ITS EXPO PAPER COMPETITION 2016
MESIN KENDARAAN TERINTEGRASI PIROLISIS UNTUK KONVERSI LIMBAH PLASTIK MENJADI BAHAN BAKAR
ALTERNATIF MENGGUNAKAN GAS BUANG KNALPOT KENDARAAN DAN KATALIS Cr/ZAA
Disusun Oleh :
Ketua : Herman Amrullah (14/369649/TK/42651) Angkatan 2014 Anggota : Aditya Whisnu Heryudhanto (14/367120/TK/42360) Angkatan 2014
Naufal Muflih Ramadhon (14/367061/TK/42313) Angkatan 2014
UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA
LEMBAR PENGESAHAN
1. Judul Kegiatan : Mesin Kendaraan Terintegrasi Pirolisis Untuk Konversi Limbah Plastik Menjadi Bahan Bakar
a. Nama Lengkap : Herman Amrullah
b. NIM : 14/369649/TK/42651
c. Jurusan : Teknik Kimia
d. Universitas : Universitas Gadjah Mada e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Jalan Kalimantan C-21A,
Kentungan, Mlati, Sleman, DI Yogyakarta / +6285652007216 f. Alamat E-mail : herman.amrullah@mail.ugm.ac.id 4. Anggota Kelompok 1
a. Nama Lengkap : Aditya Whisnu Heryudhanto
b. NIM : 14/367120/TK/42360
c. Jurusan : Teknik Kimia
d. Universitas : Universitas Gadjah Mada
e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Perum. Bojong Depok Baru 2, Jl. Ciliwung 2 Blok ED/12A, Cibinong, Bogor / +628561446329
f. Alamat E-mail : adityawhisnu@gmail.com 5. Anggota Kelompok 2
a. Nama Lengkap : Naufal Muflih Romadhon
b. NIM : 14/367061/TK/42303
c. Jurusan : Teknik Kimia
e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Perum. Dosen UNTAD Blok C9 No.18, Palu / +6282137918245 f. Alamat E-mail : muflihnaufal@gmail.com 6. Dosen Pembimbing
a. Nama Lengkap dan Gelar : Rochim Bakti Cahyono, S.T., M.Sc., Ph.D.
b. NIP : 198311302009121004
c. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Perum Nogosaren Kidul Nomor 3, Negotirto, Kec. Gamping,
Sleman / +6281393696232
Yogyakarta, 11 Oktober 2016
Menyetujui,
Dosen Pembimbing, Ketua Kelompok,
Rochim Bakti Cahyono, S.T., M.Sc., Ph.D. Herman Amrullah NIP : 198311302009121004 NIM : 14/369649/TK/42651
Mengetahui,
Ketua Jurusan,
Ir muslikhin
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah ini ;
Nama Tim :
Nama Ketua : Herman Amrullah Tempat, Tanggal Lahir : Balikpapan, 26 Juli 1996 Jurusan/Fakultas : Teknik Kimia/Teknik Universitas : Universitas Gadjah Mada Nama Anggota 1 : Aditya Whisnu Heryudhanto Tempat, Tanggal Lahir : Sleman, 9 Oktober 1996 Jurusan/Fakultas : Teknik Kimia/Teknik Universitas : Universitas Gadjah Mada Nama Anggota 2 : Aditya Whisnu Heryudhanto Tempat, Tanggal Lahir : Ujung Pandang, 14 Januari 1997 Jurusan/Fakultas : Teknik Kimia/Teknik
Universitas : Universitas Gadjah Mada
Dengan ini menyatakan bahwa karya tulis dengan judul, Mesin Kendaraan Terintegrasi Pirolisis Untuk Konversi Limbah Plastik Menjadi Bahan Bakar Alternatif Menggunakan Gas Buang Knalpot Kendaraan dan Katalis Cr/ZAA adalah benar-benar karya sendiri dan bukan merupakan plagiat atau saduran dari karya tulis orang lain. Apabila dikemudian hari pernyataan ini tidak benar maka saya bersedia menerima sanksi yang ditetapkan oleh panitia IEPC 2016 berupa diskualifikasi dari kompetisi.
