7 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Energi Terbarukan (renewable energy)
Definisi menurut International Energy Agency (IEA), tentang energi baru dan terbarukan merupakan energi yang dihasilkan dari proses alam yang secara terus-menerus (proses alam yang berkelanjutan) dan dapat dijadikan sebagai energi alternatif [9]. Energi terbarukan dibagi menjadi dua perspektif, yakni dari sumber dan pemanfaatannya, yaitu:
a. Energi terbarukan yang dihasilkan oleh proses alam secara berkelanjutan.
Berbagai sumber energi terbarukan yang tersedia langsung dari alam maupun perlu campur tangan manusia seperti sinar matahari, panas bumi (secara alami), pasang-surut dan gelombang air laut, angin serta biomassa.
b. Energi terbarukan yang perlu dikonversikan sehingga dapat dimanfatkan sebagai sumber energi lainya seperti, biogas sebagai pembangkit listrik, bahan bakar kendaraan dan gas yang dapat dimanfaatkan sebagai kekitan memasak
Energi terbarukan berbeda dengan enegrgi yang berasal dari fosil (minyak bumi, gas alam, dan batubara) karena tidak munculnya emisi gas rumah kaca berupa karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida, yang dihasilkan melalui pembakaran energi fosil [10]. Jenis dari energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan untuk mengurangi efek rumah kaca seperti energi dari matahari atau panas bumi, angin, biomassa, biogas, biofuel, geothermal, hydropower dan energi yang dihasilkan laut yang dapat dikembangkan.
2.2 Biogas
Biogas merupakan bahan bakar gas yang dihasilkan oleh aktivitas anaerobik atau fermentasi dari bahan bahan organik termasuk diantaranya kotoran hewan, manusia dan sampah biomassa melalui degradasi anaerobik oleh bakteri mikroorganisme yaitu, Methanobactherium, Methanobacillus, Methanococcus dan Methanosarcina dalam keadaan minim udara.
8 2.2.1 Proses Pembentukan Biogas Secara Anaerob (Anaerobic Digestion)
Biogas dihasilkan melalui fermentasi berbagai bahan organik didalam digester secara anaerob (minim oksigen) dengan bantuan bakteri.
Prosesnya diawali dengan degradasi bahan organik menjadi asam lemah melalui bantuan bakteri. Bakteri bekerja dalam mengurai senyawa yang komplek maupun senyawa dengan rantai panjang seperti protein, karbohidrat dan lemak menjadi senyawa yang lebih sederhana. Bahan organik yang telah menjadi asam, kemudian akan terjadi pembentukan gas metana melalui bantuan bakteri yang akan membentuk metana seperti methanococus, methanosarcina dan methano bacterium [11].
Dalam produksi biogas ada tiga parameter yang harus di perhatikan adalah sebagai berikut [12]:
a. Suhu
Proses destruksi secara keseluruhan terjadi pada reaktor anaerobik yang beroperasi pada suhu mesofilik (30° C - 40° C, terutama 35° C - 37° C) atau termofilik (50° C - 60° C, terutama 52° C - 55° C).
Pemilihan suhu operasi dan pengaturan yang stabil merupakan syarat penting karena parameter tersebut sangat mempengaruhi perkembangan digester dan struktur mikroba.
b. pH dan asam lemak yang mudah menguap
Proses produksi biogas terjadi di interval pH sempit berkisar dari sekitar 6 sampai 8,5. Jika pH reaktor melebihi batas ini maka prosesnya akan menurun dan bakteri pengurai dapat mati yang mengakibatkan penurunan drastis dalam produksi metana.
c. Penghambat proses
Sebagian senyawa yang jumlahnya melebihi batas tertentu dapat menurunkan produksi biogas. Senyawa ini bisa berupa zat beracun atau produk metabolisme. Secara umum, metanogen dianggap lebih sensitif terhadap potensi paparan racun dibandingkan dengan bakteri. Salah satu penghambat proses degradasi atau pencernaan
9 yang paling umum adalah peningkatan konsentrasi amonia. Amonia hadir dalam berbagai macam residu organik, seperti misalnya kotoran babi atau unggas dan lumpur berprotein tinggi.
2.2.2 Komposisi Biogas
Komponen penyusun biogas terbesar adalah metana (CH4) lalu karbon dioksida (CO2) kemudian terdapat beberapa gas lain dengan jumlah yang kecil seperti hidrogen sulfida (H2S) dan uap air (H2O) serta hidrogen (H2), oksigen (O2) dan nitrogen (N2). Energi yang akan dihasilkan biogas tergantung pada komposisi metana. Jika kandungan metana tinggi maka kalor yang dihasilkan akan tinggi, namun jika kandungan metana rendah maka kalor yang akan dihasilkan juga rendah.
Komposisi biogas dapat dilihat pada Tabel 2.1 dibawah ini.
