SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 276
Sifat Fisik dan Karakteristik Pembakaran Methyl Ester
Minyak Nabati
Muhaji1)
1)Dosen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Negeri Surabaya
e-mail: muhaji61@unesa.ac.id; Hp. 081 332 535 600
ABSTRAK
Kebutuhan energi dari bahan bakar fosil terus meningkat dan kecenderungan sumber bahan bakar fosil semakin berkurang. Hal ini akan menimbulkan dampak yang signifikan terhadap persediaan energi dari bahan bakar fosil. Disisi lain sumber energi terbarukan dari minyak nabati di Indonesia sangat melimpah, tetapi produksi dan pemanfaatannya sangat rendah dibandingkan dengan negara lain. Tujuan dari penelitian ini adalah (1)untuk menganalisis sifat-sifat fisik methyl esters dari minyak kelapa, minyak kapas dan minyak solar, (2) untuk menganalisis karakteristik nyala api pembakaran dari methyl esters minyak kelapa, minyak kapas dan solar. Pengujian sifat fisik methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar (densitas, viskositas kinematik, titik nyala, nilai kalor, titik didih, pH dan angka cetan) dengan satandar ASTM D 1298, D 445, D 93, D 240, D 2892 dan D 193. Hasil penelitian menunjukkan bahwa (1) sifat-sifat fisik (densitas, viskositas kinematik, titik nyala, nilai kalor, titik didih) dari methyl esters dari minyak kelapa lebih dekat dengan minyak solar, (2) methyl esters dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar terbakar satu tahap, tetapi methyl esters waktu pembaakarannya lebih cepat, (3) api tertinggi terjadi pada minyak solar, tetapi tekanan api terbesar pada methyl esters minyak kelapa,(4) laju pembakaran tertinggi pada methyl esters minyak kapas.
Kata kunci: pembakaran, methyl ester, minyak nabati
ABSTRACT
While the demand for fossil fuels increases, sources decreases. This phenomenon affects significantly toward the availability of the fossil fuel. There fore the invention of the renewable energy source is urgently needed. At present, although the availability of the renewable fuel source produced from the vegetable oil in Indonesia is abundant, compared to other countries, the number of in significancy between the production and the use of it, is obviously clear. Thus, the purpose of this research is (1) to analyze the physical properties of coconut and cottonseed oil methyl esters and diesel oil, (2) to analyze the flame characteristic of combustion coconut and cottonseed oil methyl esters and diesel oil. Testing the physical properties of the coconut and cottonseed oil methyl ester and diesel oil (density, kinematic viscosity, flash point, heating value, boiling point, pH and cetan number) with satandar ASTM D 1298, 445, D 93, D 240, D 2892 and D193. The results of research shows that; (1) the physical properties (density, kinematic viscosity, flash point, heating value, boiling point, pH) of methyl esters of coconut oil more closely with diesel oil, (2) the coconut and cottonseed oil methyl esters and diesel fuel burned one stage, but combustion time methyl esters more quickly, (3) the flame highest was in diesel oil, but the pressures produced of the largest in coconut oil methyl esters, (4) the burning rate the highest in cottonseed oil methyl esters.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 277
Pendahuluan Latar Belakang
Kebutuhan bahan bakar minyak bumi (BBM) di negara-negara maju maupun negara yang sedang berkembang seperti Indonesia dari tahun ke tahun terus meningkat, sedangkan sumbernya semakin lama semakain menipis dan habis serta tidak bisa diperbarui (BP Statistical
review of world energy 2011). Masalah energi nasional saat ini cenderung mengkonsumsi energi
