang Akuakultur SITH, ITB –VEDCA –

SEAMOLEC.

17. Ramelan, Rahadi, 2006. Pengembangan Teknologi Untuk Industri. http://www/ leapidea.com/ presentasi/paperscreate date:2004-08-26

18. Yehaskel, A .1978. Activated Carbon, Manufacture and Regeneration, Noyes dasa corp, park ridge, N., Jersey

(28)

28

LAMPIRAN 1

KAJIAN KELAYAKAN EKONOMI

• kapasitas pabrik untuk memproduksi semikokas 30 ton/hari

• produksi karbon aktif 15 ton/hari

• bahan bakar batubara

• waktu operasional pabrik 24 jam/hari atau 300 hari/tahun

Asumsi biaya

Harga (Rp’000)

Biaya investasi (lahan, alat

dan bangunan)

17.896.485 Biaya produksi pertahun

-

Direct Manufacturing Cost (DMC)

- Indirect Manufacturing Cost (IMC)

- Fixed Manufacturing Cost - Total biaya produksi

11.457.441 1.201.814 1.968.613 14.627.869

Kriteria layak Rendemen Harga

(Rp/Kg) IRR (%) PP (Tahun) Kelayakan IRR > 15% PP < 10 thn Rendemen 30% 9.000 73,36 1,80 Layak 8.000 58,82 2,18 Layak 7.000 43,97 2,81 Layak 6.000 28,43 4,10 Layak 25% Rendemen 9.000 68,29 1,94 Layak 8.000 53,66 2,39 Layak 7.000 38,59 3,19 Layak 6.000 22,54 4,96 Layak 20% Rendemen 9.000 60,63 2,19 Layak 8.000 45,78 2,79 Layak

(29)

29

Grafik di atas menunjukan hubungan harga jual produk dengan IRR dan Payback Period, dengan rendemen 20%, 25%, dan 30%. Pada rendemen 25% dan 30% dengan harga jual Rp 6.000.-/kg, nilai IRR yang diperoleh adalah 22,54% dan 28,43% dengan payback periodnya di bawah 5 tahun. Nilai IRR tersebut menunjukan bahwa produksi memenuhi kriteria layak direalisasikan secara komersil karena nilai IRR > nilai bunga pinjaman (15%). Pada rendemen 20% dengan harga jual Rp 6.000.-/kg, IRR yang diperoleh adalah 12,87% dengan payback period 7,2 tahun. Artinya pada nilai rendemen 20% dengan harga jual Rp 6.000.-/kg, produksi karbon aktif tidak layak direalisasikan. Untuk memenuhi kriteria layak pada rendemen 20%, harga jual minimum harus Rp 7.000.-/kg, sehingga dicapai nilai IRR > nilai bunga pinjaman. Grafik di atas menyimpulkan bahwa semakin tinggi harga jual, maka semakin tinggi pula nilai IRR dan payback period akan semakin singkat.

7.000 30,23 3,97 Layak

(30)

30

LAMPIRAN 2

Draft Desain Umum

Proses Pembuatan Karbon Aktif Berbasis Batubara Dalam Skala Industri

1. Proses pembuatan karbon aktif dari batubara untuk skala industri

Dari kegiatan yang dilakukan di pilot plant Palimanan, maka secara garis besar

proses pembuatan karbon aktif digambarkan sebagai berikut.

Grinding Screening Carbonization Activation

Screening –

Grinding

Granular

Activated

Carbon

Powder

Activated

Carbon

Activated

Carbon

Grinding Coal Screening

Screening

(31)

31 Proses grinding

-

Proses penggerusan/penghancuran raw batubara bentuk bongkahan

menjadi ukuran 3 cm (untuk proses karbonisasi)

-

Spesifikasi batubara yang akan digunakan mengacu pada persyaratan

seperti yang tercantum pada Tabel 1

Tabel 1. Spesifikasi bahan baku batubara untuk pembuatan karbon

aktif

No

Karakteristik

Batubara

Persyaratan

spesifikasi

Tipikal hasil analisis

Ukuran

Satuan

Ukuran

Satuan

1 Kadar air

Max 20

%

18,8

%

2 Kadar abu

Max 5,0

%

3,0-5,0

%

3 Zat terbang 40,0-45,0

%

40,3

%

4 Karbon

padat

Min 39

%

39,9

%

5 Titik leleh

Min 1200

°C

1250

°C

Proses screening

-

Proses untuk memperoleh ukuran bahan baku atau produk yang

diinginkan

Proses karbonisasi

-

Temperatur proses 500-600°C dengan menggunakan tungku siklon

berbahan bakar batubara

(32)

32 -

Ukuran butir umpan raw batubara adalah 3 cm, dengan laju umpan 60

kg/jam dan waktu tinggal ± 1-2 jam

-

Spesifikasi hasil karbonisasi adalah semikokas yang mengacu pada

persyaratan arang untuk karbon aktif, seperti yang ditunjukkan pada

Tabel 5.2.

