TINJAUAN PUSTAKA
Karakteristik Polimer
Seiring perubahan zaman, produksi plastik memiliki sejarah industri sejak polimer sintetis pertama kali diperkenalkan ke bidang industri di tahun 1940-an et al., 2009). Beberapa keuntungan menggunakan plastik termasuk resistensi yang tinggi terhadap korosi, fleksibilitas yang tinggi untuk proses dan biaya produksi yang rendah. Selain itu, mereka menjalar digunakan dalam sistem pengiriman medis, organ buatan dan obat-obatan lainnya
Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut monomer. Jika monomernya sejenis disebut homopolimer, dan jika monomernya berbeda akan menghasilkan kopolimer. Polimer alam yang telah kita kenal antara lain adalah selulosa, protein, karet alam dan sejenisnya. Pada mulanya manusia menggunakan polimer alam hanya untuk membuat perkakas dan senjata, tetapi keadaan ini hanya bertahan hingga akhir abad 19 dan selanjutnya manusia mulai memodifikasi polimer menjadi plastik. Plastik yang pertama kali dibuat secara komersial adalah nitroselulosa. Material plastik telah berkembang pesat dan sekarang mempunyai peranan yang sangat penting dibidang elektronika, pertanian, tekstil, transportasi, furniture, konstruksi, kemasan kosmetik, mainan anak – anak dan produk – produk industri lainnya (Mujiarto, 2005).
Jenis-Jenis Polimer dan Penggunaanya
sangat berbeda tergantung pada keadaan. Kebanyakan molekul rantai memberikan sifat termoplastik dengan menaikkan temperatur, dapat mencair dan mengalir. Bahan tersebut dinamakan polimer termoplastik. Dilain pihak polimer yang struktur tiga dimensinya terkeraskan karena pemanasan, tidak bersifat dapat mengalir lagi karena pemanasan. Beberapa diantaranya polimer rantai seperti polietilena, nylon dan sebagainya mempunyai molekul-molekul yang tersusun secara teratur membentuk kristal (USU, 2011).
Gambar 1. Jenis-Jenis Polimer (Onny,2013)
Berdasarkan fasenya, polimer terdiri dari dua jenis yaitu 1). kristalin, yang mempunyai susunan antara rantai yang satu dengan rantai yang lain adalah teratur dan mempunyai titik leleh (melting point), 2)amorf yang mempunyai susunan antara rantai yang satu dengan yang lain orientasinya acak dan mempunyai temperatur transisi gelas (Nurhidayat, 2007).
Bahan Material Penyusun Polypropylene (PP)
7
Bahan baku utama dari PP adalah propena yang diambil dari minyak bumi untuk menjadi polipropilena. Bahan baku penunjang antara lain katalis, kokatalis, selectivitycontrol agent, hidrogen, nitogen, karbon monoksida, dan aditif (Meiriza, dkk., 2012). Polipropilena mempunyai sifat-sifat dapat larut dalam senyawa organik, tahan panas, mempunyai daya renggang tinggi, tidak beracun, tahan terhadap bahan kimia. Sifat-sifat inilah yang membuat manusia beralih ke polimer khususnya plastik untuk memenuhi kebutuhannya dan meninggalkan bahan lain seperti besi, alumunium, kayu, kaca dan lainnya untuk tujuan kebutuhan yang sama (Wisudha, 2007).
Tabel 1. Sifat Fisik Polipropiena
Parameter Nilai
Temperatur kritik (OC) 92
Titik didih (P : 1013 kPa dlm oC) 47,7
Titik leleh (oC) 190-200
Bau Bau gas alam (sweet odor)
Berat molekul 42,078
Konduktivitas (W/m) 0,12
Amorf (g/cm3) 0,85
Kristalin (g/cm3) 0,95
Cp (kJ/kg K) 2,1770
isotaktik (%) 95-97
ataktik (%) 3-5
Spesific Gravity 0,516
Densitas kritik (g/ml) 0,233
Tekanan kritik (MPa) 4,3
(Sumber: Meiriza, dkk., 2012) Bahan Bakar
bakar biomassa kayu tertinggi dicapai jika kayu dalam kondisi kering tanur, yaitu sekitar 4500 kkal/kg(Haygreen et al., 2003).