Tabel 2.1 Komponen biogas [13]
Komponen Persentase (%)
Metana (CH4) 55-75
Karbon dioksida (CO2) 25-45
Nitrogen (N2) 0-0,3
Hidrogen (H2) 1-5
Hidrogen sulfida (H2S) 0-3
Oksigen (O2) 0,1-0,5
Uap air (H2O) 0-0,1
Sumber: Masrukhi, 2018
2.2.3 Reaktor Biogas
Definisi reaktor adalah suatu tempat dimana terjadinya reaksi kimia secara anerobik dalam menghasilkan gas. Kontruksi dari reaktor sendiri tergantung dari faktor kebutuhan yang ingin dicapai, seperti tekanan, suhu, volume, koefisien perpindahan panas dan kosentrasi. Rektor atau sering disebut digester merupakan alat yang digunakan sebagai tempat terjadinya suatu reaksi anaerobik bahan organik untuk menghasilkan biogas [14].
10 2.2.4 Konversi Energi
Bahan baku pebuatan dari biogas sangat beragam, seperti limbah kotoran, seperti sapi, kerbau, babi dan unggas ternak yang melimpah di alam. Produksi gas yang dihasilkan dari berbagai jenis kotoran ternak juga berbeda dan dapat dilihat pada Tabel 2.2 [15].
Tabel 2. 2 Produksi Biogas Berbagai Jenis Kotoran Ternak
No Jenis kototoran ternak Produksi gas
1 Sapi dan kerbau 0,023 – 0,040 m3/kg
2 Babi 0,040 – 0,059 m3/kg
3 Unggas (ayam) 0,065 – 0,116 m3/kg
Sumber: Ditjen Pengolahan Dan Pemasaran Hasil Pertanian 2009
Biogas dapat digunakan sebagai solusi untuk mengurangi penggunaan bahan bakar dari fosil yang terus meningkat setiap tahunnya. Biogas bisa disetarakan dengan berbagai jenis bahan bakar lainnya. Nilai kesetaran biogas dapat dilihat pada Tabel 3.3
Tabel 2. 3 Nilai Kesetaraan Berbagai Jenis Energi Dibandingkan Dengan Biogas
No Jenis Energi Nilai Kesetaraan Dibandingkan 1 m3 Biogas
1 Elpiji 0,45 kg
2 Minyak tanah 0,62 liter
3 Minyak solar 0,52 liter
4 Bensin 0,80 liter
5 Kayu bakar 3,0 kg
Sumber : Ditjen Pengolahan Dan Pemasaran Hasil Pertanian 2009
2.2.5 Potensi Biogas
Biogas dapat diproduksi dari bahan organik, seperti kotoran hewan, dan limbah organik. Indonesia memiliki jumlah hewan ternak sebagai bahan baku biogas yang cukup besar. Limbah organik cair dari industri sawit (POME), industri tahu juga dapat dimanfaatkan menjadi biogas. Potensi dari limbah cair ini masih sangat besar. Berikut dapat dilihat potensi ternak penghasil biogas pada Tabel 2.4
11 Tabel 2. 4 Potensi Ternak di Indonesia
Jenis
Tahun (Ekor)
2017 2018 2019
Sapi Potong 16.429.102 16.432.986 17.118.650
Kambing 18.208.017 18.304.476 18.976.955
Domba 17.147.498 17.611.392 17.794.344
Kerbau 1.321.904 894.278 1.141.298
Ayam ras pedaging 2.922.636.196 3.137.707.476 3.149.382.202 Ayam ras petelur 258.843.681 261.932.627 263.918.004
Sumber: Direktorat Jendral Peternakan Dan Kesehatan Hewan, Kementan 2019
2.2.6 Karaktersitik Nyala Api Biogas
Biogas dan udara bercampur pada proses pembakaran dan dapat terjadi dalam mode nyala api maupun tanpa mode nyala api. Api merupakan pengembangan yang bertahan pada suatu daerah pembakaran yang dialokasikan pada kecepatan subsonik. Warna dari api dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu campuran udara yang ikut terbakar dan kandungan dari bahan bakar itu sendiri.
Api yang memiliki warna merah memiliki kalor yang relatif rendah karena udara yang yang bercampur pada proses pembakaran sedikit.
Ketika api berwarna biru, maka api memiliki kalor pembakaran yang tinggi atau campuran miskin api hidrokarbon [16]. Warna temperatur api dapat dilihat pada Gambar 2.1
Gambar 2.1 Warna temperatur api (Sumber: https://www.quora.com)
12 2.2.7 Nilai Kalor Biogas (Heating Value, HV)
Nilai kalor merupakan total energi yang dilepaskan pada saat suatu bahan bakar yang terbakar dengan sempurna dalam suatu aliran tunak (steady) dan produk kembali ke keadaan dari reaktan. Ada dua jenis nilai kalor, yaitu:
a. Higher Heating Value (HHV), merupakan nilai kalor atas yang digunakan pada saat H2O hasil pembakaran memiliki bentuk cairan.
b. Lower Heating Value (LHV), merupakan nilai kalor bawah yang digunakan pada saat H2O hasil pembakaran berbentuk gas [17].
