BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PENCEMARAN UDARA
Pencemaran udara diartikan sebagai adanya bahan-bahan atau zat-zat asing didalam udara yang menyebabkan perubahan susunan (komposisi) udara dari keadaan normalnya. Kehadiran bahan atau zat asing dalam udara dengan jumlah tertentu serta berada diudara dalam waktu yang cukup lama, akan dapat mengganggu kehidupan manusia, hewan dan tumbuhan. Bila keadaan tersebut terjadi maka udara dikatakan sudah tercemar (Wardhana.W.A, 2001).
Sumber pencemaran udara yang utama berasal dari transportasi, dimana hampir 60% dari polutan yang dihasilkan terdiri dari karbonmonoksida (CO) dan sekitar 15% terdiri dari hidrokarbon (HC). sumber-sumber polusi lain misalnya pembakaran, proses industri, pembuangan limbah dan lain-lain. Polutan yang utama adalah karbonmonoksida yang mencapai hampir setengah dari seluruh polutan udara yang ada (Fardiaz. S, 1999).
Udara yang berada dalam atmosfer merupakan campuran beberapa macam gas yang perbandingannya tidak tetap, tergantung pada keadaan suhu udara, tekanan udara dan lingkungan sekitar. Udara adalah juga atmosfir yang berada disekeliling bumi yang fungsinya sangat penting bagi kehidupan di dunia ini.
Dalam udara terdapat oksigen (O2) untuk bernafas, karbon dioksida (CO2) untuk proses fotosintesis oleh klorifil pada daun dan ozon (O3) untuk menahan sinar ultra violet. Susunan (komposisi) udara bersih dan kering, kira-kira tersusun oleh : Nitrogen (N2) = 78,09 %
Oksigen (O2) = 21,94 %
Argon (Ar) = 0,93%
Karbon dioksida = 0,032%
dan gas-gas lain dalam udara antara lain gas-gas mulia, nitrogen oksida, hydrogen, methane, belerang dioksida, ammonia, dan lain-lain (Wardhana.W.A, 2001).
Udara didaerah perkotaan yang mempunyai banyak kegiatan industri dan teknologi serta lalu lintas yang padat. Udara didaerah kota tersebut relative sudah tidak bersih lagi karena banyaknya kegiatan industri dan teknologi . Udara didaerah industri sudah kotor terkena bermacam-macam pencemar. Dari bermacam-macam komponen pencemar udara, maka yang paling banyak berpengaruh dalam pencemaran udara adalah komponen-komponen berikut ini:
(Wardhana.W.A, 2001).
1. Karbon monoksida (CO) 2. Nitrogen oksida (NOx) 3. Belerang oksida (SOx) 4. Hidro karbon (HC)
5. Partikel (particulate), dan lain-lain
2.1.1. Penyebab Pencemaran Udara
Diera globalisasi seperti sekarang ini pembangunan berkembang semakin pesat, khususnya dalam bidang industry dan teknologi, serta kemacetan akibat meningkatnya jumlah kendaraan bermotor yang menggunakan bahan bakar minyak bumi menyebabkan udara yang kita hirup disekitar kita menjadi tercemar oleh gas-gas buang hasil pembakaran.
Secara umum penyebab pencemaran udara ada 2 macam yaitu (Wardhana.W.A, 2001):
1. Karena factor internal (secara alamiah), contoh:
a. Debu yang berterbangan akibat tiupan angina
b. Abu yang dikeluarkan dari letusan gunung berapi berikut gas-gas vulkanik c. Proses pembusukan sampah organic
2. Karena factor eksternal (karena ulah manusia), contoh : a. Hasil pembakaran bahan bakar fosil
b. Debu / serbuk dari kegiatan industri.
c. Pemakaian zat-zat kimia yang disemprotkan ke udara
2.1.2. Komponen Pencemar Udara
Pengaruh yang sangat berbahaya untuk kesehatan dari pencemaran udara tentu sangat merugikan manusia. Pencemaran udara didaerah perkotaan yang sebagian besar disebabkan oleh emisi gas buang dari kendaraan bermotor yang menggunakan bahan bakar minyak bumi. Jelas hal ini sangat mengganggu kesehataan masyarakat perkotaan karena banyaknya kendaraan yang berlalu- lalang disetiap jalan. Pencemaran udara semakin parah dengan minimnya lahan hijau diperkotaan sebagai tempat pensuplai kebutuhan oksigen.
Prosentase pencemar udara disumbang terbesar oleh karbonmonoksida.
Sumber pencemaran udara yang berasal dari transportasi adalah komponen- komponen seperti dijelaskan pada table 2.1.
Table 2.1 prosentase pencemar udara (Wardhana.W.A, 2001) Komponen pencemar Prosentase
CO 70,50%
Nox 8,89%
SOx 0,88%
HC 18,34%
Partikel 1,33%
Total 100%
Berdasarkan pada table diatas penyumbang terbesar pencemaran udara pada kendaraan mobil adalah CO dengan prosentase 70,50% dan yang ke dua adalah HC dengan 18,34%. Berarti komponen terbanyak yang kita hirup jika udara tercemar adalah CO dan HC. Padahal seperti yang kita ketahui kedua komponen ini sangat berbahaya bagi kesehatan manusia.
a. Karbon Monoksida (CO)
Karbon monoksida (CO) adalah suatu komponen tidak berwarna, tidak berbau dan tidak mempunyai rasa yang terdapat dalam bentuk gas pada suhu diatas (-1920C). Komponen ini mempunyai berat sebesar 96,5% dari berat air dan tidak larut didalam air. Karbon monoksida yang terdapat dialam terbentuk dari salah satu proses sebagai berikut : (Fardiaz. S, 1999).