-

Perhitungan waktu tinggal (residence time) di dalam kiln dihitung

berdasarkan persamaan berikut.

t = 1,77 x L x √Q

P x D x R

dimana ; t = waktu tinggal, menit

L = panjang kiln, meter

Q = sudut kedudukan bahan di dalam kiln, derajat (°)

P = kemiringan kiln, derajat (°)

D = diameter kiln, meter

R = kecepatan putaran kiln, rpm

Proses aktivasi

-

Temperatur proses ±900°C dengan menggunakan tungku siklon berbahan

bakar batubara

-

Ukuran butir semikokas -12+20 mesh

-

Laju umpan 17,5 kg/jam dengan waktu tinggal ± 6 jam

-

Laju alir uap air 160-180 kg/jam dengan kapasitas boiler 200 kg/jam

2. Peralatan Produksi Karbon Aktif Dalam Bentuk Granular

Dari proses yang telah dijabarkan di atas maka kebutuhan peralatan yang

diperlukan dalam pembuatan karbon aktif berbasis batubara adalah

sebagai berikut :

1. Coal Loading Station

- Mini tractor

: untuk pemindahan batubara ke bucket elevator

- Bucket elevator : untuk pemindahan batubara ke shake feeder

(33)

33 - Shake feeder

: untuk pengaturan umpan masuk ke dalam kiln

2. Preparation Station

- Crusher

: untuk penggerusan raw batubara

- Feed resevoir

: untuk penampungan batubara hasil dari

crusher

- Screen

: untuk pengayakan batubara

3. Carbonization Station

- Screw conveyor : untuk pemindahan batubara dari screen ke kiln

- Belt conveyor

: untuk pemindahan semikokas ke dalam bucket

elevator pada

saat proses aktivasi

- Cyclone burner : burner berbahan bakar batubara

- Rotary kiln

: reaktor karbonisasi

4. Activation Station

- Bucket Elevator : untuk pemindahan semi kokas dari feed reservoir ke

dalam

kiln

- Rotary kiln

: reactor aktivasi

- Cyclone burner : burner berbahan bakar batubara

- Boiler

: menghasilkan uap air untuk proses aktivasi

5. Cooling Down Station

- Cooler

: untuk pendinginan karbon aktif secara alami

- Cooling tower

: cerobong pembuangan flue gas

(34)

34

Perhitungan Neraca Massa dan Neraca Energi

1. Proses Karbonisasi a. Mass Balance Base

Raw Coal = 105 kg/h

Assumed semi coke

product = 45 % (yield)

Inlet Outlet

1. Raw Coal = 105 kg/h 1. Semi Coke 45 % = 47,25 kg/h

Analysis result

(35)

35

Volatile Matter 37,73 % = 40 kg/h Volatile Matter 22,00 % = 10,40 kg/h Total Moisture 23,97 % = 25 kg/h Total Moisture 6,55 % = 3,09 kg/h 100,00 % 105 kg/h 100,00 % 47,25 kg/h 2. Flue Gas 55 % = 57,75 kg/h

2. Fine Coal Demand for Combustion Fine coal = 0,00 kg/h

0 kg/h 57,75 kg/h Volatile Matter 56,00 % = 32,34 kg/h Total Moisture 44,00 % = 25,41 kg/h 100,00 % 57,75 kg/h Total 105 kg/h Total 105,00 kg/h Outlet gas Massa Cp λ dT Q

(kg/h) (Kcal/kg.°C) (Kcal/kg) (°C) (Kcal/h)

Volatile Matter 32,34 0,384 375 4656,96

Total Moisture 25,41 1,008 375 9604,98

25,41 541,68 13764,09

25,41 30,090 300 229376,07

(36)

36

Q = 257402,1

Outlet semi cokes

Massa Cp λ dT Q

(kg/h) (Kcal/kg.°C) (Kcal/kg) (°C) (Kcal/h)

Fixed Carbon 33,76 0,146 375 1853,43 Volatile Matter 10,40 0,384 375 1496,88 Total Moisture 3,09 1,008 375 1169,86 3,09 541,68 1676,43 3,09 30,090 300 27937,44 Q = 34134,04

Heat Duty = 291536,1 Kcal/h Fine Coal

Demand = 61 kg/h

Menentukan Dimensi Rotary Kiln

Untuk kapasitas 1 ton/hari, maka idealnya dibutuhkan rotary kiln dengan dimensi sebagai berikut.