Pada tekanan 1 atm dan suhu lingkungan 370C maka nilai LHV untuk CH4 sebesar 50.020 kJ/kg, dan densitas CH4 sebesar 0,656 kg/m3. Maka dapat dihitung kalor biogas menggunakan persamaan 2.1 [18].
HV = LHV × 𝜌𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑎 × Kandungan 𝐶𝐻4 dalam biogas (𝑘𝐽
𝑚3) = (𝑘𝐽
𝑘𝑔) × (𝑘𝑔
𝑚3) × %
(2.1) 2.3 Pemurnian Biogas
Biogas mengandung beberapa unsur yang tidak bermanfaat dan dapat menggangu proses pembakaran khususnya H2O, CO2, dan H2S. Maka perlu dilakukan pemurnian biogas supaya kandungan gas metana pada biogas dapat meningkat dan menghilangkan unsur - unsur yang tidak bermanfaat tersebut.
Kualitas biogas mampu ditingkatkan melalui beberapa perlakuan, seperti menghilangkan hidrogen sulfida (H2S), kandungan uap air (H2O) serta karbon dioksida (CO2). Pengaruh hidrogen sulfida dapat membentuk gas berbahaya dan lebih berbahaya jika dibakar dan membentuk senyawa yang baru bersama oksigen, seperti sulfur dioksida maupun sulfur trioksida (SO2/SO3) akan lebih beracun. Pada saat yang bersamaan terbentuk juga sulfur acid (H2SO3) yang dapat menyebabkan korosi. Karbon dioksida dapat menghambat reaksi pembakaran sehingga perlu dihilangkan. Uap air yang terkandung bersama biogas juga perlu dihilangkan karena dapat menurunkan tingkan penyalaan biogas [15]. Ada berbagai metode dalam pemurnian biogas dari CO2, beberapa metode tersebut diantaranya adalah penyerapan dengan air (wet scrubber),
13 penyerapan kimia (MEA), membran, bio-filter, separasi kriogenik dan adsorpsi (purifier) [5].
2.4 Adsorpsi
Secara umum adsorpsi merupakan suatu proses untuk memisahkan suatu fasa fluida (gas maupun cairan) ke permukaan zat yang berbentuk padatan maupun larutan yang dapat menyerap (adsorben) dan terjadi secara revesible.
Pemisahan akan terjadi karena adanya perbedaan bobot molekul yang akan mengikat sebagian molekul [19] .
Proses adsorpsi dapat terjadi karena terdapat energi pada permukan dan terjadi gaya tarik-menarik pada permukaan adsorben. Perbedaan sifat permukaan terjadi karena perbedaan suatu susuna pada molekul zat. Masing-masing molekul penyusun dikelilingi molekul lain yang dapat menyebabka terjadinya gaya tarik-menarik antar molekul akan sama besar dan kesetimbangan ke semua bagian. Lain lagi untuk molekul yang dipermukan hanya memiliki gaya tarik kealah dalam [20]. Terjadinya proses adsorpsi mengggunakan adsorben melalui tiga tahapan yaitu [21]:
a. Tahap pertama terjadi perpindahan makro, dimana pergerakan adsorbat dengan cara makropori adsorben.
b. Kemudian perpindahan mikro yang terjadi pergerakan molekul adsorbat dengan cara mesopore adsorben.
c. Tahap terakakhir melalui sorption, dimana molekul adsorbat terikat pada permukan adsorben pada bagian dinding pori mikropori dan mesopori.
2.4.1 Jenis jenis adsorpsi
Adsorpsi dapat dibagi menjadi dua berdasarkan interaksi molecular yang terjadi antara permukaan adsorben dengan adsorbat, yaitu [22]:
a. Adsorpsi fisik (physisorption)
Jenis adsorpsi ini terjadi karena gaya tarik menarik yang cukup lemah antara permukaan adsorben dengan adsorbat. Proses adsorpsi jenis ini dapat terjadi jika adsorbat dialirkan pada permukaan adsorben yang bersih. Adsorpsi fisik tidak dapat mengikat kuat
14 adsorbat pada adsorben, maka dapat terjadi pergerakan adsorbat ke permukaan adsorben lain dan permukan yang dilewati adsorbat akan digantikan dengan adsorbat yang lain (multilayer).
b. Adsorpsi kimia (chemisorption)
Adsorpsi kimia merupakan jenis adsorpsi yang bisa terjadi jika terbentuk ikatan kovalen serta ion diantara molekul-molekul dari adsorbat dengan adsorben.
2.4.2 Faktor-faktor yang mempengaruhi daya adsorpsi
Ada bebrapa faktor yang mempengaruhi suatu proses adsorpsi sebagai berikut [22]:
a. Jenis Adsorbat
1. Ukuran molekul adsorbat
Salah satu faktor penting adsorpsi adalah ukuran molekul yang harus diperhatikan agar proses adsorpsi yang dihasilkan maksimal. Ukuran molekul adsorbat berpengaruh pada ukuran pori-pori dari adsorben. Molekul-molekul adsorbat yang bisa teradsorpsi berupa molekul-molekul yang memiliki diameter lebih kecil dibanding diameter pori adsorben.