1. Pembakaran tidak lengkap terhadap karbon atau komponen yang mengandung karbon.
2. Reaksi antara karbon dioksida dan komponen yang mengandung karbon pada suhu tinggi.
3. Pada suhu tinggi karbon dioksida terurai menjadi karbon monoksida dan O Sedangkan pengaruh CO terhadap kesehatan manusia yang menyebabkan gangguan pada tubuh ditunjukan pada table 2.2.
Tabel 2.2 Pengaruh CO diudara pada kesehatan manusia (Wardhana.W.A, 2001).
Kosentrasi CO diudara (ppm)
Kosentrasi CO Hb dalam darah (%)
Gangguan pada tubuh
3 0,98 Tidak ada
5 1,3 Belum begitu terasa
10 2,1 System syaraf sentral
20 3,7 Panca indra
40 6,9 Fungsi jantung
60 10,1 Sakit kepala
80 13,3 Sulit bernafas
100 16,5 Pingsan – kematian
b. Hidrokarbon (HC)
Hirdokarbon atau sering disingkat dengan HC adalah pencemar udara yang dapat berupa gas, cair, maupun padatan. Hidrokarbon merupakan komponen penyumbang pencemaran udara terbesar ke dua setelah karbonmonoksida.
Dinamakan hidrokarbon karena penyusun utamanya adalah atom carbon dan atom hidrogen yang dapat terikat (tersusun) secara ikatan lurus (ikatan rantai) atau terikat secara ikatan cincin(ikatan tertutup). Jumlah atom karbon (atom C) dalam senyawa hidrokarbon akan menentukan bentuknya, apakah akan berbentuk gas, cairan atau padatan. Pada suhu kamar umumnya hidrokarbon suku rendah (jumlah atom C sedikit) akan berbentuk gas. Hidrokarbon suku menengah (jumlah atom C sedang) akan berbentuk cairan dan hidrkarbon suku tinggi (jumlah atom C banyak) akan berbentuk padatan (Wardhana.W.A, 2001).
Toksisitas dua buah senyawa HC aromatic yaitu Benzena (C6H6) dan senyawa Toluena (C7H8) terhadap tubuh manusia ditunjukan pada tabel 2.3.
Tabel 2.3. Toksisitas Benzena dan Toluena (Ebenezer.dkk, 2006) Jenis Hidrokarbon Konsentrasi
(ppm)
Dampak kesehatan
Benzena (C6H6) 100 Iritasi terhadap mukosa 3.000 Lemas setelah (0,5 - 1 jam)
7.500 Pengaruh sangat berbahaya setelah pemaparan 1 jam
20.000 Kematian (5 – 10 menit)
Toluene (C7H8) 200 Pusing, lemas, kunang-kunang setelah 8 jam
600 Kehilangan koordinasi, bolamata terbalik setelah pemaparan 8 jam
2.2 Proses Pembakaran Motor Bensin 4 Langkah
Campuran bahan bakar – udara didalam silinder motor bensin harus sesuai dengan syarat busi,yaitu jangan terbakar sendiri. Ketika busi mengeluarkan api listrik,yaitu pada saat beberapa derajat engkol sebelum torak mencapai TMA, campuran bahan bakar – udara disekitar itulah yang mula-mula terbakar.
Kemudian nyala api merambat ke segala arah dengan kecepatan yang sangat tinggi (25-50 m/detik), menyalakan campuran yang dilaluinya sehingga tekanan gas didalam silinder naik,sesuai dengan jumlah bahan bakar yang terbakar (Arismunandar.W, 2005).
Sesuai dengan namanya motor bensin 4 langkah melakuan 4 kali proses dalam 1 kali pembakaran. Proses prinsip kerja motor bensin 4 langkah ditunjukkan pada gambar 2.1 dan untuk diagram P – V secara jelas pada gambar 2.2.
Gambar 2.1 Proses kerja mesin 4 langkah Otto (Nurcholis, L. 2011) V V
Gambar 2.2 Grafik P – V siklus Otto (Nurcholis, L. 2011)
Langkah Hisap (0 - 1)
a. Langkah hisap merupkan proses isentropic kompressi yaitu proses tekanan konstan. Selama proses ini berjalan tidak terjadi perubahan tekanan.
b. Katup masuk terbuka dan katup buang tertutup.
c. Torak bekerja dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati bawah) sehingga volume ruang bakar bertambah.
Langkah Kompressi
a. Merupakan proses adiabatic dimana tidak ada kalor yang masuk dan kalor yang keluar.
b. Torak bekerja dari TMB menuju ke TMA sehingga volume ruang bakar berkurang.
c. Katup masuk dan katup buang tertutup.
Langkah Ekspansi
a. Katup masuk dan katup buang masih tertutup.
b. Torak bekerja dari TMA menuju ke TMB karena adanya gaya dorong dari hasil pembakaran sehingga disebut juga langkah kerja.
c. Gas sisa pembakaran diekspansi sehingga volume ruang bakar bertambah.
d. Merupakan proses Adiabatis.
Langkah Buang
a. Katup masuk tertutup dan katup buang terbuka.
b. Torak bekerja dari TMB menuju ke TMA sehingga gas sisa pembakaran akan terdorong keluar melalui katup buang.
c. Merupakan proses tekanan konstan.
Pembakaran sempurna terjadi karena ada tiga komponen yang bereaksi , yaitu bahan bakar, oksigen dan panas, jika salah satu komponen tersebut tidak ada maka tidak akan terjadi reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran sempurna, dimana diamsumsikan semua bensin terbakar dengan sempurna perbandingan udara dengan bahan bakar 14,7 : 1.
