Peralatan
Penurun Emisi
Mata Kuliah Pencemaran Laut
ME141425
Denny Akbar Nurhadyansyah
NRP. 4214 105 010
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan
Institute Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2016
1. Pendahuluan
Udara merupakan sumber daya alam yang harus dilindungi untuk kehidupan manusia dan makhluk hidup lainnya. Oleh karena itu pemanfaatannya harus dilakukan secara bijaksana dengan menghitung kepentingan generasi sekarang dan yang akan datang. Untuk mendapatkan udara sesuai dengan tingkat kualitas yang diinginkan, pengendalian pencemaran udara menjadi sangat penting dilakukan.
Pencemaran udara terjadi apabila dalam lingkungan terdapat bahan yang menyebabkan timbulnya perubahan yang tidak diharapkan, baik fisik, kimia, atau biologi sehingga mengganggu makhluk hidup atau lingkungan. Secara umum penyebab pencemaran udara ada dua macam, yaitu yang terjadi secara alamiah dan akibat kegiatan manusia.
Contoh dari pencemaran udara yang ditimbulkan oleh alam adalah debu yang diterbangkan angin, debu akibat letusan gunung berapi, pembusukan sampah dan lain-lain. Untuk pencemaran udara yang diakibatkan perbuatan manusia pada umumnya dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu yang berasal dari sumber bergerak (kendaraan bermotor, kapal terbang, dan lain sebagainya), dan sumber tidak bergerak yaitu kegiatan industri (Wardhana, 2001).
Pencemaran udara dapat diartikan sebagai hadirnya kontaminan atmosfir seperti gas, cairan atau limbah produk samping dalam konsentrasi dan durasi yang sedemikian rupa sehingga menciptakan gangguan, kerugian atau memiliki potensi merugikan terhadap kesehatan maupun kehidupan manusia, hewan dan tumbuhan atau benda dan menciptakan ketidaknyamanan (BAPEDAL, 1998).
2. Pembahasan 2.1 Emisi Gas Buang
Emisi gas buang merupakan sisa hasil pembakaran mesin kendaraan, baik itu kendaraan beroda, perahu atau kapal, dan pesawat terbang. Umumnya emisi gas buang ini terjadi karena pembakaran yang tidak sempurna dari pembakaran mesin serta lepasnya partikel-partikel, karena kurang tercukupinya oksigen dalam proses pembakaran tersebut.Secara visual, emisi gas buang selalu terlihat dalam bentuk asap kendaraan dengan bahan bakar solar, dan tidak terlihat pada kendaraan berbahan bakar bensin.
Emisi gas buang kendaraan bermotor yang mengandung unsur nitrogen, karbon dioksida, dan uap air bukan merupakan gas yang berbahaya. Namun selain dari gas-gas tersebut di atas ternyata emisi gas buang kendaraan bermotor jugamengandung karbon mono-oksida (CO), senyawa hidrokarbon (HC), berbagai oksida nitrogen (NOX), oksida sulfur (SOx) dan partikulat debu termasuk timbal (Pb) (Hickman,1999). Komposisi dan kandungan senyawa kimia gas buang kendaraan bermotor tergantung pada kondisi mengemudi, jenis mesin, alat pengendali emisi bahan bakar, suhu operasi, dan faktor lain yang secara
keseluruhan membuat pola emisi menjadi rumit. Menurut Tugaswati (2012), jenis bahan pencemar yang dikeluarkanoleh mesin dengan bahan bakar bensin maupun solar sebenarnya sama saja, hanya berbeda pada jumlahnya karena perbedaan pengoperasian mesin.
Berdasarkan PP RI No. 41 Tahun 1999, polutan utama pencemar udara ambient adalah : SO2, CO, NO2, O3 (oksidan), HC (hidrokarbon), PM!0
(partikel<10um), PM2,5(partikel), TSP (totale suspended particulate atau debu), Pb
(timbal hitam) dan Dustfall (debu jatuh), sedangkan totale Flouride, Flour, 7 Sulfat, Klorin dan Klorin Dioksida diberlakukan pada daerah atau kawasan industri kimia. Di lain pihak, sumber dan standar kesehatan emisi gas buang dapat dilihat pada tabel berikut (Bapedal, 2002):
Tabel 2.1 Sumber dan Standar Kesehatan Emisi Gas Buang
Sumber: Bapedal, 2002
2.1 Catalytic Converter
Seiring dengan berlakunya standar emisi gas buang Euro 2 untuk produk mobil dan sepeda motor di Indonesia mulai 2007, catalytic converter menjadi peranti yang wajib dipasang pada kendaraan produksi terbaru. Alat ini dirancang untuk mengurangi gas polutan sisa pembakaran mesin kendaraaan bermotor.