2. Kepolaran Zat
Kepolaran zat berpengaruh karena sifat adsorpsi biasanya lebih kuat terjadi pada molekul polar daripada molekul non-polar dengan keadaan diameter yang sama.
b. Karakteristik Adsorben 1. Kemurnian dari adsorben
Kemurnian adsorben berpengaruh dengan kemapuan adsorpsi karena memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih kuat.
2. Luas permukaan dan volume pori adsorben
Luas permukaan adsorben berpengaruh karena semakin luas permukaan maka semakin meningkat adsorbat yang dapat terikat.
15 c. Temperatur
Prinsip adsorpsi merupakan bagian dari proses eksotermis, dengan peningkatan temperatur bertekanan konstan akan memperbesar jumlah senyawa yang teradsorpsi. Temperature pada proses adsoropsi harus terjaga dan konstan sehingga penyerapan molekul pada adsorbrn yang digunakan dapat dapat bekerja dengan baik sehingga molekul utama akan meningkat presentasenya.
d. Derajat keasaman (pH)
Fungsi pH terhadap proses adsorpsi sebagai indikator kemampuan adsorpsi menyerap molekul. pH dapat mempengaruhi ionisasi dalam proses adsorpsi dari beberapa senyawa. Sebagian besar asam organik dapat lebih mudah teradsorpsi dalam keadaan pH rendah, sedangkan dalam keadan basa organik kemampuan mengadsorpsi akan lebih maksimal pada pH yang tinggi. Umumnya standar pH yang tepat hanya dapat di tentukan melalui uji laboratorium.
Pengamatan secara spesifik dan berkala sangan penting agar diperoleh hasil yang akurat.
e. Waktu kontak dengan adsorben
Waktu kontak dengan adsorben berpengaruh pada saat proses difusi dan penyaringan molekul. Semakin kecil ukuran partikel adsorben maka luas permukaan akan bertambah dan meningkatkan kemampuan penyerapan molekul dengan waktu yang lebih cepat.
f. Tekanan adsorbat
Tekanan yang diberikan adsorbat berpengaruh terhadap jumlah molekul adsorbat. Dalam adsorpsi kimia, jumlah molekul adsorbat akan berkurang jika tekanan adsorbat meningkat. Sedangkan pada adsorpsi fisika, jika tekanan adsorbat meningkat, maksimal jumlah molekul adsorbat akan bertambah.
16 2.5 Adsorben
Adsorben merupakan suatu zat atau material yang memiliki kemampuan untuk mengikat dan mempertahankan cairan atau gas di dalamnya. Terdapat berbagai jenis adsorben yang dipakai secara komersial, seperti jenis polar adsorben (hydrophilic) yang merupakan silika gel, alumina aktif, dan zeolit. Jenis lainya adalah non-polar adsorben (hydrophobic) yang merupakan polimer adsorben dan karbon aktif [23].
2.5.1 Jenis jenis adsorben
Adsorben dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu:
a. Adsorben tidak memiliki pori (non-porous sorbents)
Adsorben ini tidak memiliki pori namun dapat dibuat melalui proses presipitasi deposit BaSO4, maupun memperhalus menjadi bubuk.
Menjadikan luas permukaan yang kecil maksimal 10 m2/g biasanya 0,1 sampai dengan 1 m2/g.
b. Adsorben yang memiliki pori (porous sorbents)
Luas permukaan adsorben berpori sekitar 100 sampai 100 m2/g.
umumnya dipakai untuk penyangga katalis, penyeleksi komponen dan dehidrator. Biasanya adsorben jenis ini memiliki bentuk granular.
2.5.2 Mekanisme penyerapan adsorben
Menurut Reynolds (1982), mekanisme penyerapan adsorben terhadap zat terlarut terbagi menjadi empat tahap diantaranya [24]:
a. Perpindahan berbagai molekul zat terlarut yang telah diadsorbsi ke lapisan film di sekililing adsorben
b. Mengalir atau berpindahnya zat terlarut yang telah diadsorpsi melewati lapisan film di sekeliling adsorben (film diffusion process).
c. Mengalir atau berpindahnya zat terlarut yang telah diadsorpsi melewati kapiler maupun pori dalam adsorben (pore diffusion process).
d. Terjadinya adsorpsi zat yang terlarut telah diadsorpsi pada dinding pori maupun permukaan adsorben.