Limbah Polimer
Dampak Limbah Polimer Terhadap Lingkungan
Dilihat dari perkembanganindustri-industri yang sedang berjalan, produksi sampah plastik sangat berkembang dan mendominasi seluruh industri.Penelitian ini terfokus kepada plastik bekas konsumen termasuk termoplastik (seperti polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate (PET) dan density polyethylene tinggi (HDPE
Pengelolaan Limbah
Di antara limbah yang yang dihasilkan masyarakat dan industri, plastik memiliki potensi energi (kkal/kg). Selain itu, potensi energi berdasarkan jenis resin, polipropilena memiliki potensi nilai energi plastikterbesar. Penting mengingat polipropilena adalah polimer yang paling melimpah di Brasil.Daurulang plastik di Brasil mencapai posisi 78%, yaitu 7.440.000 ton. Di Brazil, daur ulang adalah proses yang paling dimanfaatkan dan menghasilkan tingkat daur ulang dari 19,4% untuk limbah plastik (Darmadji, 2002).
Alat Pirolisis Polimer
Pirolisis adalah teknik daur ulang tersier di mana organik polimer diubah menjadi minyak cair, char dan gas padasuhu tinggi melalui dekomposisi termal. Pirolisisdilakukan pada temperatur yang berbeda mulai dari 300-900◦C, suhu optimum namun khas untuk plastik limbah adalah sekitar 500-550◦C (Chen et al., 2014).
semakin meningkat rendemennya, 2) jenis alat pengolahan sampah plastik jenis PP, PET dan PE pada penelitian Budidan Ismanto (2016) pengolahan sampah plastik jenis PP, PET dan PE menjadi bahan bakar minyak mempunyai rata-rata rendemen sebesar 70%, 3) jenis alat pengolahan limbah polimer pertanian pada penelitian Mandatya (2015) mempunyai rendemen sebesar 10%.
Pirolisis
Pirolisis adalah proses dekomposisi termal material organik tanpa kehadiran oksigen. Pirolisis sejatinya adalah salah satu sub-proses dari gasifikasi secara keseluruhan. Sama seperti gasifikasi, pirolisis tidak menghasilkan energi secara langsung, tetapi menghasilkan gas maupun padatan yang dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Gas tersebut adalah H2 atau CH4 sedang padatannya adalah arang dengan kandungan fixed carbon yang cukup tinggi sehingga lebih baik untuk digunakan sebagai bahan bakar. Pada umumnya, proses pirolisis menggunakan pasir sebagai “teman” bahan bakar (sampah) yang dibakar. Sampah yang akan dipirolisis pada umumnya dikeringkan dan dibuat butiran terlebih dahulu agar proses pirolisis berjalan dengan baik(Williams et al., 2007).
Gambar 2. Proses pirolisis plastik untuk menghasilkan bahan bakar minyak (Zhang, 2007).
Limbah plastik biasanya melibatkan proses pirolisis yang dilakukan tanpa adanya oksigen pada suhu antara 350°C dan 900°C. Namun, distribusi produk tergantung pada jenis dari reaktor yang digunakan serta pada distribusipanas
selama pirolisis. Hasil itu 5% gas, 5% char, dan 90% cairan (Williams et al., 2007).
Sistem Pembakaran Plastik pada Reaktor
Pirolisis adalah proses fraksinasi material oleh suhu. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230°C, ketika komponenyang tidak stabil secara termal dan bahan bahan yang menguap (volatile matters)pada sampah akan pecah dan menguap bersamaan dengan komponen lainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan polyaromatic hydrocarbon. Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar (pyrolitic oil), dan arang. Parameter yang berpengaruh pada kecepatan reaksi pirolisis mempunyai hubungan yang sangat kompleks, sehingga model matematis persamaan kecepatan reaksi pirolisis yang diformulasikan oleh setiap peneliti selalu menunjukkan rumusan empiris yang berbeda (Trianna dan Rochimoellah, 2002). Selain itu, Sampah plastik Katalisator Bahan bakar
plastik merupakan polimer yang berat molekulnya tidak bisa ditentukan, ataupun dihitung. Karena itu, kecepatan reaksi dekomposisi didasarkan pada perubahan massa atau fraksi massa per satuan waktu.