Demikian surat ini dibuat dengan sebenar-benarnya, untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Yogyakarta, 11 Oktober 2016
Herman Amrullah
LIST OF CONTAIN
Title’s Page... i
Abstract... ii
List Of Contain... iii
CHAPTER 1 PRELIMINARY... 1
Background... 1
Problems... 4
Writing’s Goals... 4
Writing’s Benefits... 5
Systematical Writing... 5
Chapter 1 Preliminary... 5
Chapter 2 Literature... 5
Chapter 3 Research Method... 5
Chapter 4 Result And Research... 5
Bibliography... 6
CHAPTER 2 LITERATURE... 6
Polypropylene (PP)... 6
Low Density Polyethylene (LDPE) ... 7
Pyrolysis Process... 8
Partial Combustion And Aspects Of Thermodynamics... 8
The Catalyst Activity In Pyrolysis Process... 10
The Identification of Fuel’s Product... 13
Heat Of Exhaust Muffler... 14
CHAPTER 3 RESEARCH METHOD... 15
Writing Approach... 15
Sources... 16
Objectives... 16
Writing’s Step... 14
Materials... 16
Instruments... 17
Research Procedure... 17
CHAPTER 4 RESULT AND RESEARCH... 19
Result... 19
Partial Combustion Testing... 19
Oil Yield Of Pyrolysis... 20
The Oil Analysis Of Pyrolysis Reaction... 22
Heat Transfer Of The Exhaust Gas... 22
Information... 22
Discussion... 23
Design And Mechanism Of Pyrolysis Tools... 23
Analysis Of Partial Combustion In Pyrolysis Reactor... 24
Synthesis Analysis Of Cr/ZAA Catalyst... 29
Oil Yield Analysis Pyrolysis Process... 30
Oil Analysis From Pyrolysis Result... 32
The Design Of The Pyrolysis Reactor On Motor Vehicles... 33
BIBLIOGRAPGY... 37
LIST OF TABLES... 38
LIST OF FIGURES... 39
LIST OF TABLES
Table 1. Domestic Waste Composition (Damanhuri and Padmi, 2010)... 2
Table 2. Temperature Increase on Exhaust (Meriyanto, 2013) ... 3
Table 3. Oil Reforming Result and Polypropylene Plastic Pyrolysis Result with the NiO/γ-Al2O3 Catalyst (Nugraha, 2013)... 13
Table 4. Food Container Test Based on Mileage (Thamrin and Hadi, 2013)... 15
Table 5. Correlation Between Temperature Rising with The Time of Pyrolysis Reaction Without Catalyst... 19
Table 6. Correlation Between Temperature Rising with The Time of Pyrolysis Reaction Using Catalyst... 20
Table 7. Correlation Between Oil Yield with The Time Without Catalyst... 20
Table 8. Correlation Between Oil Yield with The Time Using Catalyst... 21
Table 9. Oil Analysis of Pyrolysis Reaction... 22
Table 10. Rate of Heat Transfer of The Exhaust Gas Base on Engine Rotation (Thamrin and Hadi, 2013)... 22
Table 11. Specific Gravity of Several Oil Types... 32
Figure 2. Composition of Waste in Piyungan’s Landfill Yogyakarta
(Syamsiro, 2015)... 2
Figure 3. Polypropylene Structure... 6
Figure 4. Product of Polypropylene... 6
Figure 5. Low Density Polyethylene Structure... 7
Figure 6. The Illustration of Pyrolysis Reactor... 8
Figure 7. Balance Equilibrium Pyrolysis Reactor... 9
Figure 8. Calorific Value Comparison of Different Types of Material... 10
Figure 9. Thermal Cracking Chromatogram Analysis (Andarini and Purwo, 2013)... 11
Figure 10. Chromatogram Cracking Chromatogram Analysis... 11
Figure 11. Pyrolysis Combination and Catalytic Reforming Plastic Trash (Syamsiro et al., 2014)... 12
Figure 12. Design of Pyrolysis Tools... 23
Figure 13. Combustion Reaction Scheme Polypropylene / LDPE... 24
Figure 14. Pyrolysis Tube... 27
Figure 15. Reactor Temperature Increase Graph against Pyrolysis Time without Catalyst at The Temperature 500 Cᵒ ... 28
Figure 16. Reactor Temperature Increase Graph against Pyrolysis Time Using Catalyst at Temperature of 500°C... 29
Figure 17. Oil Product Yield to Pyrolysis Time without Catalyst... 30
Figure 18. Oil Yield Product to Pyrolysis Time with Catalyst... 31
Figure 19. The Design of Pyrolysis Reactor in Vehicle... 33
Figure 20. The Volume of Pyrolysis Reactor Design of The Vehicle Engine.. 35
MESIN KENDARAAN TERINTEGRASI PIROLISIS UNTUK KONVERSI LIMBAH PLASTIK MENJADI BAHAN BAKAR
ALTERNATIF MENGGUNAKAN GAS BUANG KNALPOT KENDARAAN DAN KATALIS Cr/ZAA
Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta
Konsumsi berlebih terhadap plastik berdampak besar terhadap kerusakan lingkungan. Plastik sulit terdegradasi (non-biodegradable) karena senyawa penyusunnya yang tidak berasal dari senyawa biologis. Proses penguraiannya membutuhkan waktu 100 hingga 500 tahun agar terdekomposisi. Alhasil, konsumsi plastik secara berlebih dapat mencemari tanah, air laut, hingga udara hasil pembakarannya yang mengeluarkan gas beracun berupa dioxin dan furan (karsinogenik). Bukan hanya di darat, bahkan sekitar 80% sampah di lautan berasal dari daratan dengan hampir 90 % diantaranya adalah plastik yang menyebabkan kerusakan ekosistem laut. Salah satu upaya pemanfaatan limbah plastik adalah dengan mengonversinya menjadi bahan bakar alternatif pada kendaraan bermotor yang komponen mesinnya terintegrasi langsung dengan proses pirolisis sehingga terbentuk kendaraan yang dapat menghasilkan bahan bakarnya