17 2.6 Karbon Aktif
Karbon aktif atau sering disebut juga arang aktif adalah senyawa amorf terbuat dari bahan-bahan yang terdapat kandungan karbon maupun arang. Karbon aktif sering digunakan sebagai adsorben karena kemampuan adsorpsi yang baik terhadap senyawa-senyawa tertentu. Kemapuan serapnya berkisar 25%
sampai dengan 100%. Bentuk dari arang aktif dapat dilihat pada Gambar 2.2
Gambar 2.2 Karbon Aktif (Sumber: https://www.nazava.com) 2.6.1 Sifat-sifat karbon aktif
Karbon aktif memiliki sifat-sifat yang berpengaruh , diantaranya yaitu ukuran partikel, luas permukaan dan porositas (porosity).
a. Ukuran Partikel
Ukuran partikel berbanding lurus dengan luas permulaan adsorben sehingga berpengaruh terhadap waktu penyerapan.
b. Luas Permukaan
Luas permukaan karbon aktif merupakan penyerap molekul dari adsorbat, semakin besar luas permukaan maka semakin meningkat daya serap karbon aktif tersebut.
c. Porositas (Porosity)
Porositas merupakan pori pori yang terdapat pada suatu adsorben.
Sifat inilah yang dapat menjerap molekul pada proses adsorpsi.
18 2.7 Zeloit
Zeolit merupakan salah satu media yang dapat digunakan sebagai adsorben alternatif dengan kemampuan adsorpsi yang sangat tinggi karena memiliki pori yang banyak dan kemapuan tukar kation yang tinggi serta dapat digunakan dalam rentang suhu yang luas. Oleh karena itu, sangat cocok digunakan sebagai adsorben. Kemampuan adsorpsinya dapat dioptimalkan melalui aktivasi larutan asam kuat maupun basa kuat. Senyawa almuniosilikat merupakan unsur penyusun zeolit yang terhidrasi sersusun dari ikatan SiO4 dan AlO4 tetrahidra yang mengikat atom oksigen untuk membentuk kerangka [25].
Selain jenis kation, kemampuan adsorpsi zeolit juga dipengaruhi oleh perbandingan Si/Al dan geometri pori-pori zeolit, termasuk luas permukaan dalam, distribusi ukuran pori dan bentuk pori. Dalam adsorpsi yang digunakan adalah zeolit alam yang tampak seperti Gambar 2.3
Gambar 2. 3 Zeolit
(Sumber: https://www.nazava.com) 2.7.1 Sifat sifat zeloit
Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya:
a. Dehidrasi
Salah satu sifat zeolit adalah dehidrasi yang berpengaruh pada sifat serapannya. Zeolit memiliki pori-pori yang berisi kation dan molekul air jika dihilangkan menggunakan perlakuan khusus maka pori-pori zeolit akan kosong dan meninkatkan penyerapan molekul pada proses adsorbsi.
19 b. Penyerapan
Zeolit dapat menyerap molekul-molekul dikarenakan strukturnya yang berpori sehingga karena perbedaan ukuran molekul dapat mengikat dan mempertahankan molekul tertentu.
c. Penukar Ion
Kegunaan dari ion-ion yang terdapat pada pori-pori yang dimiliki zeolit untuk menjaga kestabilan zeolit. Bagian ion-ion tersebut dapat bergerak bebas sampai terjadi pertukaran ion dengan beberapa faktor seperti ukuran, jenis dan muatan dari zeolit.
d. Katalis
Sifat zeolit sebagai katalis dapat mempengaruhi laju reaksi namun, tidak mempengaruhi kesetimbangan reaksinya karena zeolit bisa menaikan perbedan lintasan molecular pada saat reaksi, katalis dengan pori-pori yang kecil dapat memuat molekul-molekul kecil namun, tidak untuk mencegah molekul besar bisa masuk.
Penyaringan molekul pada zeolit disebut dengan molecular sieve yang terkandung dalam bagian zeolit alam.
e. Penyaring/pemisah
Zeolit juga berfungsi untuk menyaring molekul atau memisahkan karena perbedaan ukuran, bentuk dan polaritas molekul tersebut.
Sifat dari zeolit ini karena ruang hampa yang dimiliki cukup besar.
Ukuran molekul yang lebih kecil dari ruang hampa bisa melintas sedangkan ukuran molekul yang lebih besar dibandingkan ruang hampa akan terjebak [26] .
2.8 Kalsium Hidroksida (Ca(OH2))
Kalsium hidroksida merupakan senyawa kimia yang biasanya memiliki bentuk berupa kristal yang tidak memiliki warna maupun bubuk berwarna putih.
Senyawa ini memiliki rumus kimia Ca(OH)2. Kalsium hidroksida biasanya juga disebut dengan kapur padam biasanya dibuat melalui perendaman kapur
20 tohor dengan air (CaO dengan H2O) dapat di buat juga melalui pengendapan campuran larutan kalsium klorida dengan larutan lain seperti natrium hidroksida. Kalsium hidroksida jenis ini sering dipakai dalam bahan bangunan.