Persamaan reaksi pembakaran sempurna adalah sebagai berikut:
2 C8H18 + 25 O2 18 H2O + 16 CO2 (2.1)
Skema pembakaran ditunjukan pada gambar 2.3 dimana energi + gas buang berasal dari pembakaran yang membutuhkan bahan bakar, oksigen dan panas.
Gambar 2.3 Skema Pembakaran Sempurna pada Mesin Bensin (Syaharani, 2006) Bahan Bakar + Oksigen + Panas
Pembakaran
Energi + Gas buang
C8H18 atau oktane adalah rumus kimia bahan bakar yang digunakan yaitu premium. Kemudian oksigen (O2) dari udara. Setelah pembakaran berlangsung maka terbentuklah gas yang terbuang keudara yaitu karbondioksida (CO2) dan dan air (H2O) (Syahrani, A. 2006).
2.3 Nilai AFR dan Lambda
Perbandingan bahan bakar dengan udara sangat mempengaruhi kadar emisi gas buang yang dihasilkan, untuk mengetahui kadar emisi gas buang, alat uji emisi dilengkapi dengan pengukuran nilai (lambda) atau AFR ( air fuel ratio).
Yang dapat mengindikasikan campuran tersebut basah atau kering ( Swisscontact, 2003). Lambda adalah suatu perbandingan antara kebutuhan teoritis udara dan kondisi nyata dari suatu campuran bahan bakar dengan udara ( Warju, 2006).
Untuk membakar 1 gram bensin dengan sempurna diperlukan 14,7 gram oksigen. Dengan kata lain, perbandingan campuran ideal = 14,7 : 1. Jumlah perbandingan tersebut sama dengan teori Stoichiometri. Perbandingan campuran sering disebut dengan istilah AFR atau perbandingan udara dan bahan bakar.
Untuk membandingkan teori dengan kondisi nyata, dirumuskan suatu perhitungan yang disebut dengan istilah lambda ( ), secara sederhana dapat dirumuskan pada persamaan 2.2.
=
(2.2)
Jika jumlah udara sesungguhnya adalah 14,7 maka:
= 14,7 / 14,7:1 = 14,7 / 14,7 = 1
Artinya :
= 1 ( mengindikasikan campuran ideal)
> 1 ( mengindikasikan campuran kurus atau kering, dimana udara pembakaran berlebih)
< 1 ( mengindikasikan campuran kaya atau basah, dimana bahan bakar berlebih). Persamaan AFR dan lambda ) ditunjukan pada table 2.3.
Tabel 2.4 Persamaan AFR dan Lambda ) (Syahrani, A. 2006)
AFR Lambda AFR Lambda
5 0,340 15 1,020
6 0,408 15,5 1,054
7 0,476 16 1,088
8 0,544 16,5 1,122
9 0,612 17 1,156
10 0,680 17,5 1,190
11 0,748 18 1,224
12 0,816 18,5 1,259
13 0,884 19 1,293
14 0,952 19,5 1,327
14,7 1,000 20 1,361
Gambar 2.4 memperlihatkan daerah operasi katalitik reduksi dan katalitik oksidasi. Daerah yang gelap merupakan daerah operasi sekitar = 1 ± 1%.
Gambar 2.4 Daerah operasi three way Catalytic Converter
Gambar 2.4 diatas menunjukan adanya reduksi katalis dan oxidase katalis.
Sistem pengendalian yang menjaga komposisi campuran udara - bahan bakar yang masuk ke ruang bakar tetap pada daerah lambda yang diinginkan ( = 1 ± 1%).
Sebagai pendeteksi gas buang digunakan sensor lamnda. Sensor ini akan mendeteksi apakah campuran lebih kaya atau lebih miskin dari = 1 (Ellyanie.2011).
2.4 Sumber Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor
Polutan yang keluar dari hasil pembakaran pada motor pembakaran dalam disebut emisi gas buang. Pembakaran yang mendekati sempurna lebih sedikit mengandung gas CO2 dan H2O. Ada empat sumber polusi yang berasal dari kendaraan bermotor yaitu (Warju, 2009).
a. Pipa gas buang knalpot adalah sumber yang paling utama sekitar (65-85%) dan mengeluarkan Hidrokarbon (HC) yang terbakar maupun tidak terbakar, bermacam-macam nitrogen oksida (NOx), Karbonmonoksida (CO) dan campuran alcohol, aldehida, keton, penol, asam, ester, ether, epoksida, peroksida dan oksigen lainya.
b. Bak oli adalah sumber kedua sekitar 20% dan mengeluarkan hidrokarbon yang terbakar maupun yang tidak yang dikerenakan blowby.
c. Tangki bahan bakar adalah factor yang disebabkan oleh cuaca panas dengan kerugian penguapan hidrokarbon mentah (5%).
d. Karburator adalah factor lainya terutama saat kendaraan pada posisi stop and go (kondisi macet) dengan cuaca panas, dengan kerugian penguapan dan bahan bakar mentah (5-10%)
Besarnya gas buang bermotor tanpa kontrol emisi ditunjukan pada table 2.5.
Saluran gas buang merupakan sumber CO, HC dan NOx terbesar, kemudian disusul oleh ruang engkol.
Tabel 2.5 Kontribusi gas buang bermotor tanpa control emisi (Arismunandar , W. 2005)
Sumber polutan CO (%) NOx (%) HC (%)
Ruang engkol 1 – 2 1 - 2 25
System bahan bakar 0 0 10
Gas buang 98 – 99 98 - 99 65
Pada motor bensin konvensional dengan perbandingan bahan bakar udara yang kaya, kadar NOx dalam gas buang turun akan tetapi kadar CO dan HC naik.