Produk pirolisis selain dipengaruhi oleh suhu dan waktu, juga oleh laju pemanasan. Waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan karena, semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung. Produkyang dihasilkannya (residu padat, tar, dan gas) makin naik.Meningkatnya temperatur pirolisis menyebabkan semakin besar pula unsur- unsur dalam kayu pelawan yang terurai dan terkondensasikan menjadi asap cair (Akbar, dkk., 2013).Ukuran partikel berpengaruh terhadap hasil,semakin besar ukuran partikel. Luas permukaan per satuan berat semakin kecil,sehingga proses akan menjadi lambat.Semakin banyak bahan yang dimasukkan,menyebabkan hasil bahan bakar cair(tar) dan arang meningkat (Bakkara, 2007).
Sistem Pindah Panas
Gambar 3. Perpindahan panas pada kondensor (Onny, 2013)
Pada dasarnya, prinsip kerja yang digunakan pada alat heat exchanger adalahprinsip kerja dari proses pindah panas. Pindah panas adalah perpindahan energi darisuatu bidang ke bidang yang lain dengan disertai perubahan temperatur pada duabidang tersebut (McCabe et al. 2005). Pindah panas dapat terjadi dengan 3 metode,yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Pindah panas pada pipa yang dipanaskansecara langsung mengalami proses konduksi dan konveksi.
Konduksi
Konduksi dalam suatu bahan mengalir terdapat gradien suhu, maka kalor akan mengalir tanpa disertai oleh sesuatu gerakan zat. Aliran kalor tersebut disebut dengan konduksi (McCabe et al. 2005). Menurut Holman (2010) secara umum besaran kalor dapat dalam konduksi dapat dihitung melalui Persamaan (1):
(1)
di mana :
q : banyaknya kalor (W)
Besarnya nilai dipengaruhi bentuk bidang tempat pindah panas terjadi. Pada silinder berlubang nilainya dapat dicari dengan Persamaan (2):
(Ti To) (2)
Oleh karena itu, dari persamaan di atas maka besarnya kalor yang dipindahkan pada bidang silinder berlubang atau pipa dapat ditentukan dengan Persamaan (3):
q = (3)
di mana:
q : banyaknya kalor (W) ri :Jari-jari dalam pipa (m)
ro : Jari-jari luar pipa (m)
l : Panjang pipa (m)
k : Konduktivitas panas (W/mK)
( ): Perbedaan suhu pipa luar dan pipa dalam (K) Konveksi
Konveksi arus partikel-partikel utama pembentuk fluida melintas suatu permukaan tertentu, seperti umpamanya, bidang batas suatu volume kendali arus akan ikut membawa serta jumlah energi tertentu . Aliran energi tersebut disebut dengan konveksi (McCabe et al., 2005). Menurut Holman (2010) nilai kalor yang dipindahkan melalui konveksi dapat ditentukan dengan Persamaan (4):
di mana :
q = h A (Ts T ) (4)
di mana :
h : Koefisien pindah panas konveksi (W/m2K) A : Luas permukaan dinding (m2)
( ): Perbedaan suhu dinding dengan suhu fluida (K)
Menurut Lienhard IV dan Lienhard V (2003) konveksi dapat dibedakan menjadi dua yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas adalah perpindahan panas yang terjadi di mana aliran fluida bergerak dengan pengaruh gravitasi tanpa pengaruh eksternal yang lain. Sedangkan konveksi paksa adalah proses pindah panas di mana fluida bergerak dengan disengaja dan diatur kecepatan dan debitnya. Konveksi pada pipa dipengaruhi oleh bilangan reynold, dimana semakin tinggi kecepatan aliran maka semakin tinggi pula bilangan reynold yang dihasilkan, yang dapat dicari dengan Persamaan (5):
(5) di mana:
Re : Bilangan reynold : Densitas udara (kg/m3) V : Kecepatan aliran udara (m/s) D : Diameter pipa pemanas air (m) µ : Viskositasdinamis udara (kg/ms)
Nilai Pr (Prandtl Number) berfungsi sebagai penghubung antara kecepatan dengan suhu pada pindah panas, dan dapat ditentukan dengan Persamaan (6):
(6)
tempertaur, variasi dari densitas padatekanan konstan dapat dinyatakan dalam
koefisien volume ekspansi β. Pada gas ideal β dapat dihitung dengan Persamaan
(7)dengan T adalah suhu Kelvin (K).