60 kg/jam x Bj batubara (

Diasumsikan, volume umpan = 0,8 m3 Keterisian reaktor 20 %

(37)

37

Vreactor = (100/20) x 0.8 m3 = 4 m3 Asumsi H = 2D Vreactor = ¼ π D2 H 4 m3 _{= ¼ π D}2_H 4 m3 _{= ¼ π D}2_2D 4 m3 _{= 0,785 D}2_2D D3 _{= 2,458} D = 0,85 m

Dari buku Perry’s Chemical Engineer : panjang rotary kiln / rotary dryer umumnya = 10 x diameter rotary kiln

Ukuran ideal berdasarkan perhitungan persamaan di bawah ini L = 10 D = 10 x 0,85 m = 8.5 m R = ½ D = ½ 0.85 = 0,425 m LAPORAN AKHIR 2010

(38)

38

Oleh : Ika Monika Slamet Suprapto Soemaryono Yenny Sofaeti Fahmi Soelistyohadi

PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA 2010

(39)

1

LEMBAR PENGESAHAN

OPTIMASI PRODUKSI KARBON AKTIF BERBASIS BATUBARA

Bandung, Desember 2010

Mengetahui : Pengusul/Ketua Tim,

Koordinator Kelompok Program Litbang

Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan

Batubara,

Ir. Suganal Ika Monika, S.Si.

NIP. 19570605 198303 1 002 NIP. 19640917 198603 2 001

Mengetahui/Menyetujui : Mengetahui :

Kepala Puslitbang tekMIRA, Kepala Bidang Program,

Ir. Hadi Nursarya, M.Sc. Drs. Ridwan Saleh NIP. 19540306 197803 1 001 NIP. 19561012 198103 1 001

(40)

(41)

i

KATA PENGANTAR

Penelitian pembuatan karbon aktif merupakan kegiatan multi year, yang saat ini telah mencapai tahap pilot yang berkapasitas 1ton/hari. Berbagai tahap proses untuk mengoptimalkan peralatan maupun kondisi proses telah dilakukan dan telah menghasilkan karbon aktif dengan kualitas sesuai Standar Industri Indonesia dan telah dapat digunakan pada proses pemanfaatan, terutama pada fasa cair. Untuk memenuhi kebutuhan pasar (komersil), faktor keekonomian menjadi pertimbangan utama. Oleh karena itu, telah dilakukan penghematan biaya produksi melalui substitusi bahan bakar minyak oleh batubara dan pemanfaatan energi panas dari gas buang sebagai bahan bakar boiler. Kedua langkah ini diharapkan dapat menghasilkan karbon aktif batubara dengan harga jual yang kompetitif dengan karbon aktif tempurung kelapa yang selama ini beredar luas di masyarakat.

Hasil kegiatan ini semoga dapat memberikan informasi yang bermanfaat dan menjadi acuan untuk pengembangan karbon aktif batubara secara komersil di Indonesia. Bandung, Desember 2010

Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara Ir. Hadi Nursarya, M.Sc.

(42)

ii

SARI

Sesuai dengan Rencana Strategis kegiatan litbang pengolahan dan pemanfaatan batubara di Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara yang mengarah pada penerapan hasil litbang di masyarakat, persiapan pelaksanaan komersilisasi penting dilakukan. Persiapan tersebut diantaranya adalah terkuasainya teknologi dengan memperhitungkan keekonomian produk sehingga layak untuk diterapkan di masyarakat. Substitusi BBM dengan batubara telah menghemat biaya proses sebesar ± 60% dari penggunaan bahan bakar minyak. Meskipun hasil efisiensi produksi cukup besar, namun perlu mengoptimalkan penggunaan tungku siklon sehingga proses dapat berlangsung secara maksimal dan menghasilkan kondisi proses seperti halnya penggunaan bahan bakar minyak. Optimalisasi dilaksanakan dengan percobaan pembuatan karbon aktif dengan mengacu pada hasil kegiatan tahun 2009, sedangkan dua kegiatan utama lainnya adalah melanjutkan efisiensi proses dan uji coba pemanfaatan karbon aktif di lapangan. Pelaksanaan efisiensi proses dengan persiapan instalasi pemanfaatan gas buang hasil proses aktivasi sebagai bahan bakar boiler. Sedangkan uji coba pemanfaatan akan dilaksanakan di tambak udang di daerah Pangandaran Ciamis. Hasil kegiatan adalah diperolehnya teknologi proses pembuatan karbon aktif berbahan bakar batubara, yang menghasilkan karbon aktif batubara yang dapat digunakan dan mempunyai nilai jual yang layak untuk dikomersilkan.