Catalytic converter, pertama kali ditemukan tahun 1975 di Amerika Serikat. Alat ini dibuat demi memenuhi standar emisi gas buang yang sangat ketat di negara tersebut. Singkatnya catalytic converter ini adalah alat yang akan mereaksikan gas-gas buang yang berbahaya melalui reaksi kimia sehingga nantinya gas-gas tersebut akan berubah menjadi gas yang tidak berbahaya bagi lingkungan. Atau minimal menjadi gas yang tidak terlalu berbahaya. catalytic converter merupakan alat yang digunakan sebagai alat pengontrol emisi gas buang yang diletakkan setelah exhaust manifol pada sistem pembuangan kendaraan bermotor.
Catalytic converter merupakan salah satu inovasi terbesar di industri otomotif. Pasalnya, peranti ini mampu mengubah zat-zat hasil pembakaran seperti, hidrokarbon (HC), karbon oksida (CO), dan NOx, menjadi zat yang lebih
ramah lingkungan. Berdasarkan data Manufactures of Emission Controls Association (MECA) AS sejak tahun 1970-an hingga saat ini, catalytic converters telah membantu mengurangi bahan polutan sebanyak 1,5 miliar ton di AS dan 3 miliar ton di seluruh dunia.
Gambar 2.1 Catalytic Converter
Bentuk catalytic converter seperti tabung bentuknya mirip sarang tawon. bahannya terbuat dari keramik dengan ukuran lubang penyaring antara 1 hingga 2 mm. Secara umum ada dua tipe catalytic converter yang dipakai, yaitu jenis pellet dan monolithic. Jenis monolithic merupakan catalytic converter yang banyak dipakai saat ini. Alasannya, jenis tersebut memiliki tahanan gas buang yang kecil, lebih ringan, dan cepat panas dibandingkan jenis pellet.
Catalytic converter biasanya terdiri atas beberapa bagian :
a) Inti katalis (substrate). Penggunaan catalytic converter pada bidang otomotif biasanya menggunakan inti dari keramik monolit dengan struktur
sarang lebah (honeycomb). Monolit tersebut dilapisi oleh FeCrAl pada b) Washcoat. Washcoat adalah pembawa material katalis digunakan untuk
menyebarkan katalis tersebut pada area yang luas sehingga katalis mudah bereaksi dengan gas buang. Washcoat biasanya terbuat dari aluminium oksida, titanium oksida, silikon oksida dan campuran silika dan alumina. Washcoat dibuat dengan permukaan agak kasar dan bentuk yang tidak biasa untuk memaksimalkan luas permukaan yang kontak dengan gas buang sehingga katalis dapat bekerja secara lebih efektif dan efisien. c) Katalis. Katalis biasanya terbuat dari logam mulia. Platina adalah katalis
yang paling aktif diantara logam mulia lainnya dan secara luas digunakan namun tidak cocok dengan segala aplikasi karena adanya rekasi tambahan yang tidak diinginkan serta harganya yang mahal. Palladium dan rhodium adalah jenis logam mulia lainnya yang biasa digunakan secara bersamaan.
Palladium berfungsi sebagai katalis reaksi oksidasi, rhodium digunakan sebagai katalis rekasi reduksi dan platina dapat melakukan kedua reaksi tersebut (oksidasi dan reduksi). Logam lain yang terkadang digunakan walaupun secara terbatas adalah cerium, besi, mangan, tembaga dan nikel. Digunakan secara terbatas karena memiliki produk sampingan yang juga cukup berbahaya. Nikel dilarang di uni eropa karena reaksinya dengan CO menghasilkan nikel tetrakarbonil. Tembaga dilarang di amerika utara karena menghasilkan senyawa dioksin.