Jika digunakan perandingan bahan bakar udara yang miskin, Kadar CO dan HC turun, tetapi kadar NOx naik. Sedangkan jika digunakan perbandingan yang sangat miskin, kadar CO dan NOx turun, tetapi kadar HC bertambah besar. Hal tersebut terjadi karena kesulitan penyalaan, kecepatan pembakaran yang rendah srta pemmbakaran yang tidak stabil (Arismunandar,W. 2005).
Standar emisi gas buang kendaraan bermotor yang telah ditetapkan oleh pemerintah berdasarkan keputusan mentri lingkungan hidup tentang ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor, nampak pada table 2.6.
Table 2.6 KepMen LH No. 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang
Adapun kandungan gas buang yang dapat mengangu kesehatan adalah:
1. Karbonmonoksida (CO)
Karbonmonoksida yang bersumber dari saluran gas buang merupakan komponen polutan terbesar. Perbandingan bahan bakar dan udara menentukan banyaknya CO yang dihasilkan dari gas buang kendaraan kendaraan bermotor.
Untuk mengurangi kadar CO maka perbandingan udara dan bahan bakar harus sebasar 14,7 : 1. Besarnya perbandingan ini pada waktu motor berjalan jarang dipertahankan, karena kualitas campuran selalu berubah-ubah dengan frekuansi putar dan pembebanan motor. Pada table dibawah ni akan dijelaskan bahwa presentase karbonmonoksida pada motor diesel bila dibandingkan dengan motor otto praktis diabaikan. Hal ini disebabkan karena motor diesel selalu bekerja dengan udara lebih yang dapat mengakibatkan pembakaran sempurna dari bahan bakarnya (Arends,B. 1980).
Berdasarkan tabel 2.7 bahwa kadar CO pada motor bensin lebih tinggi dari pada motor diesel pada setiap kecepatan putaran mesin. Hal ini disebabkan karena perbandingan campuran kurang ideal. Disebabkan pula oleh frekuensi putaran rendah, derajat isian tidak sempurna dan tekanan kompresi yang rendah sehingga mengakibatkan pembakaran tidak sempurna.
Table 2.7 Prosentase perbandingan CO motor Otto dan motor Diesel (Sampe bane.M, 2011)
Pengujian tersebut dilakukan dengan pada suhu, volume pembakaran yang sama. Perbedaan nilai CO tersebut disebabkan oleh pemakaian udara lebih selama pembakaran. Jika semakin miskin campuran maka akan meningkatnya presentase zat asam. Apabila karbon didalam bahan bakar terbakar habis dengan sempurna, maka terjadi reaksi seperti pada persamaan 2.3 (Warju, 2009).
C + O2 CO2 (2.3)
Namun jika unsur oksigen (udara) tidak cukup, maka terjadi proses pembakaran yang tidak sempurna yang menghasilkan CO seperti pada reaksi 2.4.
C + ½ O2 CO (2.4)
Jumlah gas CO yang dikeluarkan oleh mesin kendaraan dipengaruhi oleh perbandingan antara udara dan bahan bakar yang dihisap oleh mesin kedalam ruang bakar. Pada saat campuran kaya (kekurangan udara) emisi gas buang CO cenderung naik. Penyebabnya dikarenakan atom karbonmonoksida (CO) yang berasal dari bahan bakar kekurangan oksigen (O2) yang berasal dari udara luar untuk berikatan melalui reaksi kimia didalam ruang bakar dan berubah menjadi karbondioksida (CO2). Sedangkan pada kondisi campuran miskin (kelebihan udara) konsentrasi CO berbanding lurus dengan campuran bahan bakar dan udara yang dihisap sehingga konsentrasi CO akan turun, karena oksigen yang bersal dari
udara cukup untuk memenuhi reaksi dengan karbon membentuk CO2 tetapi mesin akan cepat panas karena kekurangan bahan bakar (Warju, 2009).
2. Hidrokarbon (HC)
Hidrokarbon terbentuk karena bahan bakar yang belum terbakar tetapi sudah keluar bersama-sama gas buang ke atmosfir, karena bahan bakar yang dipakai pada motor bensin tersebut dari hidrokarbon. Selain itu disebabkan oleh pemakaran yang kurang sempurna, karena kekurangan oksigen ( campuran kaya atau basah) sehingga ada sebagian bahan bakar yang belum terbakar dan keluar dalam bentuk didrokarbon atau juga terjadi karena penguapan dari tangki bahan bakar dan bak oli.
Campuran kurus menyebabkan konsentrasi HC menjadi naik, hal ini disebabkan kurangnya pasokan bahan bakar sehingga menyebabkan rambatan bunga api menjadi lambat dan bahan bakar akan segera keluar sebelum terbakar dengan sempurna dan juga pada kondisi campuran kaya.
Selain itu emisi gas buang hidrokarbon timbul disebabkan oleh:
1. Dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah sehingga mengakibatkan HC disekitar dinding tidak terbakar dan keluar bersama gas buang.
2. Pembakaran yang tidak merata (ever misfire).
Adanya overlap intake valve (kedua katup bersama-sama membuka) sehingga HC berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih (Swisscontact, 2003). Terdapat zat hidrokarbon dalam gas buang yang belum terbakar. Banyaknya tergantung dari keadaan waktu berjalan seperti yang ditunjukan pada table 2.8. Situasi saat motor direm akan mencapai presentase tinggi sekali, penyebabnya adalah kehampaan dikatup gas lebih tinggi dari berputar stasioner.