dari fosil yang semakin besar, hal ini terbukti bahwa konsumsi energi dari fosil pada tahun 1990 sebesar 218,2 juta barel, sedangkan pada tahun 2005 menjadi 546,6 juta barel atau meningkat 6,3% per tahun (Sugiyono, 2005). Disisi lain sumber energi terbarukan (minyak nabati) tersedia di Indonesia sangat melimpah, tetapi produksi bahan bakar dari nabati sangat minim dan sulit dijumpai, hal ini terbukti bahwa pemakaian bahan bakar di Indonesia masih didominasi dari bahan bakar minyak bumi sebesar 54,4%, kemudian diikuti gas bumi 26,5%, bahan bakar padat 14,1%, pembangkit listrik tenaga air 3,4%, gas 1,4% dan bahan bakar nabati 0,2% (Menkobid Perekonomian, 2006). Ketidakseimbangan dari pemakaian jenis bahan bakar ini akan semakin memberatkan beban anggaran pemerintah tentang subsidi bahan bakar. Kesenjangan pemakaian bahan bakar ini sudah sangat mendesak untuk dicarikan solusi yang tepat yaitu mengoptimalkan produksi bahan bakar dari minyak nabati. Sehingga padatahun 2006 Presiden mengeluarkan peraturan dengan No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan pemakaian energi secara nasional sampai tahun 2025, dengan rincian untuk bahan bakar dari fosil 20%, gas bumi 30%, bahan bakar padat 33%, bahan bakar minyak nabati 5%, panas bumi 5%, dan energi lainnya 0,2%. Jenis bahan bakar dari minyak nabati yang bisa dikembangkan dan tenaganya besar diantaranya dari minyak kelapa, kacang tanah, jarak pagar, bunga matahari, randu, kedelai, kelapa sawit, dan sebagainya (Soerawidjaya, 2011 dan Ingle et.al., 2011). Kelebihan bahan bakar dari minyak nabati antara lain: (1) cetan numbernya lebih tinggi, pelumasannya lebih baik, dan titik nyalanya lebih tinggi dibanding solar, (2) emisinya rendah, dan lebih bersih (Shahid, 2011; Myo, 2008; Sutjahyo, 2006; Soerawidjaya, 2011). Kecepatan mengalirnya minyak sedikit lebih kecil dibanding solar, sehingga waktu penguapan lebih cepat (Parrilla dan Cortes, 2010). Karena titik nyalanya lebih tinggi waktu tunggu pembakarannya lebih cepat dibanding solar (Rangganathan, 2011, Sathiyagnanam, Iaeng dan Saravanan, 2011). Methyl ester (biodiesel) dari minyak nabati dapat dicampurkan dengan solar tanpa memodifikasi mesin (Sathiyagnanam, Iaeng dan Saravanan, 2011). Disamping mempunyai kelebihan, bahan bakar dari minyak nabati mempunyai kekurangan jika digunakan secara langsung dalam mesin diesel, (1) karena viskositas kinematiknya sangat tinggi dibandingkan solar sehingga sulit mengalir, ruang bakarnya mesin cepat kotor (Wardana, 2010; Ingle, et. al., 2011), (2) viskositas kinematik yang tinggi akan mempengaruhi campuran udara dengan bahan bakar dan penguapan di ruang bakar. (3) efesiensi panas biodiesel dan campurannya dengan solar lebih rendah dibandingkan solar (Rangganathan, 2011; Shahid dan Jamal, 2011). Tujuan dari penelitian ini adalah: (1) menganalisis sifat-sifat fisika yang terkandung dalam methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar, (2) menganalisis karakteristik nyala api pembakaran methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan solar.
Metode Penelitian
Untuk membuat methyl ester dengan metode transesterifikasi, sedangkan untuk mendapatkan data sifat fisik yaitu: densitis, viscositas kinematik, titik didih, titik nyala, nilai kalor, pH dan angka dengan menggunakan metode ASTM D1298, D 445, D2892, D 93, D 240, D 6423 dan D 193. Untuk mendapatkan gambar api dengan metode eksperimen dengan menggunakan high speed camera dan untuk mendapatkan data tinggi dan lebar api dengan menggunakan photoshop.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 278
Hasil dan Pembahasan
Hasil dan Pembahasan Sifat Fisika Methyl Esters dan Minyak Solar
Hasil dari uji laboratorium sifat-sifat fisik methyl esters dari minyak nabati (kelapa dan kapas) dan solar ditunjukkan pada gambar 1 sampai dengan gambar 7.