sendiri. Proses pirolisis yaitu proses degradasi termal bahan-bahan polimer (cracking) seperti plastik maupun material organik dengan pemanasan tanpa melibatkan oksigen di dalamnya sehingga umpan terkonversi menjadi produk yang lebih ringan dengan bantuan katalis Cr/ZAA (Zeolit alam aktif). Katalis zeolit alam diaktivasi menggunakan metode kalsinasi dan diimpregnasi dengan logam Kromium sehingga katalis yang dihasilkan dapat meningkatkan laju reaksi serta mengarahkan reaksi pembentukan produk bahan bakar alternatif. Limbah plastik dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis untuk dipanaskan hingga temperatur 400-500°C pada titik lelehnya mengunakan panas gas buang knalpot yang dialirkan ke reaktor pirolisis melalui pipa penghubung. Gas buang knalpot mempunyai suhu sekitar 250°C sehingga dibutuhkan metode pembakaran parsial untuk menaikkan ke suhu yang dibutuhkan. Pembakaran parsial dapat dilakukan dengan pendekatan teorema kesetimbangan energi hukum I termodinamika yang menaikkan suhu sistem dari 250°C hingga suhu 400°C dengan konsumsi limbah plastik sebesar 100 gram. Proses pendinginan oleh kondensor dilakukan agar gas hasil pemanasan mengalami kondensasi dan membentuk cairan yang nantinya menjadi bahan bakar alternatif untuk langsung dialirkan ke dalam tangki bahan bakar.
Kata Kunci : limbah plastik, pirolisis, katalis Cr/ZAA, gas buang knalpot, bahan bakar, kendaraan bermotor.
Konsumsi berlebih terhadap plastik berdampak besar terhadap kerusakan lingkungan. Plastik sulit terdegradasi (non-biodegradable) karena senyawa penyusunnya yang tidak berasal dari senyawa biologis. Proses penguraiannya membutuhkan waktu 100 hingga 500 tahun agar terdekomposisi. Alhasil, konsumsi plastik secara berlebih tentu dapat mencemari tanah, air laut, hingga udara hasil pembakarannya yang mengeluarkan gas beracun berupa dioxin dan furan (karsinogenik). Bukan hanya di darat, bahkan sekitar 80% sampah di lautan berasal dari daratan dengan hampir 90 % diantaranya adalah plastik.
Secara garis besarnya, penggolongan sampah khususnya di Indonesia terdiri atas sampah organik atau sampah basah dan sampah anorganik atau sampah kering. Sampah organik terdiri atas daun-daunan, kayu, kertas, tulang, sisa-sisa makanan ternak, sayur, buah, dan lain-lain, sedangkan sampah anorganik terdiri atas kaleng, plastik, besi, logam-logam lainnya, gelas, dan mika. Jika ditinjau dari sumber sampah, pemerintah kota di Indonesia mengelompokkan sampah menjadi beberapa kelompok, yaitu sampah rumah tangga (sampah domestik), sampah daerah komersial, sampah perkantoran, sampah dari jalan atau tempat umum, dan sampah industri atau rumah sakit. Adapun tipikal komposisi sampah kota di beberapa tempat di dunia umumnya digambarkan pada gambar di bawah ini.
Untuk menanggulangi sampah plastik di Indonesia, akhir-akhir ini pemerintah mulai memberlakukan kantong plastik berbayar Rp 200 di pasar-pasar modern di Indonesia. Peraturan ini memiliki tujuan yang baik, yaitu untuk menekan pemakaian plastik di masyarakat, akan tetapi dengan harga yang murah pasti masyarakat akan tetap menggunakan plastik karena dinilai lebih praktis. Selain itu, pemerintah dan organisasi-organisasi lingkungan di Indonesia juga menggencarkan program daur ulang sampah, akan tetapi meskipun sampah di daur ulang pada akhirnya akan menghasilkan sampah pula sehingga dibutuhkan suatu cara yang lebih efektif agar dapat mengurangi limbah plastik bahkan menambah nilai manfaatnya bagi masyarakat. Umumnya plastik berasal dari produk turunan minyak bumi dan memiliki struktur rantai karbon yang panjang. Akibat dari plastik yang membutuhkan waktu yang sangat lama agar terurai secara alami, maka diperlukan solusi yang tepat dengan mengolah limbah plastik menjadi sesuatu yang bermanfaat, salah satunya sebagai bahan bakar alternatif. Plastik dapat diubah menjadi bahan bakar alternatif dengan menggunakan reaksi pirolisis, yaitu proses degradasi termal bahan plastik dengan pemanasan tanpa melibatkan oksigen. Pada proses ini, rantai panjang hidrokarbon akan terpotong menjadi rantai pendek. Dengan bantuan katalis, maka dapat mempercepat proses dan mengarahkan (cracking) reaksi membentuk suatu molekul berupa rantai hidrokarbon penyusun bahan bakar alternatif pengganti bensin. Kondensasi dilakukan untuk mengubah fasa gas membentuk cairan. Cairan yang dihasilkan dapat berupa bahan bakar alternatif pengganti bensin. Panas dari gas buang sisa pembakaran kendaraan masih memiliki temperatur yang cukup tinggi. Sumber panas ini biasanya langsung dibuang melalui knalpot ke udara bebas. Panas dari gas buang ini dapat dimanfaatkan kembali untuk sumber panas reaksi pirolisis. Berdasarkan pada studi yang dilakukan Meriyanto (2013) mengenai gas buang kendaran bermotor, temperatur gas dapat mencapai suhu 250°C. Hal tersebut ditunjukkan oleh tabel di bawah ini.