Tabel 2.8 HC dalam situasi pembakaran (Arends, B. 1980) Situasi pembakaran Prosentase HC yang belum terbakar
Stasioner 17 %
Akselerasi 7 %
Kecepatan normal 13 % Mengerem mendadak 63 %
2.5 Teknologi Pengontrol Emisi
Emsi gas buang dapat dikontrol dan dilakukan untuk mereduksi gas buang berbahaya pada kendaraan bermotor. Teknologi pengontrol emisi sudah banyak dikembangkan dinegara - negara maju. Metode yang digunakan ada beberapa macam, antara lain dengan jalan pemilihan bahan bakar dan perawatan mesin.
Ada beberapa teknologi pengontrol emisi gas buang kendaraan guna mengurangi emisi gas buang antara lain (Irawan.B, Subri.M. 2005):
1. Modifikasi mesin
2. Modifikasi pada saluran gas buang
3. Modifikasi penggunaan bahan bakar atau system bahan bakarnya.
Tugas akhir ini menggunakan metode yang kedua yaitu modifikasi pada saluran gas buang kendaraan bermotor yaitu dengan menggunakan Cataltic Converter dengan katalis jenis metallic honeycomb yang terbuat dari bahan Cu dan Cu*Cr.
2.6 Gambaran Umum Catalytic Converter 2.6.1 Katalis
Katalis terdapat pada bagian dalam casing dari Cataytic Converter. Katalis merupakan suatu zat yang mempengaruhi kecepatan reaksi tetapi tidak dikonsumsi dalam reaksi dan tidak mempengaruhi kesetimbangan kimia pada
akhir reaksi. Akhir-akhir ini katalis juga digunakan untuk menangani masalah polusi udara termasuk untuk mengurangi emisi gas hidrokarbon pada kendaraan bermotor bensin (Irawan.B. Subri.M, 2005).
Katalis adalah bahan yang mempercepat terjadinya reaksi kimia yang tidak mempengaruhi keadaan akhir keseteimbangan reaksi dan komposisi kimia katali tersebut tidak berubah. Bisa juga dikatakan katalis adalah suatu zat yang meningkatkan lajureaksi kimia tanpa ikut terpakai. Fungi utama dari katalis adalah untukt menangani masalah emisi gas buang. Dalam Catalytic Converter, katalis yang digunakan berupa Tembaga (Cu) dan Tembaga lapis Crome (Cu*Cr).
2.6.2. Catalytic Converter
Catalytic converter merupakan alat yang digunakan sebagai kontrol emisi gas buang yang diletakkan setelah exhaust manifold pada system pembuangan kendaraaan bermotor (William L. Husselbee, 1985). Catalytic Converter merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah polutan yang membahayakan pada gas buang menjadi gas yang tidak membahayakan. Alat ini dipasang pada sistem pembuangan, sehingga semua gas buang yang berbahaya dapat berkurang setelah mengalir melaluinya . Gas buang yang keluar dari Catalytic Converter kandungan HC, CO, dan NOxnya lebih rendah dibandingkan yang masuk. Bahan aktif yang digunakan untuk oksidasi CO dan HC atau pengurangan NO (biasanya berupa logam mulia) harus dirancang agar emisi yang didistribusikan dapat melalui luas area permukaan katalis, sehingga karakteristik transfer massa antara fasa gas dan permukaan katalis aktif yang cukup untuk menghindari hampir 100%
terkonversi menjadi gas buang yang tidak membahayakan dengan aktivitas katalitik yang tinggi.
Catalytic Converter ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu casing dan katalis. Katalis merupakan logam yang aktif yang akan menyebabkan terjadinya reaksi kimia jika suhu kerjanya sudah mencukupi. Bahan yang sering dipakai sebagai inti logam aktif adalah platina (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd), dan keramik monolith. Logam Pt dan Pd sangat efektif untuk mereduksi CO dan HC,
Sedangkan logam Rh mampu “menjinakan” NO. Paduan Rhodium (Rh) dan platina (Pt) akan membentuk Catalytic Converter yang disebut Three Way Catalyts (TWC) yang sangat efektif mereduksi sekaligus mengoksidasi CO, NOx
maupun HC (Ellyanie, 2011).
Dari beberapa penelitian terdapat beberapa logam yang diketahui efektik sebagai katalis oksidasi dan reduksi dari yang besar sampai yang kecil adalah Pt, Pd, Ru, Mn, Cu, Ni, Fe, Cr, Zn dan oksidasi dari logam-logam tersebut (Dowden, 1970).
2.7 Prinsip Kerja Catalytic Converter
a. Tahap awal dari proses yang dilakukan pada Catalytic Converter adalah reduction katalis.
Katalis yang digunakan pada tahap ini menggunakan platinum dan rhodium untuk membantu mengurangi emisi NOx. Ketika molekul NO atau NO2
bersinggungan denagn katalis, sirip katalis mengeluarkan atom nitrogen dari molekul dan menahannya. Sementara oksigen yang ada diubah kebentuk O2. Atom nitrogen yang diterperangkap dalam catalyst tersebut bereaksi dengan atom nitrogen lainnya sehingga terbentuk format N2. Rumus kimianya dapat dilihat pada persamaan 2.5 (Ellyanie, 2011).
2NO N2 + O2 atau 2NO2 N2 + 2O2 (2.5) b. Tahap kedua dari proses didalam Catalytic Converter adalah oxidization
catalyst.
Ruang bakar yang masih dingin menyebabkan hidrokarbon meningkat. Proses ini mengurangi hidrokarbon yang tidak terbakar di ruang bakar dan CO dengan membakarnya (oxidizing) melalui katalis platinum dan palladium. Katalis ini membantu reaksi CO dan HC dengan oksigen yang ada didalam gas buang.
Reaksinya dapat dilihat pada persamaan 2.6.