(7) Dengan nilai Grashof dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (8):
(8) di mana:
Gr : Grashof number
: Koefisien volume ekspansi(1/K) T : Suhu di dinding (K)
Tw : Suhu pemanasan bahan (K) v : Viskositas kinematik (m2/s)
g : Percepatan gravitasi (m2/s)
Suhu rata-rata pindah panas yang terjadi dapat dihitung dengan Persamaan (9):
Tf (9)
di mana:
Tf : Suhu rata-rata (K)
:Suhu pemanasan bahan (K) :Suhu di dinding (K)
Nuf 0,54 (10) di mana :
f : konveksi secara natural Gr :Grashof number
Pr :Prandtl number
Nilai koefisien pindah panas secara konveksi dapat dihitung melalui Persamaan (11) :
(11) di mana :
h : Koefisien pindah panas secara konveksi (W/m2K) k : Konduktivitas panas fluida (W/mK)
D : Diameter pipa (m) : Densitas udara (kg/m3)
u: Viskositas dinamik udara (kg/ms) cp: Kalor jenis panas udara (kcal/kg°C)
Besarnya nilai Nuf pada pipa horizontal dengan aliran laminar pada 103 < (Pr.Gr) < 109 dapat dihitung dengan Persamaan (12) :
Nilai dari overall heat transfer coefficient adalah:
(12)
Di mana:
: diameter luar (cm) : diameter dalam (cm)
: konveksi ( )
k : Konduktivitas panas fluida (W/mK)
Setelah di dapatkan nilai dari overall heat transfer coefficient maka dapat ditentukan panjang kondensor yang dibutuhkan untuk mengkondensasikan gas hasil pirolisis. Sedangkan untuk mengetahui pindah panas yang terjadi pada udara, oleh sebab itu perlu diketahui pindah massa dari udara di dalam kondensor :
ṁ = ρ x v x A (13)
Pindah panas yang terjadi pada kondensor :
q = ṁ cp ΔT (14)
(15)
Kemudian data didapatkan untuk mencari luas penampang
(16) Dan panjang kondensor dapat ditentukan
(17) di mana :
ṁ : laju aliran massa (kg/s)
q : pindah panas yang terjadi pada kondensor (W) : diameter luar (cm)
cp : kalor jenis panas
Kondensasi dan Kondenser
Kondenser merupakan sebuah alat penukar panas (heat exchanger) yang berfungsi mengkondensasikan fluida kerja.Kondensasi terjadi jika suhu dari bahan dibawah suhu saturasi dari gas, kemudian pada gas terjadi perubahan fase menjadi cair. Terdapat dua jenis kondensasi yang terjadi pada proses kondensasi di dalam kondenser, yaitu kondensasi lapisan (film) dan kondensasi titik (droplet). Pada kondensasi lapisan, proses terjadinya dimulai dengan timbulnya lapisan film yang menyelubungi dinding-dinding sebelah dalam pipa dan semakin lama akan menjadi lapisan tebal serta akhirnya mengalir akibat pengaruh gravitasi. Pada kondensasi titik, proses kondensasi terjadi dengan dimulainya titik-titik yang akhirnya berubah dan berkembang menjadi tetesan-tetesan cairan dan jatuh dari permukaan akibat dari gravitasi (Holman 2010). Terdapat berbagai jenis heatexchanger yang terdapat dipasaran, yaitu shell and tube heat exchanger, crossflow heat exchanger dan double pipe heat exchangers.
Gambar 4. Heat Exchanger (Onny, 2013).