Untuk mengurangi gas polutan, catalytic converter menggunakan beberapa bahan baku. Berdasarkan bahan baku yang dipakai, catalytic converter bisa dibagi menjadi dua model, yaitu oxidation catalyst (OC) atau 2-way Catalyst dan three way catalyst (TWC).
Gambar 2.2 Oxidation Catalyst
Gambar 2.3 Three Way Catalyst
Jenis OC menggunakan material platinum dan paladium, yang dapat mengurangi CO dan HC. Sedangkan TWC mengandung platinum dan rhodium yang mampu mengurangi CO, HC, dan NOx. 3-way Catalist digunakan pada
mesin mobil dan motor yang menggunakan bahan bakar bensin (Premium, dsb.). Ada tiga tahap dalam proses ini yaitu :
a) Reduksi Nitrogen Oksida menjadi nitrogen dan Oksigen : 2NOx → xO2+N2
b) Oksidasi Carbon Monoksida menjadi Karbon Dioksida : 2CO + O2 → 2CO2
c) Oksidasi senyawa Hidrokarbon yang tak terbakar (HC) menjadi Karbon Dioksida dan air :
2CxHy + (2x+y/2)O2 → 2xCO2 + yH2O
Reaksi-reaksi di atas akan berjalan efisien bila mesin bekerja dengan perbandingan 14,7 bagian udara dengan 1 bagian bahan bakar. Oleh karena itu, catalytic converter sulit diaplikasikan pada mesin yang masih menggunakan karburator untuk pemasukan bahan bakar. Catalytic converter paling ideal digunakan dengan mesin yang telah menggunakan closed loop feedback fuel injection. Khusus untuk jenis TWC, prosedur kerjanya dibagi menjadi tiga bagian. Tahap pertama disebut dengan reduction catalyst. Molekul NOx disaring dan direaksikan menjadi atom nitrogen dan oksigen. Atom nitrogen yang terperangkap dalam katalis tersebut diikat dengan atom nitrogen lainnya, sehingga berubah menjadi N2. Sementara oksigen yang ada diubah menjadi O2.
Gambar 2.4 Proses Kerja Cataylic Converter
Proses kerja kedua disebut oxidization catalyst. Tujuannya mengurangi kadar hidrokarbon juga mengubah CO menjadi gas CO2 yang tidak berbahaya. Adapun mekanisme kerja ketiga adalah pengendalian yang memonitor arus gas buang. "Informasi" yang diperoleh dipakai untuk mengatur campuran bahan bakar dengan udara agar selalu berada dalam komposisi yang ideal. Sedangkan 2-way
Catalist digunakan pada mesin diesel. Karena pada daur Mesin Diesel tidak dihasilkan Nitrogen Oksida (NOx), maka daur yang terjadi hanyalah daur nomor 2 dan 3 saja.
Catalytic converter ditempatkan di belakang exhaust manifold atau diantara muffler dengan header. Alasannya, catalytic converter cepat panas ketika mesin dinyalakan. Selain itu, sensor bisa segera bekerja untuk menginformasikan kebutuhan campuran bahan bakar udara yang tepat ke Engine Control Machine (ECM). Peranti catalytic converter baru bekerja efektif ketika kondisinya panas. Setiap mobil memiliki jumlah alat sensor yang berbeda, bergantung pada kebutuhan dan teknologi mesinnya. Umumnya mobil injeksi menggunakan dua sensor oksigen yang berbeda tempat. Ketika sensor, misalnya, mendeteksi temperatur gas buang terlalu tinggi akibat jumlah bahan bakar yang sedikit dibandingkan udara, maka air-fuel ratio (AFR) menjadi "miskin". Informasi inilah yang akan diteruskan ke ECM. Peranti ECM pun segera bekerja melakukan penyetelan ulang komposisi bahan bakar dan udara sehingga proses pembakaran menjadi ideal. Pipa buang adalah pipa baja yang mengalirkan gas sisa pembakaran dari exhaust manifold ke udara bebas. Konstruksinya dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu pipa bagian depan, tengah, dan belakang. Susunannya sengaja dibuat demikian untuk mempermudah saat penggantian catalytic converter atau muffler, tanpa perlu melepas keseluruhan konstruksi sistem pembuangan.