Berdasarkan data-data tersebut, Suhu 250°C pada knalpot dapat digunakan untuk pembakaran parsial limbah plastik dengan tujuan menaikkan panas reaksi mencapai 400°C sebagai temperatur perengkahan dalam proses pirolisis. Oleh karena itu, tempat reaksi pirolisis dalam penelitian ini terintegrasi dengan mesin kendaraan bermotor sehingga terbentuk konsep mesin kendaraan yang dapat menghasilkan bahan bakarnya sendiri.
1.2. Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah yang akan dibahas pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana proses pembuatan katalisator untuk reaksi pirolisis plastik serta bagaimanakah proses aktivasi yang dilakukan agar katalisator dapat bekerja secara optimal
2. Bagaimana cara membuktikan proses pembakaran parsial pada temperatur 250°C dapat digunakan untuk menaikkan temperatur sistem ke suhu 400°C sehingga terjadi proses perengkahan (cracking) rantai hidrokarbon plastik
3. Bagaimana cara menguji kemiripan sifat antara bahan bakar yang diperoleh pada reaksi pirolisis terhadap berbagai jenis bahan bakar kendaran bermotor
4. Bagaimana rancangan kendaraan bermotor terintegrasi dengan proses pirolisis yang dapat menghasilkan bahan bakarnya sendiri
Adapun tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Untuk memanfaatkan limbah plastik menjadi bahan bakar alternatif pada kendaraan bermotor
2. Untuk mengetahui pembuatan dan proses pengaktifan katalisator Cr/Zeolit pada reaksi pirolisis plastik
3. Untuk mengetahui mekanisme reaksi pirolisis plastik dengan menggunakan katalis Cr/Zeolit
4. Untuk mengetahui rancangan kendaraan bermotor terintegrasi dengan proses pirolisis yang dapat menghasilkan bahan bakarnya sendiri
1.4. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Sebagai salah satu solusi penanganan limbah plastik
2. Sebagai referensi pembuatan dan aktivasi katalisator Cr/Zeolit pada reaksi pirolisis plastik
3. Sebagai referensi pembuatan bahan bakar alternatif menggunakan reaksi pirolisis pada plastik
4. Sebagai referensi rancangan kendaraan bermotor terintegrasi dengan proses pirolisis yang dapat menghasilkan bahan bakarnya sendiri
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. PolyPropylene (PP) dan Low Density Polyethylene (LDPE)
Plastik merupakan polimer bercabang atau linier yang terdiri atas berbagai jenis, dua diantaranya adalah LDPE dan Polypropylene (PP).
Polypropylene ialah salah satu jenis plastik yang sifatnya termoplastik, yaitu dapat kembali ke bentuk aslinya melalui pemanasan, mudah diolah dan dibentuk menjadi film, fiber, atau kemasan (packaging). Adapun contoh dari
tembus cahaya, lebih kuat dan ringan dengan daya tembus uap yang rendah, cukup stabil dengan suhu tinggi, dan sifatnya yang mengkilap. Keras namun fleksibel dan melunak pada suhu 140°C.
LDPE adalah salah satu jenis plastik yang sering dijumpai di lingkungan sekitar yaitu dalam bentuk kantong kresek sehingga sangat potensial untuk dimanfaatkan dalam proses pirolisis demi meminimalisir keberadaan jutaan kantong kresek setiap harinya. Sifat mekanis jenis plastik LDPE adalah kuat, agak tembus cahaya, fleksibel dan permukaan agak berlemak. Pada suhu di bawah 60OC sangat resisten terhadap senyawa kimia, daya proteksi terhadap uap air tergolong baik, akan tetapi kurang baik bagi gas-gas yang lain seperti oksigen. Rumus molekulnya adalah (-CH2- (-CH2-)n. LDPE (low density polyethylene) biasa dipakai untuk tempat makanan, plastik kemasan, dan botol-botol yang lembek (Putra dan Trihadiningrum, 2011). Walaupun baik untuk tempat makanan, barang berbahan LDPE ini sulit untuk dihancurkan. Salah satu keistimewaan LDPE adalah ketahanan terhadap korosi, sifat isolasinya baik, tidak terasa dan harganya murah (0,55-0,63) US dollar/lb.