Ketiga alat penukar panas tersebut memiliki fungsi yang berbeda-beda. Contohnya pada cross flowheat exchanger biasanya digunakan pada proses pemanasan dan pendinginan udara ataupun gas sedangkan pada shell and tube heat exchangers sering diaplikasikan pada penerapan bioteknologi. Menurut Rohsenow (1973) dalam Holman (2010) nilai dari koefisien pindah panas dari
kondensasi lapisan yang terjadi pada pipa horizontal dengan aliran laminar dapat diketahui dengan Persamaan (18):
(18) dimana :
h : Koefisien pindah panas (W/m ) : Densitas (kg/m3)
g : Gravitasi (m/s2)
hfg : Evaporasi entalpi (kJ/kg) : Viskositas dinamik (kg/ms) d : Diameter (cm)
: Suhu lingkungan(oC)
Pipa Spiral (Helical coil)
Pipa spiral memiliki media pendingin air. Air yang keluar dari kondensor akan dialirkan ke ruang pengering untukmempercepat proses sublimasi pada bahan (Kurniawan, dkk., 2015).
Gambar 5. Pipa Spiral (Helical coil) (Sumber: Kurniawan, dkk., 2015)
Untuk mencari banyaknya jumlah lilitan pada kondensor yang akan dirancang menggunakan Persamaan (19):
(19) Untuk menentukan tinggi kondensor yang akan dirancang menggunakan Persamaan (20)
(20) di mana:
N : Jumlah lilitan r : jari-jari(cm)
p : jarak antar pipa(cm) L : Panjang (cm) H : Tinggi pipa (cm)
do: diameter luar (cm) (Kurniawan, dkk., 2015) do= 1,27
Kapasitas Alat
Menurut Suastawa dkk., (2000) kapasitas kerja suatu alat didefinisikan sebagai suatu kemampuan kerja suatu alat ataumesin untuk memberikan hasil (hektar, kilogram, liter) per satuan waktu (jam). Dari satuan kapasitas kerja dapat dikonversikan menjadi satuan produk per kw per jam, bila alat/mesin itu menggunakan daya penggerak motor. Jadi satuan kapasitas kerja menjadi: Ha.jam/kw, kg.jam/kw, Lt.jam/kw. Jadi satuan kapasitas kerja menjadi : Ha.jam/Kw, kg.jam/kw, Lt.jam/kw. Persamaan (22) matematisnya dapat ditulis sebagai berikut:
Kapasitas alat = (21)
(Daywin, dkk., 2008) Analisis Ekonomi
Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk menganalisis proyek dari segi ekonomi adalah dengan metode analisis manfaat dan biaya (benefit and cost analysis), suatau metode yang praktis untuk menentukan kelayakan dan daya tarik suatu proyek. Kelayakan proyek untuk dibangun, manfaat bagi pemilik/masyarakat, serta dampak proyek tersebut pada lingkungan seperti apakah menimbulkan kebisingan, merusak lingkungan atau berpengaruh negatif terhadap lingkungan (Purba, 2007).
Biaya Pemakaian Alat
Namun ditinjau dari segi estimated dalam perencanaan pembangunan (perluasan, rehabilitasi) suatu proyek, prosedur fixed benefit dapat juga digunakan walaupun kurang sempurna.