Gambar 1. Densitas methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar
Gambar 2. Viscositas kimematik methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 279 Gambar 4. pH methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar
Gambar 5. Titik didih methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 280 Gambar 7. Nilai cetana methyl ester minyak kelapa, kapas dan solar
Pada gambar 1 tersebut menunjukkan bahwa densitas methyl ester dan minyak solar dari berbagai temperatur, dimana densitas terendah adalah minyak solar, kemudian di atasnya methyl ester kelapa dan tertinggi methyl ester kapas. Viskositas kinematik biodiesel dari fisika methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar mulai dari temperaatur 30oC-100oC
ditunjukkan pada gambar 2, viskositas tertinggi methyl ester kapas, sedangkan yang terendah minyak solar. Jika dibandingkan dengan viskositas minyak solar, visiskositas methyl ester kelapa dan kapas 8x lebih besar dibandingkan minyak solar, hal ini disebabkan karena pada minyak nabati banyak mengandung methyl ester tak jenuh. Untuk digunakan sebagai bahan bakar mesin diesel harus dicampurkan pada minyak solar supaya lebih mudah dikabutkan. Nilai kalor methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar seperti ditunjukkan pada dan gambar 3. Dari ke dua jenis methyl ester tersebut yang nilai kalornya tertinggi adalah methyl ester dari minyak kelapa, kemudian yang rendah dari minyak kapas. Tetapi jika dibandingkan dengan minyak solar nilai kalor methyl ester tergolong rendah. Nilai kalor menunjukkan power yang dihasilkan dari pembakaran, semakin tinggi nilai kalor tinggi menunjukkan power yang dihasilkan semakin tinggi. Kadar pH methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar seperti ditunjukkan pada gambar 4. Dari kedua jenis methyl ester tesebut kadar pH tertinggi adalah methyl ester dari minyak kelapa sebesar 6,0, tetapi masih lebih tinggi pH minyak solar. pH menunjukkan derajat keasaman atau kebasahan dari suatu methyl ester. Untuk pH bahan bakar yang baik sama dengan 7. Titik didih methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar seperti ditunjukkan pada gambar 5. Dari kedua jenis methyl ester tersebut yang titik didih terendah adalah methyl ester dari minyak kapas sebesar 200oC, sedangkan yang tertinggi
methyl ester minyak kelapa, karena minyak kelapa banyak mengandung methyl ester jenuh. Titik nyala methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar seperti ditunjukkan pada gambar 6. Titik nyala methyl ester dari minyak kapas lebih rendah dibandingkan dengan methyl ester minyak kelapa, tetapi lebih tinggi dibanding dengan minyak solar. Sedangkan angka cetan methyl ester dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar seperti ditunjukkan pada gambar 7, angka cetana dari methyl ester dari minyak kelapa lebih tinggi jika dibandingkan dengan angka catan dari methyl ester dari minyak kapas dan minyak solar. Tingginya angka cetan methyl ester dari minyak kelapa, disebabkan karena mempunyai kandungan 70% methyl ester jenuh.
Hasil dan Pembahasan Karakteristik Nyala Api Methyl Esters Minyak Kelapa, Kapas dan Solar
Karakteristik nyala api dari methyl esters minyak kapas, kelapa dan minyak solar ditunjukkan pada gambar 8-10.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 281 Gambar 8. Karakteristik nyala api dari methyl esters minyak kapas
Gambar 9. Karakteristik nyala api dari methyl esters minyak kelapa
Gambar 10. Karakteristik Nyala Api dari Minyak Solar
Gambar 8-10 menunjukkan proses pembakaran methyl esters minyak kelapa, kapas dan minyak solar, dimana ketiga minyak tersebut sama-sama terbakar satu tahap, ini disebabkan karena methyl esters mempunyai molekul hidrokarbon sangat sangat mirip dengan molekul bahan bakar solar. Proses pembakaran methyl esters dari minyak nabati lebih cepat dibandingkan dengan minyak solar, dimana methyl ester kapas 0,7475 detik, kelapa 0,7697 detik dan minyak solar 0,797 detik. Hal ini disebabkan: yang pertama, karena molekul methyl esters memiliki lebih banyak oksigen, hidrogen dan karbon yang mempunyai sifat tidak stabil dan sangat reaktif, maka mereka tidak banyak memerlukan udara pembakaran dari luar bahan bakar, sehingga lebih mudah terbakar. Kedua, rantai karbon, molekul dari methyl esters mempunyai rantai karbon dengan ikatan rangkap satu, dua dan tiga pada gugus methyl esternya, sehingga methyl esters tersebut sifatnya tidak stabil, sangat reaktif dan mudah teroksidasi. Sedangkan minyak solar mempunyai ukuran hidrokarbon berkisar dari 8 sampai 32 atom karbon per molekul. Komposisi terbanyak dalam distribusi nomor atom karbon terjadi pada sekitar 13-19 atom karbon per molekul. Ketiga angka cetana, methyl esters mempunyai angka cetana lebih tinggi dibanding minyak solar sehingga kemampuan untuk teroksidasinya akan lebih cepat.