2.2. Proses Pirolisis
Pirolisis adalah proses degradasi termal bahan-bahan polimer seperti plastik maupun material organik seperti biomassa dengan pemanasan tanpa melibatkan oksigen di dalamnya. Dalam proses pirolisis, komponen organik dalam bahan dapat menghasilkan produk cair dan gas yang dapat berguna sebagai bahan bakar atau sumber bahan kimia. Teknologi pirolisis dapat dikatakan ramah lingkungan karena produk samping yang diperoleh ialah H2O dan CO2 yang merupakan gas non toksik. Produk pirolisis menghasilkan senyawa-senyawa hidrokarbon mulai dari C1 hingga C4 dan senyawa rantai panjang yaitu parafin dan olefin.
dan Purwo (2013) bahwa plastik akan meleleh dan kemudian berubah menjadi gas. Pada saat proses tersebut, rantai panjang hidrokarbon akan terpotong menjadi rantai pendek. Selanjutnya proses pendinginan dilakukan pada gas tersebut sehingga akan mengalami kondensasi dan membentuk cairan. Cairan inilah yang nantinya menjadi bahan bakar, baik berupa bensin maupun bahan bakar diesel.
2.3. Pembakaran Parsial dan Aspek Termodinamika
Proses pirolisis membutuhkan temperatur yang tinggi yaitu pada rentang suhu 400-500°C. Suhu tersebut dapat dicapai dengan memanfaatkan kalor sensibel dari pembakaran parsial plastik PP dan LDPE. Pembakaran parsial yang digunakan adalah pembakaran secara tidak langsung yang memanfaatkan panas (heat) dari ignition source. Banyaknya kalor yang diperoleh dianalisis menggunakan konsep neraca panas atau kesetimbangan energi berdasarkan penerapan hukum I termodinamika. Perubahan energi potensial dan energi kinetik dapat diabaikan sehingga kesetimbangan energi dari reaksi pembakaran dapat dinyatakan dengan persamaan berikut :
Q - W = ∆H
Q – W = Hout – Hin
Proses pirolisis membutuhkan temperatur yang tinggi sehingga dibutuhkan kalor yang optimum dengan menganggap sistem dalam keadaan adiabatis maka :
Hout = Hin
Nilai hin dan hout untuk tiap unit massanya adalah : hin = hout =
∑
ni( ´hf+ ´hT− ´href)dapat dioptimalkan dengan mengatur ukuran reaktor pirolisis yang terintegrasi pada mesin kendaraan bermotor.
Gambar 2. Neraca Kesetimbangan Reaktor Pirolisis
2.4. Cr/ZAA (Zeolit Alam Aktif)
Katalis memegang peran penting dalam distribusi produk minyak, gas, dan residu dari hasil pirolisis limbah plastik. Selain sebagai penurun energi aktivasi yang mempercepat reaksi, katalisator juga dapat mengarahkan arah dari reaksi yang terjadi yang berujung pada distibusi molekul penyusun produknya. Secara umum, katalis heterogen merupakan pilihan yang lebih baik dibanding katalis homogen karena kemudahan dalam pemisahan dan mendapatkannya kembali dari dalam reaktor (Aguado, dkk. dalam Syamsiro, 2015).
Katalis Cr/Zeolit alam yang mudah diperoleh, terlebih dengan murahnya harga zeolit alam yang terjual di pasaran. Hal ini sangat mendukung kemajuan perkembangan energi alternatif di kalangan masyarakat awam karena harga yang terjangkau.
mengakibatkan struktur zeolit kelebihan muatan negatif. Untuk menetralkan muatan negatif kerangka zeolit, zeolit mengikat kation-kation seperti Na+, K+, Ca2+, Sr2+ atau Cr2+ (Susanti dan Pandjaitan, 2010 dalam Irvantino, 2013).
2.5. Kalor Gas Buang Knalpot
Perpindahan kalor secara konduksi adalah proses perpindahan panas dari yang bersuhu tinggi ke yang bersuhu lebih rendah yang bersinggungan secara langsung. Menurut Holman, besarnya laju perpindahan kalor (q):
qk=k . A
∆ x (T panas−T dingin)
Laju perpindahan kalor konveksi antar suatu permukaan dengan fluida dapat dihitung dengan hubungan sebagai berikut :
0
Tw−T¿
qc=h . A .¿
Panas dalam knalpot standart Suzuki Sky Drive 125 mencapai rata-rata panas 250°C pada putaran 7000 rpm. Panas yang terbuang percuma ini coba dimanfaatkan oleh Thamrin dan Hadi, (2013) melalui penelitiannya yang memanfaatkan kalor gas buang kendaraan bermotor roda dua untuk pemanas kotak makanan pada layanan pesan antar. Terdapat sebuah saluran yang menghubungkan knalpot dan pemanas kotak penyimpanan makanan lalu dilakukan uji temperatur berdasarkan jarak tempuh motor.