Biaya pokok (22)
Dimana :
BT : total biaya tetap (Rp/Tahun) BTT: total biaya tidak tetap (Rp/Jam) x : total jam kerja pertahun (Jam/Tahun) C : kapasitas alat (Jam/liter)
Biaya Tetap
Biaya tetap adalah biaya yang jumlah totalnya tetap konstan, tidak, dipengaruhi oleh perubahan volume kegiatan atau aktivitas sampai dengan tingkatan tertentu. Biaya tetap per unit berbanding terbalik secara proporsional dengan perubahan volume kegiatan atau kapasitas. Semakin tinggi tingkat kegiatan, maka semakin rendah biaya tetap per unit. Semakin rendah tingkat kegiatan, maka semakin tinggi biaya tetap per unit. Biaya tetap terdiri dariBiaya
1) Penyusutan (metode sinking fund)
/F, i, n) (F/P,i,t-1) (23)
di mana:
Dt : biaya penyusutan (Rp/Tahun)
P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp) S : nilai akhir alsin (10% dari P) (Rp)
2) Biaya bunga modal dan asuransi, perhitungan digabungkan besarnya (24) di mana :
i : total persentase bunga modal dan asuransi (17 % pertahun) P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp)
n : umur ekonomi (tahun)
Di negara kita belum ada ketentuan besar pajak secara khusus untuk mesin-mesin dan perlatan pertanian, beberapa literatur menganjurkan bahwa biaya pajak alsin pertanian diperkirakan sebesar 2% pertahun dari nilai awalnya.Biaya gudang atau gedung diperkirakan berkisar 0,5-1%, rata-rata diperhitungkan 1% nilai awal (P) pertahun
Biaya Tidak Tetap
discretionary variable cost. Contoh dari discretionary variable cost adalah biaya promosi yang ditetapkan oleh manajemen berdasarkan prosentase tertentu dari pendapatan penjualan (Supriyono, 2011)
Biaya tidak tetap terdiri dari biaya bahan bakar, biaya perbaikan untuk reaktor sebagai tempat pembakaran serta biaya operator. Biaya bahan bakar dapat dihitung dengan Persamaan (25)
Bahan bakar = (25)
Biaya perbaikan ini dapat dihitung dengan Persamaan (26)
(26) di mana :
P : nilai awal alsin (harga beli/pembuatan) (Rp) S : nilai akhir alsin (10% dari P) (Rp)
Biaya karyawan/operator yaitu biaya untuk gaji operator. Biaya karyawan/operator tergantung kepada kondisi lokal, dapat diperkirakan dari gaji bulanan atau gaji pertahun dibagi dengan total jam kerjanya (Giatman, M., 2006) Break Even Point
Dan sebaliknya akan memperoleh memperoleh keuntungan, bila penjualan melebihi biaya variabel dan biaya tetap yang harus di keluarkan.
Analisis Break even secara umum dapat memberikan informasi kepada pimpinan, bagaimana pola hubungan antara volume penjualan, cost (biaya), dan tingkat keuntungan yang akan diperoleh pada level penjualan tertentu. Analisis break even dapat membantu pimpinan dalm mengambil keputusan mengenaihal-hal yaitu: jumlah penjualan minimalyang harus dipertahankanagar perusahaan tidak mengalami kerugian, jumlah penjualan yang harus dicapai untuk memperoleh keuntungan tertentu, seberapa jauhkah berkurangnya penjualan agar perusahaan tidak mendapat kerugian, untuk mengetahui bagaimana efek perubahan harga jual, biaya dan volume penjualan terhadap keuntungan yang diperoleh.
BEP dapat ditentukan atau dihitung berdasarkan formula tertentu, yaitu:
BEP (27)
Net Present Value
jumlah estimasi penerimaan itu harus didiskonkan, kita jadikan jumlah-jumlah nilai saat ini (penilaian sebanding dengan pengeluarannya) (Husnan, 2000).
Net Present Value dari investasi dapat diperoleh dengan menggunakan formula sebagai berikut.
CIF- COF (28)
di mana:
CIF : Keuntungan Arus kas (Cash inflow ) COF : Biaya Arus Kas (Cash outflow)
Sementara itu keuntungan yang diharapkan dari investasi yang dilakukan bertindak sebagai tingkat bunga modal dalam perhitungan:
Penerimaan (CIF) = pendapatan , i, n , i, n (29) Pengeluaran (COF) = investasi pembiayaan ( , i, n (30) Kriteria nilai NPV sebagai berikut:
a. NPV > 0, proyek menguntungkan b. NPV < 0, proyek tidak layak diusahakan
c. NPV = 0, berarti netral atau berada pada break even point (BEP). (Giatman, 2006)
Internal Rate of Return
positif (+), maka IRR yang akan dicari adalah di atas discount rate tersebut, seterusnya kita cari dengan coba-coba sampai menemukan discount rate yang menghasilkan NPV = 0 (nol). Tetapi internal rate of return dapat dicari dengan rumus :
IRR = (31)
di mana:
= Suku bunga bank paling atraktif = Suku bunga coba-coba