Kapur jenis ini memiliki sifat yang mudah mengeras dengan cepat, dapat merekat dengan baik dan elastis [27]. Bentuk dalam bentuk bubuknya dapat dilihat seperti pada Gambar 2.4
Gambar 2. 4 Kalsium Hidroksida (CaOH2) (Sumber: https://indonesian.alibaba.com/product-detail)
Kalsium hidroksida memiliki kemampuan yang dapat digunakan dalam proses adsorpsi. Senyawa jenis ini dapat mengikat karbon dioksida melalui cara memisahkan suatu fasa fluida maupun molekul-molekul gas ke permukaan padat yang dapat menyerap dan terjadi secara revesibel. Hal ini dapat terjadi karena adanya perbedaan massa molekul yang mengakibatkan sebagian molekul dapat terikat dan sebagian dapat melewatinya.
2.9 Gram Besi Sisa Bubut Ferioksida (Fe2(O3))
Limbah padat industri besi bubut (gram) mempunyai potensi sebagai media penjerap gas H2S (hidrogen sulfida) yang merupakan salah satu gas impurities (pengotor) dari biogas. Rumus kimia besi gram ini adalah Fe2(O3). Secara umum adsorben harus mempunyai aktivitas dalam hal mengekiminasi senyawa sulfur. Adsorben harus mengandung sejumlah minimum besi oksida aktif agar dapat bekerja dengan baik dan efisien. Tingkatan atau grade besi oksida aktif menujukkan berat minimal besi oksida aktif per unit volume adsorben. Dari sejumlah isomorph besi (III) Oksida, baik hidrat maupun non hidrat, dua jenis
21 yang paling aktif adalah bentuk hidrat alfa (hematite) dan gama (maghemite).
Masing-masing memiliki sifat kimia dan fisika yang khas, terutama yang langsung terlihat adalah warna, kemampuan menyerap, titik isoelektrik (pH) dan kemempuan dalam melepaskan molekul gas maupun liquid. Keaktifan dari kedua bentuk ini ditentukan oleh dua struktur dan kandungannya, ukuran partikel, tekstur, porositas dan densitas. Gram sisa bubut memiliki bentuk yang tipis kecil dan panjang seperti dilihat pada Gambar 2.6 yang merupakan gram besi sisa bubut ferioksida (Fe2(O3))
Gambar 2. 5 Gram besi sisa bubut ferioksida (Fe2(O3)) (Sumber: http://buynewbicyclesonline.blogspot.com) 2.9.1 Sifat serapan
Gram besi limbah dari mesin bubut di ketahui memiliki kapasitas yang cukup besar untuk menarik senyawa pengotor H2S yang terkandung dalam biogas, sehingga dapat menurunkan kandungan H2S hingga konsentrasi tertentu dengan laju reaksi yang tergolong relative lebih cepat. Perubahan wujut yang terjadi pada gram besi saat menyerap kandungan hydrogen sulfida dapat dilihat secara visual, yaitu warnanya kan berubah kecoklatan. Semakin kecil ukuran gram besi akan meningkatkan kemampuan adsorbsi, Adsorben yang digunakan juga harus memiliki sifat yang kuat dan regenerabilitasnya baik sehingga volume kebutuhannya relative tidak banyak dan frekuensi penggantian tidak terlalu sering dengan mengoptimalakan daya serap molekul oleh adsorben. Agar daya serap adsorben memiliki kualitas yang baik, harus diketahui struktur besi (III) oksida yang paling aktif [28].
22 2.10 Metana
Metana merupakan gas alam yang dilepaskan ke atmosfir melalui proses biologi yang terjadi pada lingkungan anaerobik melalui proses metanogenesis.
Metana memiliki bentuk gas dan merupakan hidrokarbon paling sederhana.
Metana memiliki rumus kimia CH4. Metana murni tidak memiliki bau, namun bila dipakai dalam keperluan komersial, umumnya akan ditambahkan sedikit bau belerang supaya dapat terdeteksi jika terjadi kebocoran.
Metana merupakan komponen utama penyusun gas alam yang sering digunakan sebagai sumber bahan bakar. Pembakaran pada metana terjadi pada satu molekul dengan campuran oksigen kemudian akan melepaskan satu molekul CO2 (karbondioksida) dan dua molekul H2O (air) [29]:
2.10.1 Pembakaran
Metana memiliki reaksi pembakaran, terdapat berbagai tahapan dalam proses pembakarannya. Senyawa kimia yang dihasilkan awalnya berupa formaldehida (HCHO msupun H2CO). Oksidasi formaldehid yang dihasilkan berupa radikal formil (HCO), yang akan menjadi karbon monoksida (CO). Reaksi persamaan pembakaran metana adalah:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (ΔH = −891 kJ/mol ) 2.10.2 Penggunaan
Metana banyak dipakai dalam proses industri kimia biasanya dibawa dalam bentuk cairan dengan cara dibekukan (gas alam cair atau LNG).
Pada saat berbentuk cairan yang dibebekukan, metana akan menjadi lebih berat dibandingkan udara yang disebabkan gas metana yang telah didinginkan terjadi perubahan masa jenis yang lebih besar. Pada suhu ruangan metana memiliki berat yang lebih ringan dibanding udara.