Tabel 2. Pengujian Kotak Penghangat Makanan Berdasarkan Jarak Tempuh (Thamrin dan Hadi, 2013)
T11 s/d T15 = suhu akhir saat motor telah menempuh jarak (oC)
BAB III METODE PENULISAN
3.1 Pendekatan Penulisan
Adapun bentuk pendekatan yang digunakan di dalam penelitian ini adalah pendekatan kuantitatif. Pendekatan kuantitatif adalah bentuk pendekatan yang dilakukan dengan aturan-aturan mengenai logika, kebenaran, hukum-hukum, dan prediksi. Fokus penelitian kuantitatif yaitu sebagai proses kerja yang berlangsung secara ringkas, terbatas, dan memilah-milah permasalahan menjadi bagian yang dapat diukur atau dinyatakan dalam angka-angka. Hal ini bertujuan untuk menjelaskan dan menguji hubungan antar variabel, menguji teori, dan meramalkan suatu gejalan (mempunyai nilai prediktif).
3.2. Cara kerja
1. Pengaktivan katalis zeolit alam
a. Tiga puluh gram zeolit alam digerus hingga berukuran 100 mesh, lalu dicuci dengan aquadest, disaring dengan corong Buchner. Kemudian, dipanaskan dengan oven 120°C selama 2 jam;
b. Zeolit alam direfluks menggunakan 250 mL HCl 3M pada labu leher tiga dengan suhu 80°C selama 1 jam sambil dilakukan pengadukan selama selang 10-15 menit;
c. Hasil refluks tersebut didekantasi, lalu endapan dicuci dengan aquadest kemudian endapan dikeringkan menggunakan oven pada suhu 120°C selama 2 jam;
d. Zeolit alam direfluks menggunakan 250 mL (NH4)2SO4 1M pada suhu 80°C selama 1 jam, hasil refluks didekantasi kembali untuk memperoleh endapan, endapan dicuci menggunakan aquadest kemudian dimasukkan ke dalam oven 120°C selama 1 jam untuk pengeringan; dan
2. Preparasi katalis Cr/Zeolit
a. Cr(NO3)3.9H2O ditimbang sebesar 11,5 gram lalu dimasukkan ke dalam gelas beker yang telah berisi 100 mL aquadest dan diaduk perlahan-lahan;
b. Tiga puluh gram padatan zeolit alam aktif (ZAA) dimasukkan ke dalam gelas beker;
c. Larutan Cr(NO3)3.9H2O yang telah bercampur dengan ZAA dipanaskan pada suhu 70-80°C selama 2 jam sambil diaduk perlahan-lahan;
d. Larutan didekantasi untuk memperoleh endapan kemudian ZAA dikeringkan dengan oven pada suhu 120°C; dan
e. Endapan dikalsinasi pada suhu 400 °C selama 3 jam menggunakan
muffle.
3. Pengujian kenaikan temperatur pembakaran parsial pada proses pirolisis plastik LDPE
a. Potongan-potongan plastik LDPE sebanyak 1,83 gram dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis, lalu reaktor ditutup;
b. Heater dihidupkan untuk memanaskan plastik LDPE pada suhu 250°C dan ditunggu hingga panas reaktor pirolisis mencapai suhu 400°C ;
c. Jika reaktor pirolisis telah konstan pada suhu 400°C, heater
dimatikan. Lalu ditunggu hingga tabung reaktor dingin. Kemudian keadaan di dalam reaktor diperiksa;
d. Plastik LDPE yang masih tersisa di dalam reaktor ditimbang menggunakan neraca analitis digital; dan
e. Percobaan (a) hingga (d) diulang sehingga memperoleh lima data percobaan.
4. Pengukuran besar konversi plastik LDPE menjadi bahan bakar menggunakan katalisator maupun tanpa katalisator dan umur katalisator a. Potongan-potongan plastik LDPE sebanyak 300 gram dimasukkan
ke dalam reaktor pirolisis;
b. Pipa berisi katalisator disambungkan dengan pipa gas keluar reaktor; c. Heater dihidupkan untuk memanaskan plastik LDPE pada suhu
d. Stopwatch dihidupkan untuk memperoleh sejumlah bahan bakar yang didapatkan selama 60 menit;
e. Volume, rapat massa, dan viskositas minyak yang didapatkan diukur; f. Percobaan (a) hingga (f) diulang sehingga memperoleh tiga data
percobaan;
g. Langkah (a) hingga (f) diulang pada keadaan tanpa menggunakan katalisator; dan
h. Langkah (a) hingga (f) diulang dengan massa plastik sebesar 500 gram, 700 gram dan menggunakan katalisator baru.
5. Pengukuran rapat massa minyak hasil pirolisis
a. Suhu percobaan atau suhu lingkungan diukur menggunakan
d. Aquadest dikeluarkan dari piknometer lalu piknometer dikeringkan; dan
e. Langkah (a) hingga (d) diulang untuk pengukuran rapat massa minyak hasil pirolisis.