2CO + O2 2 CO2 (2.6)
c. Tahap ketiga adalah pengendalian system yang memonitor arus gas buang.
System akan memonitoring informasi yang diperoleh sebagi kendali system injeksi bahan bakar. Ada sensor oksigen yang diletakkan sebelum Catalytic Converter dan cenderung lebih dekat kemesin dari pada converter itu sendiri.
Sensor ini memberi informasi ke Electronic Control System (ESC). ESC akan memproses informasi tersebut kemudian hasil outputnya adalah pengurangan atau penambahan jumlah oksigen sesuai rasio udara-bahan bakar. Skema pengendalian membuat ESC memastikan kondisi mesin mendekati rasio stoikometri dan memastikan ketersediaan oksigen dalam saluran buang untuk proses oxidization HC dan CO yang belum terbakar (Ellyanie, 2011).
Tahap ke 3 tidak berlaku pada penelitian tugas akhir ini. Hal ini disebabkan egine pengujian masih menggunakan system pembakaran konvensional (karburator) sehingga tidak dilengkapi Electronic Control System (ECS).
2.8. Tipe Catalytic Converter
Catalytic Converter mempunyai berbagai macam bentuk, namun secara garis besar dapat digolongkan menjadi 3 golongan yaitu Catalytic Converter Oksidasi, Two-way Catalytic Converter, Three-way Catalytic Converter.
2.8.1 Catalytic Converter Oksidasi
Katalis oksidasi berfungsi untuk mengubah CO dan HC menjadi CO2 dan air dalam gas buang. Katalis jenis ini beroperasi pada kendaraan udara berlebih.
Udara berlebih yang digunakan untuk proses oksidasi dapat melalui pengaturan campuran miskin ( > 1) (Irawan.B, 2012). Catalytic Converter oksidasi ditunjukan pada gambar 2.5.
Gambar 2.5 Catalytic Converter Oksidasi (Irawan.B, 2012) 2.8.2. Two- way Catalytic Converter
Sistem Two-way Catalitic Converter ini terdiri dari dua sistem katalis dimana gas buang akan melalui katalik reduksi dan kemudian katalik oksidasi.
Sistem pertama merupakan katalik reduksi yang akan berperan dalam menurunkan emisi NOX. Sedangkan sistem kedua merupakan sistem oksidasi yang berperan menurunkan emisi HC dan CO. Two-way Catalitic Converter biasanya dipasang pada mesin dengan campuran kaya (basa) (Irawan.B, 2012). Adapun Two - way Catalytic Converter ditunjukan pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Two way Catalytic Converter (Irawan.B, 2012) 2.8.3. Three way Catalytic Conventer
Gambar 2.7 Three Way Catalytic Converter (Irawan.B, 2012)
Three Way Catalytic Converter digunakan untuk mereduksi gas-gas polutan seperti CO, HC, dan NOx yang keluar dari sistem gas buang dengan cara mengubah melalui reaksi kimia sehingga menjadi CO2, uap air (H2O) dan Nitrogen (N). Sistem ini tergolong canggih karena sudah menggunakan control lambda sensor yang dapat mengatur nilai sehingga dapat berfungsi secara optimal (Irawan.B, 2012). Three Way Catalytic Converter ditunjukan pada gambar 2.7.
2.9 Mekanisme Reaksi Catalytic Converter
Reaksi antara karbonmonoksida dengan katalis oksida dan reduksi pada logam transisi dapat berlangsung dengan menggunakan oksigen sebagai oksidator.
Reaksi tersebut dapat berlangsung pada permukaan katalis oksida logam tersebut.
Reaksi pada permukaan katalis dapat diuraikan menurut:
2.9.1 Mekanisme Mars-Van Krevelen
Adsorpsi merupakan proses berlangsungnya reaksi oksidasi karbonmonoksida pada katalis, diikuti terjadinya reaksi CO dengan atom O2 dari katalis kemudian desorpsi CO2 sebagai hasil reaksi. Reaksi ini terjadi pada permukaan bagian dalam (Aryanto A, Razif, M. 2000).
2.9.2. Mekanisme Langmuir- Hinshelwood
Gas karbonmonoksida (CO) yang berasal dari ruang bakar dapat mengalami kondensasi diatas permukaan katalis dan atom oksigen berada disampingnya, selanjutnya keduanya berinteraksi. Reaksi terjadi antara molekul oksigen dengan molekul karbonmonoksida yang keduanya teradsorpsi dipermukaan katalis (Aryanto A ,Razif,M. 2000). Secara jelas mekanismenya dapat ditunjukan pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 mekanisme reaksi oksidasi CO menurut Langmuir – Hinshelwood 2.9.3 Mekanisme Eley – Rideal
Oksigen akan teradorpsi pada permukaan katalis, sedangkan karbonmonoksida dapat mengalami ikatan dengan oksigen selama proses tumbukan. Hasil dari reaksi tersebut akan membentuk CO2. Mekanisme ini ditunjukan pada gambar 2.9.