2.10.3 Bahan bakar
Bagian penting yang digunakan sebagai bahan bakar salah satunya adalah metana terutama digunakan sebagai energi pembangkit listrik, melalui proses pembakaran didalam gas trubin maupun pemanas uap.
23 Panas yang dihasilkan dalam pembakaran metana sebesar 891 kJ/mol.
Sedangkan jika dilihat rasio panas yang dihasilkan dengan massa molekul metana (16 g/mol), metana menghasilkan energi panas per satuan massa sebesar (55,7 kJ/mol) dengan hasil yang lebih besar dibandingkan hidrokarbon yang lain. Pada daerah perkotaan, gas metana disalurkan menggunakan pipa agar sampai kerumah-rumah dan dipakai dalam kebutuhan pemanasan rumah dan memasak. Gas yang dialirkan tersebut biasanya disebut dengan gas alam. Gas alam memiliki kandungan energi didalamnya sebesar 39 MJ/m2, atau 1.000 BTU per kaki kubik standar.
Metana yang sudah berbentuk gas terkompresi dapat dipakai untuk bahan bakar kendaraan serta telah terbukti menjadi bahan bakar yang lebih efisien dan ramah lingkungan dibanding bahan bakar yang bersumber dari fosil, seperti bensin dan disel [30].
2.11 Gas Chromatography (GC)
Gas Chromatography (GC) merupakan salah satu teknik analisis yang paling umum dipakai. Metode ini dipakai untuk menentukan kandungan maupun komposisi suatu campuran zat kimia (biaanya menggunakan sampel). Gas yang digunakan untuk melakukan kromatografi beragam, tergantung pada jenis detektor yang dipakai dalam menganalisis. Menggunakan peralatan dan gas khusus optimal ketika melakukan Gas Chromatography akan sangat meningkatkan keakuratan hasil analisis [31].
Komatografi gas merupakan metode yang biasanya digunakan untuk menentukan komponen-komponen suatu senyawa dengan cara yang mendistribusikan kedalam dua fasa yaitu fasa gerak dan fasa diam. Kromatografi gas melalui wujudnya dibedakan menjadi dua jenis yaitu [32]:
a. Kromatografi gas padat (gas solid chromatography)
Kromatografi gas adalah suatu metode yang digunakan dengan cara memberi perlakuan panas pada sampel sehingga menguap kemudian
24 diinjeksikan kebagian atas dari kolom. Pada bagian kolom tersbut terdapat fasa diam. Komponen komponen yang digunakan kromatografi gas cair dan kromatografi padat hampir sama. Prinsip kerja Kromatografi gas padat dasar kerjanya berupa adsorpsi dengan fasa gerak berupa gas (helium, nitrogen dan lain lain)
b. Kromatografi gas cair (gas liquid chromatography)
Prinsip kerja kromatografinya memiliki dasar kerja partisi dengan fase gerak berupa gas dan fase diam berupa cairan yang diletakan pada padatan pendukung (solid support). Diagram skematis kromatografi gas yang paling sederhana dapat dilihat dari Gambar 2. 6
Gambar 2. 6 Skematis Kromatografi Gas Sumber: M. Dwiarso Rubiyanto, 2016 2.12 Penelitian Terdahulu
Penelitian terdahulu merupakan tinjauan pustaka tentang pemurnian biogas dengan berbagai metode untuk meningkatkan presentase metana sebagai gas utama penyusun biogas yang dapat menjadi sebagian teori dalam penelitian ini. Pada peneniliatan Masrukhi dan Abdul Mukhlis Ritonga tentang
“Pemurnian Biogas Menggunakan Kolom Tipe Bertingkat Seri Untuk Meningkatkan Kualitas Biogas Pada Berbagai Jenis Adsorben” menggunakan alat pemurnian kolom tipe bertingkat seri dalam meningkatkan kualitas biogas seperti pada Gambar 2.7
25 Gambar 2. 7 Instalasi Pemurnian Biogas
Sumber: (Masrukhi & Ritonga, 2018)
Bagian dari alat pemurni ini terdiri dari digester (tempat fermentasi kotoran ternak), drum air, penampung biogas dan kran keluaran biogas. Pelaksanaan pemurnian dilakukan saat biogas sudah dihasilkan secara konstan. Hasil gas tidak langsung digunakan semuanya melainkan gas awal akan dibuang karena masih tercampur dengan udara dan kadar karbon dioksida yang dihasilkan masih tinggi, sehingga biogas akan sulit untuk dihidupkan dan kalor yang dihasilkan tidak maksimal. Berbagai jenis adsorben yang digunakan berupa arang aktif, zeolit dan silika gel dengan waktu kontak yang digunakan 30, 60 dan 90 menit. Biogas yang dihasilkan setelah pemurnian menggunakan alat pemurnian (purifier) berbentuk tabung dengan dimensi panjang 60 cm dan diameter 10 cm mampu meningkatkan kandungan metan hingga 25% [13].