6. Pengujian viskositas minyak hasil pirolisis
a. Viskosimeter ostwald berdiamater 1 mm diisi dengan minyak; b. Viskosimeter ostwald berdiamater 0,6 mm diisi dengan aquadest;
c. Viskosimeter dan termometer alkohol 110 ℃ dimasukkan ke dalam waterbath, waterbath dihidupkan dan knop suhu diatur pada
thermostat agar tercapai suhu yang diinginkan yaitu 30 ℃ ;
d. Setelah suhu 30 ℃ yang dicapai konstan, suhu yang tertera pada termometer alkohol 110 ℃ dicatat sebagai suhu awal dan zat cair dinaikkan lebih tinggi dari tanda paling atas pada viskosimeter ostwald dengan menggunakan bola penghisap;
e. Saat tanda yang diatas dilewati oleh zat cair tersebut, stopwatch
dihidupkan dan saat zat cair melewati tanda yang paling bawah,
dicatat dan suhu pada termometer alkohol 110 ℃ dicatat sebagai suhu akhir.
f. Langkah (a) sampai (e) diulang untuk minyak hasil pirolisis lainnya, serta aquadest sebanyak 3 kali.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Penelitian
1. Pengujian Pembakaran Parsial (Partial Combustion) dan Yield Minyak Hasil Pirolisis Menggunakan Katalis dan Tanpa Katalis
Tabel 3. Hubungan Kenaikan Suhu Reaktor terhadap Waktu Pirolisis Tanpa Katalis dan Kuantitas Yield Minyak Waktu (Menit) Suhu (oC) Yield Minyak
15 258 0
Tabel 4. Hubungan Kenaikan Suhu Reaktor terhadap Waktu Pirolisis Menggunakan Katalis
Waktu (Menit) Suhu (oC) Yield Minyak
15 278 0
Tabel 5. Analisis Minyak Hasil Pirolisis
3.
Perpindahan Panas Gas Buang Knalpot
Tabel 6. Laju Perpindahan Panas Knalpot Berdasarkan Putaran Mesin (Sumber : Thamrin dan Hadi, 2013)
Putaran Mesin (rpm)
800 1500 2000 2500 3000 3500
qk (W)
17520 43800 43800 35040 26280 17520
4.2. Pembahasan
1. Desain dan Mekanisme Kerja Alat Pirolisis
dipanaskan di atas suhu leburnya untuk berubah menjadi uap. Proses pemanasan ini bertujuan untuk mendorong terjadinya perengkahan pada molekul polimer. Heater sebagai sumber panas pada Gambar 3. mengonduksikan kalor melalui kawat yang dikontakkan langsung pada reaktor pirolisis. Besarnya kalor yang dapat ditransfer dapat diatur melalui temperatur controller yang terdapat pada heater dalam penelitian ini yaitu suhu 500°C.
Sistem yang digunakan adalah reaktor batch unsteady state
sehingga besarnya perubahan temperatur terhadap waktu dapat diukur menggunakan temperature indicator yang terintegrasi dengan heater. Jika air fuel ratio (AFR) pirolisis secara teoritis adalah nol, namun dalam percobaan ini nilai AFR mendekati nol pada kisaran angka 0,14 yang berarti setiap 1 gram LDPE/PP membutuhkan 0,0043 mol atau 0,1365 gram O2. Hal ini untuk mendukung terjadinya proses pembakaran parsial yang membantu kenaikan temperatur menjadi 400-500°C di dalam reaktor pirolisis. Pada akhirnya, gas O2 akan habis bereaksi sehingga nilai AFR menjadi nol seutuhnya dan proses
cracking menjadi optimal.
Gas hasil pirolisis dialirkan menuju kondensor, namun terlebih dahulu melewati kawat strimin stainless berukur 120 mesh yang berisi katalis dalam hal zeolit alam aktif. Kawat strimin diselipkan di dalam rongga pipa yang menghubungkan reaktor dan kondensor. Hal ini bertujuan agar kontak antara gas dan katalis lebih optimal. Setelah itu, gas masuk ke dalam kondensor untuk dikondensasi sehingga gas hasil cracking yang dikatalis dapat diembunkan dari fase gas ke fase cair. Tetesan-tetesan minyak di ujung pipa ditampung di dalam wadah sesuai yang tertera pada Gambar 3.
2. Hubungan Kenaikan Temperatur terhadap Waktu Pirolisis tanpa Katalis Proses pirolisis 100 gram plastik yang dilakukan tanpa menggunakan katalis diamati perubahan suhu reaktornya terhadap waktu pengamatan. Konsep proses pirolisis pada percobaan ini menggunakan bantuan pembakaran parsial (partial combustion) oleh udara yang tersusun atas 21% O2 dan 79% N2. Gambar 4.3. di bawah ini berupa grafik yang mengintrepretasikan data-data pengamatan.