Gambar 2.9 Skema mekanisme reaksi oksidasi CO menurut Eley- Rideal
2.10. Substract
Substart merupakan bahan dasar dari kontruksi Catalytic Converter yang nantinya dilapisi dengan washcoat. Ada 3 jenis substarct yaitu :
a. Cramic Pellet (Bola-bola keramik)
b. Ceramic Honeycomb (monolith) atau sarang lebah keramik.
c. Metallic Honeycomb (monolith) atau saang lebah logam.
ketiga bentuk Catalytic Converter tersebut ditunjukan pada gambar 2.10 dan potongan metallic honeycomb ditunjukan pada gambar 2.11.
a. Ceramic Pellet
b. Ceramic honeycomb
c. Metallic honeycomb
Gambar 2.10 Konstruksi Catalytic Convereter (Irawan, B. 2012)
Gambar 2.11. Potongan metallic honeycomb (Irawan,B. 2012)
2.11. Bahan Katalis a. Tembaga (Cu)
Tembaga (Cu) adalah salah satu dari sederetan logam yang mempunyai termal ataupun electric conductivity terbaik. Logam ini merupakan salah satu unsur logam transisi yang berwarna coklat kemerahan.Tembaga (Cu) adalah termasuk logam mulia dengan logam yang cukup lama dikenal manusia dan mempunyai sifat tahan karat non asam, mampu mengalirkan panas serta listrik dengan baik (Suharto, 1995).
Karena Tembaga (Cu) mempunyai sifat mampu alir panas dan listrik yang baik, maka banyak dipakai sebagai kondensor dan alat-alat pemanas. Tembaga mempunyai titik lebur pada 10830C, titik didih 25670C, kapasitas panas 0,385 j/g K serta mempunyai kemampuan St 37 (Sunardi, 2006).
b. Chrome (Cr)
Chrome atau kromium (Cr) merupakan logam berat dengan berat atom 51,996 g/mol . Berwarna abu-abu , tahan terhadap oksidasi meskipun pada suhu tinggi, mengkilat, keras, memiliki titik cair 1.8570 0C dan titik didih 2.6720 0C, bersifat paramagnetik ( sedikit tertarik oleh magnet), membentuk senyawa-senyawa berwarna, memiliki beberapa bilangan oksidasi , yaitu +2, +3, +6 dan stabil pada bilangan oksidasi +3. Bilangan oksidasi +4 dan +5 jarang ditemukan pada logam ini. Senyawa kromium pada bilangan oksidasi +6 merupakan oksidan yang kuat.
Kromium bisa membentuk berbagai macam ion kompleks yang berfungsi sebagai katalisator (Widowati,W. 2008).
2.12 Pelapisan Tembaga (Cu) dengan Chrome (Cr)
Lapis listrik (electroplating) adalah suatu proses pengendapan zat (ion – ion logam) pada elektroda (katoda) dengan cara elektrolisa. Terjadinya suatu endapan pada proses ini adalah karena adanya ion-ion bermuatan listrik berpindah dari suatu elektroda melalui elektrolit/ hasil dari elektrolisa tersebut akan mengendapka pada elektroda lain (negative/katoda).
Proses electroplating mengubah sifat fisik, mekanik, dan sifat teknologi suatu material. Salah satu contoh perubahan fisik ketika material dengan nikel adalah bertambahnya daya tahan material tersebut terhadap korosi, serta bertambahnya kapasitas konduktifitasnya. Adapun dalam sifat mekanik, terjadinya perubahan kekuatan tarik maupun tekan dari suatu material sesudah mengalami pelapisan dibanding sebelumnya.
Selama proses pengendapan/deposit berlangsung terjadi reaksi kimia pada elektroda dan elektrolit baik reduksi menuju arah tertentu secara tatap, oleh karena itu dibutuhkan arus listrik searah dan tegangan secara constant (Hadromi, 2000).
Prinsip teori dari lapis listrik adalah berpedoman atau berdasarkan pada hokum faraday yang mengatakan bahwa “jumlah unsur-unsur yang terbentuk dan terbebas pada elektroda selama elektrolisa sebanding dengan jumlah arus listrik yang mengalir dalam larutan elektrolit.
Jumlah zat-zat (unsur-unsur) yang dihasilkan oleh arus listrik besarnya sama selama elektrolisa adalah sebanding dengan berat ekivalen masing-masing zat tersebut. pernyataan tersebut diatas dapat ditulis dengan rumus/ ketentuan sebagai berikut (Hadromi, 2000).
(2.7)
Dimana :
B = Berat zat yang terbentuk (gram) I = Jumlah arus yang mengalir (Ampere)
t = Waktu (detik)
e = Berat ekivalen zat yang dibebaskan ( berat atoh suatu unsur dibagi umur tersebut)
F = Jumlah arus yang diperlukan untuk membebaskan sejumlah gram ekivalen suatu zat
Adapun prinsip dasar electroplating adalah sebagai berikut:
1. Anoda adalah terminal positif, dihubungkan dengan kutub positif dari sumber arus listrik. Anoda dalam larutan elektrolit ada yang larut da nada yang tidak.
Anoda yang tidak larut berfungsi sebagai penghantar arus listrik, sedangkan anoda yang larut berfungsi selain sebagai penghantar arus listrik juga sebagai bahan baku pelapis.
2. Katoda dapat diartikan sebagai benda kerja yang akan dilapisi, dihubungkan dengan kutub negative dari sumber arus listrik.
3. Elektrolit berupa larutan yang molekulnya dapat larut dalam air dan terurai menjadi partikel - partikel yang bermuatan positif atau negative.
Adapun skema proses electroplating ditunjukan pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Proses electroplating tembaga dengan Crome (retrieved, 14 agustus 2009)
2.13 Nozel dan Difuzer
Nozel merupakan alat yang berfungsi untuk merubah tekanan menjadi kecepatan aliran suatu fluida. Nosel mempunyai bentuk penyempitan luas penampang sehingga tekanan akan mengecil dan kecepatan aliran meningkat (White Frank,M .1997). Bentuk kerucut dan mempunyai dua buah diameter yang besarnya berbeda. Diameter awal D1 lebih besar dari D2 sehingga aliran fluida yang melewatinya akan saling berhimpitan yang menyebabkan kecepatan alirannya bertambah sehingga gradient menguntungkan. Untuk lebih jelasnya nozel ditunjukan pada gambar 2.13.