(43)

iii

DAFTAR ISI Kata Pengantar……… i Sari………. ii

Daftar Isi……… iii

Daftar Gambar……… v Daftar Tabel……….. vi Daftar lampiran……… vii I. PENDAHULUAN 1 1.1 Latar Belakang ……… 1 1.2 Ruang Lingkup……… 3 1.3 Tujuan………. 4 1.4 Sasaran………... 4 1.5 Lokasi Kegiatan……… 4

II. TINJAUAN PUSTAKA 4

2.1 Pembuatan Karbon

aktif……….

4 2.2 Energi pada proses

aktivasi………

5 2.3 Pemanfaatan Karbon

Aktif……….

6

III. PROGRAM KEGIATAN 9

3.1 Optimalisasi pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan

(44)

iv

Batubara……….

3.1.1 Persiapan peralatan karbonisasi dan aktivasi……… 9 3.1.2 Proses karbonisasi………. 9 3.1.3 Proses Aktivasi……… 9 3.1.4 Analisa kualitas produk……… 9 3.2 Pemasangan instalasi Boiler kapasitas 300 kg/jam dan Exhauster yang

terintegrasi

dengan Rotary kiln……… 9 3.3 Uji coba pemanfaatan karbon katif batubara di

……….

10 3.4 Evaluasi hasil percobaan dan keekonomian produk

………..

10 3.5 Desain umum (draft) peralatan utama reactor aktivasi karbon

aktif……….. 10 3.6 Pembuatan laporan……… 10 IV. METODOLOGI 10

4.1 Optimalisasi pembutan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar

batubara………

10 4.1.1 Persiapan peralatan karbonisasi dan

aktivasi………..

10 4.1.2 Proses karbonisasi dan

aktivasi……….

11 4.2 Pemasangan Boiler kapasitas 300 kg/jam dan Exhauster yang

terintegrasi dengan reaktor

Aktivasi………

11

4.3 Uji coba pemanfaatan……… 12

(45)

v

5.1 Optimalisasi pembuatan karbon

aktif……… 12 5.1.1 Optimalisasi proses karbonisasi……… 14 5.1.2 Proses aktivasi……… 17 5.2 Uji coba pemanfaatan……… 19 5.3 Instalasi Boiler kapasitas 300 kg/jam dan exhauster yang terintegrasi

dengan

reaktor aktivasi……… 21

VI. KESIMPULAN DAN SARAN 22

6.1 Kesimpulan………. 22 6.2 Saran……… 22

DAFTAR PUSTAKA 24

LAMPIRAN 25

DAFTAR GAMBAR

(46)

vi

udang………

Gambar 2.2 Sistim Filtrasi di tambak udang ………..

7 Gambar 4.1 Raktor aktivasi (rotary

kiln)………..

10 Gambar 4.2 Bagan alir proses pembuatan karbon

aktif………

12 Gambar 5.1 Sistim kisi-kisi dan distribusi uap di dalam kiln……….

13

Gambar 5.2 Tungku siklon berbahan bakar

batubara……….

13 Gambar 5.3 Pengaruh temperatur terhadap penurunan kadar zat terbang , air dan abu...

15 Gambar 5.4 Pengaruh temperatur terhadap penurunankadar zat terbang,

air dan abu

setelah pemasangan

thermocontrol………..

16

Gambar 5.5 Pengaruh waktu tinggal terhadap bilangan yodium………..

17 Gambar 5.6 Pemanfaatan karbon aktif di tambak

udang……….. 20

Gambar 5.7 Integrasi boiler kapasitas 300 kg/jam dengan rotary

kiln………..………….. 21

Gambar 5.8 Unjuk kerja boiler kapasitas 300 kg/jam

(47)

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Tahap kegiatan pembuatan karbon aktif dari batubara dari tahun 2007 s/d

tahun

2010………

2

Tabel 2.1 Pengaruh pH pada pertumbuhan udang (ITB, 2009)...

7 Tabel 2.2 Klasifikasi air berdasarkan tingkat

salinitas………...

8 Tabel 5.1 Karaktaristik batubara sebagai bahan baku karbon

aktif...

14 Tabel 5.2 Spesifikasi persyaratan ideal bahan baku karbon aktif (SII, 1999)…………

14 Tabel 5.3 Spesifikasi semikokas hasil

karbonisasi………

15 Tabel 5.4.Kualitas karbon aktif hasil uji coba dan persyaratan kualitas

menurut Standar Industri Indonesia

/komersil………

18 Tabel 5.5. Kualitas karbon aktif hasil percobaan tahun

2009………

(48)

viii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Kajian kelayakan ekonomi ………..

25 Lampiran 2 Draft desain

umum……….

(49)

ix

Maksud dan tujuan pembuatan desain umum proses pembuatan karbon aktif adalah merancang seluruh kebutuhan