Muffler berfungsi untuk mengurangi tekanan dan mendinginkan gas sisa pembakaran. Ini karena gas sisa pembakaran yang dikeluarkan dari mesin memiliki tekanan cukup tinggi, sekira 3 hingga 5 kg/cm2. Sedangkan suhunya bisa mencapai 600 hingga 800 derajat Celsius. Besaran panas ini kira-kira 34% dari energi panas yang dihasilkan mesin. Kalau gas ini langsung disalurkan ke udara luar tanpa muffler, gas akan mengembang dengan cepat diiringi dengan suara ledakan yang cukup keras.
Catalytic converter sangat peka terhadap logam-logam lain yang biasanya terkandung dalam bensin ataupun solar misalnya timbal pada premium, belerang pada solar, lalu seng, mangan, fosfor, silikon, dsb. Logam-logam tersebut bisa merusak komponen dari Catalytic Converter. Oleh karena itu teknologi ini tidak bisa digunakan di semua daerah terutama daerah yang premiumnya belum diganti oleh Premium TT (Tanpa Timbal).
Catalytic converter telah terbukti memiliki manfaat untuk mengurangi emisi kendaraan bermotor. Namun, catalytic converter ternyata tetap memiliki beberapa efek pada lingkungan :
a) Catalytic converter tidak mereduksi jumlah CO2 yang dihasilkan bahan bakar bahkan mengubah CO menjadi CO2. Padahal telah kita ketahui bersama bahwa CO2 ditengarai menjadi penyebab utama greenhouse effect yang mengakibatkan pemanasan global diseluruh dunia. Bahkan catalytic converter juga melepas N2O yang ternyata setelah diteliti 3 kali
lebih besar efeknya dibandingkan CO2. EPA (Environmental Protection Agency), badan lingkungan hidup Amerika Serikat mencatat bahwa 3 % emisi nitrogen oksida dihasilkan oleh kendaraan bermotor.
b) Air to fuel ratio kendaraan harus senantiasa pada kondisi stoikiometri saat penggunaan catalytic converter. Akibatnya kadar CO2 yang dihasilkan lebih banyak dibandingkan mesin dengan campuran miskin (lean burn engine).
c) Catalytic converter membutuhkan logam mulia palladium dan rhodium. Salah satu pensuplai logam mulia ini adalah daerah industri Norilsk, Rusia. Ternyata industri untuk mengekstrak palladium dan rhodium tersebut mengasilkan polusi ang paling besar dibandingkan industri lainnya.
2.2 Re-heater System
Pada dasarnya alat yang dirancang untuk menurunkan kadar karbon monoksida (CO) menggunakan sistem re-heater yaitu dengan memanaskan kembali gas sisa hasil pembakaran yang dibuang pada ujung knalpot dengan memanfaatkan panas dari ruang bakar pada kendaraan tersebut. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Panas dari ruang bakar dicerat dengan menggunakan pipa pelaluan yang dipertahankan panasnya dengan menggunakan isolasi, seperti disajikan pada Gambar 1a. Adapun panas yang dicerat tersebut digunakan untuk memanaskan kembali gas yang keluar dari knalpot untuk menguraikan senyawa CO menjadi unsur C + O2, seperti disajikan pada Gambar 2.6.
Untuk menguraikan setiap mol CO menjadi C + O2, diperlukan kalor sebesar 26 kkal/mol [3]. Besarnya energi ini diperoleh dari pemanasan tadi. Gas panas yang dicerat dari ruang bakar, akan memberikan dampak yang buruk jika dibuang langsung ke lingkungan karena memiliki temperatur yang masih sangat tinggi. Sehingga dalam hal ini diperlukan suatu pendinginan terlebih dahulu sebelum gas buang yang dicerat tersebut dialirkan ke knalpot bagian depan. Hal ini dilakukan dengan menggunakan pipa yang berliku, seperti disajikan pada Gambar 2.6.