Gambar 2.13 Aliran Udara pada Nozel dan Difuser (White Frank,M .1997).
Gambar 2.13 terjadi aliran balik pada difuzer. Aliran balik tersebut diharapkan mampu membuat emisi gas buang menjadi lebih turbulen pada Catalytic Converter sehingga proses reaksi kimia lebih maksimal. Difuzer merupakan kebalikan dari nozel. Difuzer memiliki bentuk diameter awal D1 lebih kecil dari pada D2 sehingga terjadi penurunan kecepatan dan penambahan tekanan. Tekanan dan luas membesar kecepatan menurun gradient merugikan (White Frank,M .1997).
2.14. Orifice Plate Flowmeter 2.14.1. Pengertian Orifice
Pengukuran aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran massa, laju aliran, volume aliran. Pemilihan alat ukur aliran tergantung pada ketelitian, kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan keawetan alat ukur tersebut. Dalam pengukuran fluida termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gradient keceatan, turbulensi dan viskositas.
Oriffice adalah salah satu alat ukur aliran fluida yang menghasilkan perbedaan tekanan udara untuk menentukan laju aliran massa aliran. Concentric Orifice merupakan jenis orifice yang paling banyak digunakan. Profil lubang orifice ini mempunyai takik (bevel) dengan kemiringan 450 pada tepi bagian downstream dapat dilihat pada gambar 2.14. Hal ini akan mengurangi jarak tempuh dari aliran tersebut mengalami perbedaan tekanan melintang. Setelah aliran melewati orifice akan terjadi peneurunan tekanan dan keudian mencoba kembali ke tekanan semula tetapi terjadi sedikit tekanan yang hilang permanen (permanent pressure loss) sehingga perbedaan tekanan upstream dan downstream tidak terlalu besar.
Pebandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa delambangkan dengan “ ”. Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai = d/ D yaitu antara 0.2 – 0.7 karena akurasinya akan berkurang untuk nilai diluar batas tersebut (Retrieved 8 April, 2013).
Gambar 2.14 Concentric Oriffice
Gambar 2.15 Profil lubang plat tipis/ plat orifice (Victor L Streeter,E, B, W. 1995)
Gambar 2.15 menunjukan bahwa piranti dasar dari orifice yang pemakaiannya disarankan oleh organisasi internasional untuk standarisasi (ISO).
2.14.2. Prinsip dan Persamaan Dasar
Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang dibagian tertentu (umumnya ditengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika sampai pada orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Hal itu menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan dan tekanan. Titik dimana terjadi kecepatan maksimum dan tekanan minimum disebut vena contracta. Setelah melewati vena contracta kecepatan dan tekanan akan mengalami perubahan lagi. Dengan mengetahui perbedaan tekanan pada pipa normal dan tekanan pada vena contracta, laju aliran volume dan laju aliran massa dapat diperoleh dengan persamaan Bernoulli dan persamaam kontinuitas. Perubahan kecepatan dan tekanan melalui meteran pengahalang dapat dilihat pada gambar 2.16.
Gambar 2.16 Perubahan kecepatan dan tekanan melalui meteran penghalang Bernoulli (White,Frank,M. 2001)
Beda tekanan pada manometer pipa (P1 - P2)
(P1 - P2) = hg . g . (2.8)
Dimana :
P1 = tekanan 1 pipa manometer (kg/m.s2) P2 = tekanan 2 pipa manometer (kg/m.s2)
hg = massa jenis air raksa (kg/m3)
g = grafitasi bumi ( m/s2) = perbedaan tinggi air raksa ( m )
Persamaan Bernoulli:
gz1 = gz2 (2.9)
P1- P2 = * + (2.10)
Subtitusi persamaan:
P1- P2 = * +
Sehingga V2 teoritis:
V2 = √ (2.11)
Dimana :
V2 = kecepatan aliran (m/s)
= perbandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa = perbedaan tekanan 1 dan 2 ( kg/m.s2)
= massa jenis ( kg/m3) Persamaan Kontinuitas:
0 = + ⃗ . 0 = { | |} + {| |}
( ) = ( ) = ( ) (2.12)
Dimana:
=
= (2.13)
= ( )
Re = = (2.14)
Dimana :
= massa jenis udara ( kg/m3) = kecepatan aliran udara (m/s)
= diameter dalam pipa (m)
= laju aliran massa udara ( kg/m.s)
Persamaan diatas kurang akurat karena diabaikan beberapa factor seperti gaya gesek, oleh karena itu untuk mengurangi ketidak sesuainan tersebut ditamah satu koefisien baru yaitu :
Cd (discharge coefficient), dan D2/ D1 = sehingga (A2 /A1)2 = (D2/ D1)4 = 4 Untuk nilai Cd ASME merekomendasikan persamaan yang dikembangkan oleh ISO adalah sebagai berikut:
(2.15)
Berbagai tipe taping pada Orifice Flow Meter dapat dilihat pada gambar 2.16.
Gambar 2.17 Berbagai tipe taping pada Orifice Flowmeter (White,Frank.M.2001)
Nilai F1 dan F2 berdasarkan posisi tap seperti pada gambar 2.14 adalah:
Corner taps :F1 = 0 F2 = 0 D: ½ D taps : F1 = 0,4333 F2 = 0,47
Flange taps : F1 = 1/D (in) F2 = 1/D (in) (2.16) Sehingga ̇ teoritis adalah :
̇teoritis = V2 A2 = √ [ ( ) ] ̇ =
√ √
̇ = √ √ (2.17)
Dimana ̇ = laju aliran massa (kg/s)