0 30 60 90 120 150
Gambar 4. Grafik Kenaikan Suhu Reaktor terhadap Waktu Pirolisis Tanpa Katalis Pada Suhu 500 Cᵒ
Grafik tersebut menunjukkan kemampuan proses pembakaran parsial yang dapat berperan dalam mempercepat kenaikan suhu pada reaktor pirolisis sehingga mencapai suhu yang ditargetkan yaitu 500°C. Hal ini sangat signifikan karena kurang lebih pada menit ke-45, pembakaran pirolisis bahkan telah dapat mencapai suhu 500°C sesuai yang ditargetkan. Tidak hanya itu, kecenderungan sistem dalam mempertahankan suhu di sekitar 500°C yang telah diperoleh pun cukup baik terhitung di menit ke-45 sesuai grafik pada Gambar 4.
0 30 60 90 120 150
Gambar 5. Grafik Kenaikan Suhu Reaktor terhadap Waktu Pirolisis Menggunakan Katalis Pada Suhu 500 Cᵒ
Berdasarkan grafik tersebut, proses pirolisis dengan katalis yang menggunakan pembakaran parsial memiliki data-data eksperimen yang tidak berbeda jauh dengan proses pirolisis tanpa katalis yang telah mencapai suhu 500°C pada menit ke-45. Hanya saja di 30 menit pertama, suhu reaktor dengan katalis memiliki laju kenaikan suhu yang lebih tinggi dibanding reaktor tanpa katalis. Jika dianalisis dari kecenderungan mempertahankan suhu di 500°C, reaktor pirolisis dengan katalis juga tergolong cukup baik.
sisa padatan dan gas dengan jumlah sedikit. Sisa padatan dengan jumlah sedikit menunjukkan bahwa polimer yang terkandung dalam plastik telah terbakar dan ter-depolimerisasi dengan baik. Hasil gas yang sedikit menunjukkan bahwa hasil pembakaran telah terkondensasi dengan baik pula.
4. Analisis Yield Minyak Proses Pirolisis Tanpa Katalis Zeolit
Analisis yield minyak yang diperoleh pada reaksi pirolisis tanpa katalis diinterpretasi dalam bentuk grafik pada Gambar 6.
0 30 60 90 120 150
Gambar 6. Yield Produk Minyak Terhadap Waktu Pirolisis Tanpa Katalis
dalam mengarahkan reaksi pembentukan minyak bahan bakar alternatif seperti yang tertera dalam grafik pada Gambar 6.
5. Analisis Yield Minyak Proses Pirolisis Menggunakan Katalis Zeolit
0 30 60 90 120 150 katalis diinterpretasi dalam bentuk grafik pada Gambar 7.
G
Gambar 7. Yield Produk Minyak Terhadap Waktu Pirolisis Dengan Katalis
yang dikatalisis. Perpaduan antara logam dan zeolit dapat meningkatkan efektivitas katalitik pada reaksi pirolisis yang perpaduannya dilakukan dengan proses kalsinasi dan impregnasi. Salah satunya adalah kombinasi Zeolit alam aktif dan logam Kromium membentuk katalis Cr/ZAA (Zeolit alam aktif).
Dari dua hasil pengujian di atas, penggunaan katalis dalam reaksi pirolisis terbukti efisien dalam menghasilkan kuantitas minyak bahan bakar alternatif yang lebih banyak dibanding tanpa menggunakan katalis.
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan
1. Laju kenaikan temperature pada proses pirolisis yang menggunakan katalis lebih cepat dibanding tanpa katalis pada 30 menit pertama, namun secara keseluruhan perbedaan tidak signifikan
2. Proses pirolisis dengan katalis menghasilkan yield minyak yang lebih besar yaitu 0,1583 dibanding tanpa katalis yaitu 0,0939 sehingga katalis sangat membantu menaikkan yield proses pirolisis
3. Pembakaran parsial dapat membantu menaikkan temperatur menjadi 500ºC untuk proses pirolisis dengan air fuel ratio (pebandingan massa) 0,14 untuk 1 gram LDPE/PP
4. Besar specific gravity dan viskositas minyak hasil pirolisis dengan katalis lebih rendah yaitu 0, 8399 dan 1,312 dibandingkan tanpa katalis yaitu 0,8664 dan 2,582. Semakin rendah specific gravity dan viskositas suatu minyak, maka kualitas minyak bahan bakar akan semakin baik
6. Desain alat pirolisis terintegrasi dengan kendaraan bermotor dapat menghasilkan bahan bakar alternatif dengan bantuan katalisator, salah satunya Cr/ZAA yaitu kombinasi chromium-activated natural zeolite. 5.2. Saran
1. Desain alat pirolisis harus anti-korosi atau memiliki tingkat korosivitas yang rendah (corrosion allowance) sehingga tidak mempengaruhi proses pirolisis maupun kualitas produk yang dihasilkan
2. Limbah plastik yang digunakan sebaiknya berwarna putih agar hasil minyak yang diperoleh memiliki banyak fraksi ringan khususnya bensin karena plastik berwarna hitam banyak menghasilkan lilin yang merupakan fraksi berat.