Temperatur gas buang yang masuk ke dalam alat tambahan harus mampu mencapai panas sebesar 26 Kkal/mol, agar perpindahan panas yang terjadi dapat sebesar mungkin. Apabila perpindahan panas yang terjadi di dalam alat mendekati harga tersebut, maka waktu yang diperlukan untuk menguraikan gas buang CO menjadi lebih singkat. Sistem ini bekerja dan bertujuan untuk memanaskan gas buang hasil proses pembakaran, dimana gas buang yang berada di ujung knalpot dipanaskan dengan gas buang yang temperaturnya lebih tinggi, seperti disajikan pada Gambar 2.5 dan
Sistem ini dioperasikan oleh kalor semata (heatoperated system) karena sebagian besar proses operasi berkaitan dengan pemberian kalor untuk melepaskan gas-gas buang pada tekanan dan temperatur tinggi. Proses pemanasannya akan berlangsung secara periodik, serta gas buang dengan temperatur tinggi tersebut akan terus mengalir ke dalam alat yang berfungsi untuk memanaskan gas buang yang keluar dari knalpot. Hasil pemanasan kembali terhadap gas yang keluar dari knalpot inilah yang akan menurunkan emisi gas buang kendaraan, serta hal ini belum pernah dicoba oleh para peneliti yang lainnya.
Gambar 2.5 Re-heater System.
Berdasarkan pada hasil pengujian, disampaikan bahwa alat penurun emisi gas buang yang dibuat mampu mengurangi emisi gas buang CO hingga 50% dari harga semula, sedangkan CO2 mampu direduksi antara 40% hingga 58%, HC mampu dikurangi antara 40% hingga 50%, serta kandungan O2 meningkat hingga 10%,seperti disajikan pada Tabel 2.2 – 2.6.
Tabel 2.2 Data untuk penarikan gas secara berlebihan dan penambahan pelumas pada sepeda motor 4 Langkah
Tabel 2.3 Data hasil pengujian pada sepeda motor 4 Langkah dengan Honda ASTREA GRAND
Tabel 2.4 Data hasil pengujian pada sepeda motor 2 Langkah dengan Suzuki RC 100
Tabel 2.5 Data hasil pengujian untuk mobil dengan Suzuki Jimny
Hal ini berarti, bahwa alat tersebut mampu bekerja untuk mengurangi emisi gas buang CO dan CO2, sesuai dengan reaksi kimia yang telah disampaikan di atas. Argumen ini juga didukung oleh meningkatnya kandungan oksigen yang dihasilkan, berarti bahwa pengurangan senyawa CO bukanlah karena berubah menjadi senyawa CO2, tetapi lebih cenderung karena terurai menjadi unsur C dan O2. Bila karbon di dalam bahan bakar terbakar habis dengan sempurna maka terjadi reaksi berikut:
C + O2 → CO2
Dalam proses ini yang terjadi adalah CO2. Apabila unsur-unsur oksigen (udara) tidak cukup, akan terjadi proses pembakaran tidak sempurna, sehingga karbon di dalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses sebagai berikut:
C + ½ O2 → CO
Karena emisi gas buang CO dan CO2 berkurang, maka reaksi di dalam alat re-heater adalah menguraikan senyawa CO dan CO2 menjadi unsur C dan O2. Unsur C terdeposit di dalam alat re-heater, karena terhalang oleh sekat dan pipa panas,, seperti disajikan pada Gambar 1b. Unsur O2 menjadi unsur bebas yang ke luar ke lingkungan. Gas buang HC dibagi dua yaitu : (1) Bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar menjadi gas mentah; (2) Bahan bakar terpecah karena reaksi panas berubah menjadi gugusan HC yang lain, yang keluar bersama gas buang.
Sebab utama timbulnya gas buang hidrokarbon adalah karena sekitar dinding-dinding ruang bakar memiliki temperatur rendah dimana pada temperatur itu pembakaran tidak mampu dilakukan. Berkurangnya senyawa HC adalah karena gas buang dipanaskan kembali di ujung knalpot, sehingga gugusan HC berubah menjadi unsur H2 dan C. Kemungkinan terbesar yang terjadi adalah unsur H2 bersenyawa dengan unsur O2 menjadi H2O, karena banyaknya massa H2O yang menetes keluar dari alat.
Berdasarkan pada kedua kejadian tersebut, maka dapat dijelaskan bahwa kedua unsur CO dan CO2 terurai menjadi unsur C dan O2, sedangkan unsur HC terurai menjadi unsur H2 dan C. Selanjutnya unsur H2 akan bersenyawa dengan unsur O2 membentuk gugus H2O. Hal inilah yang menyebabkan unsur O2 yang dilepas ke lingkungan hanya sebesar 10%, karena telah bersenyawa untuk membentuk H2O.