Penelitian ini juga bertujuan untuk menurunkan kandungan gas CO2 yang terkandung di dalam biogas menggunakan metode adsorpsi berkolom dengan adsorben berupa arang aktif. Alat yang digunakan dapat diamati melalui Gambar 2.8
Gambar 2. 8 Rangkaian proses pengujian alat Sumber: (Purwinda Iriani, 2014)
26 Pada proses adsorpsinya berat karbon aktif (adsorben) diberikan variasi yang berbeda, yaitu 615 g dan 730 g, kemudian laju aliran biogas menggunakan variasi yang berbeda dari 0,015 L/s, 0,02 L/s hingga 0,025 L/s. penelitian yang dilakukan menunjukkan efektivitas kolom adsorben paling tinggi adalah 96,03% dengan penggunaan berat adsorben 730 g dan laju penggunaan biogas yang dioperasikan 0,025 L/s. Terjadi Penurunan kadar CO2 dan kenaikan kadar CH4 pada kondisi pengoperasian tersebut, masing-masing adalah 35,04 % dan 34,01 % [33].
Kardo Rajagukguk dan Arysca Wisnu Satria melakukan penelitan tentang perancangan alat pemurnian biogas dengan metode adsorpsi. Adsorben yang digunakan Kalsium Hidroksida Ca(OH)2, Besi Oksida (Fe2O3), Zeolit, dan Karbon Aktif. Pemilihan jenis adsorben yang digunakan untuk meningkatkan kandungan metana. Kalsium hidroksida Ca(OH)2 digunakan sebagai pengikat kandungan karbon dioksida (CO2), Besi Oksida (Fe2O3) berbentuk bubuk besi digunakan untuk mengurangi kandungan H2S, zeolit dan karbon aktif digunakan untuk mereduksi kandungan uap air serta karbon dioksida (CO2) yang terkandung dalam biogas [34]. Penelitian ini dijelaskan secara skematis seperti pada Gambar 2.9
Gambar 2. 9 Diagram skema pemurnian biogas Sumber: K. Rajagukguk and A. W. Satria, 2019
Dari gambar diatas skema pemurnian biogas dimulai dengan memasukan biogas kedalam kompresor lalu dilewatkan pada kolom pemurnian kemudian
27 disimpan menggunakan penampung dan digunakan sebagai bahan bakar pada generator untuk menghasilkan listrik.
Penelitian terakhir yang juga digunakan sebagai tinjauan pustaka dalam penelitian ini dilakukan oleh Yanti Suprianti tentang “Pemurnian Biogas untuk meningkatkan Nilai Kalor melalui Adsorpsi Dua Tahap Susunan Seri dengan Media Karbon Aktif”. Sistem alat yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2.10
Gambar 2. 10 Skema instalasi pemurnian biogas dua tahap dengan susunan seri.
Sumber: Yanti Suprianti, 2016.
Pada gambar 2.10 biogas dilewatkan memluli kolom adsorpsi dua tahap dengan susunan seri. Pada penelitian ini memakai metode adsorpsi seri dengan ukuran 2.43L melalui peningkatan waktu kontak adsorben terhadap biogas.
Tahapan adsorpsi dilakukan melalui cara melewatkan biogas ke dalam kolom adsorben dua tahap yang disusun secara seri.
Agar mendapatkan data yang akurat, sampel diambil sebanyak tiga kali untuk setiap pengukuran dengan selang waktu lima menit. Pada penelitian ini juga dilakukan perhitungan efektififitas alat dalam mengadsorpsi dengan rumus yang tercantum pada persamaan 2.2
Efektifitas Adsorpsi 𝐶𝑂2 =(kandungan CO2 awal − kandungan CO2 akhir)
kandungan CO2 awal × 100%
(2.2)
28 Pengujian pada penelitian ini dilakukan sebanyak lima kali dengan variasi laju aliran dari 1,8 L/menit, 2,1 L/menit, 2,4 L/menit, 2,7 L/menit hingga 3 L/menit.
Adsorben yang digunakan diganti pada setiap perubahan aliran agar dapat bekerja dengan kondisi yang sama. Pengambilan sampel menggunakan alat suntikan (syringe) sekaligus untuk penampung gas yang akan di uji kandungannya. Pengujian komposisi gas menggunakan alat Gas Chromatography (GC). Kandungan gas yang dapat diketahui berupa gas-gas CH4, CO3, H2, dan N2.
Penelitian ini menunjukan bahwa kandungan karbon dioksida mampu diberi tekanan sampai dibawah 14% dengan jangka waktu adsorpsi 10 menit diperoleh kandungan metana minimal 78,73%. Pengujian yang memberikan hasil maksimal kandungan metana pada laju aliran 2,4 L/menit dan waktu adsorpsi 10 menit dapat memurnikan kandungan metana sampai 91,60%
dengan efektififitas kolom adsorpsi 98,31% [35].