Hasil dan Pembahasan Ukuran Nyala Api Methyl Esters Minyak Kelapa, Kapas dan Minyak Solar
Karakteristik nyala api dari methyl esters minyak kelapa, kapas dan minyak solar ditunjukkan pada gambar 11-12.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 282 Gambar 11. Tinggi nyala api methyl esters minyak kelapa, kapas dan minyak solar
Gambar 12. Lebar nyala api methyl esters minyak kelapa, kapas dan minyak solar
Gambar 11 dan 12 menunjukkan ukuran nyala api methyl esters dari minyak kelapa, kapas dan solar. Ukuran evolusi nyala api menggambarkan tenaga yang terkandung dalam proses pembakaran. Pengembangan nyala api minyak solar menghasilkan tenaga lebih besar. Penggembangan nyala api minyak solar lebih cepat, tetapi pada akhir pembakaran lebih lama dibandingkan methyl ester minyak kapas dan kelapa. Pengembangan nyala api methyl esters minyak kelapa dan kapas mencapai puncaknya lebih dahulu, tetapi tenaganya lebih rendah. Ketinggian pengembangan nyala api dari minyak solar disebabkan oleh kandungan hidrokarbon aromatik dan hidrokarbon olefin, dimana sifat kedua hidrokarbon ini tidak setabil dan sangat reaktif jika terbakar akan menghasilkan tekanan yang tinggi. Sedangkan tinggi pengembangan nyala api methyl ester minyak kelapa dan kapas disebabkan yang pertama oleh jumlah ikatan rangkap methyl ester tak jenuh mempunyai ikatan rangkap 1, 2 dan 3 pada rantai karbonnya, mempunyai sifat tidak setabil dan sangat reaktif jika bereaksi dengan oksigen. Sedangkan yang kedua titik nyala, semakin rendah titk nyala, tinggi dan lebar evolusi api semakin cepat dan besar, hal tersebut ditunjukkan pada minyak solar.
Hasil dan Pembahasan Laju Pembakaran Methyl Esters Minyak Kelapa, Kapas dan Minyak Solar
Laju pembakaran methyl esters minyak kapas, kelapa dan minyak solar ditunjukkan pada gambar 13.
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 283 Gambar 13. Laju pembakaran methyl esters minyak kelapa, kapas dan minyak solar
Gambar 13 menunjukkan laju pembakaran methyl esters dipengaruhi oleh tiga faktor, yang pertama laju penguapan, dimana laju penguapan methyl esters minyak kepala dan kapas lebih cepat dibandingkan dengan minyak solar, sehingga akan lebih mudah teroksidasi dan lebih cepat proses pembakarannya. Kedua disebabkan angka cetan, angka cetan methyl ester lebih tinggi dibandingkan minyak solar, semakin tinggi angka cetana dari methyl esters semakin singkat waktu tunggu untuk terbakar dan semakin tinggi laju pembakarannya. Ketiga disebabkan kandungan methyl ester tak jenuh, semakin besar kandungan methyl ester tak jenuh dari minyak, semakin cepat laju penguapannya dan mudah teroksidasi, sehingga laju pembakarannya semakin cepat. Keempat dipengaruhi oleh derajad keasaman, semakin rendah derajad keasaman dari methyl esters semakin cepat bahan bakar terbakar, sehingga laju pembakarannya semakin cepat.
Kesimpulan
Berdasarkan tujuan penelitian, hasil penelitian dan pembahasan dapat disimpulkan sebagai berikut: (1) sifat-sifat fisika (densitas, viskositas, nilai kalor, pH, titik didih) dari methyl esters dari minyak kelapa lebih dekat dengan minyak solar, (2) methyl esters dari minyak kelapa, kapas dan minyak solar terbakar satu tahap, tetapi methyl esters waktu pembakarannya lebih cepat, (3) api tertinggi terjadi pada minyak solar, tetapi pengembangan api terbesar pada methyl esters minyak kelapadan(4) laju pembakaran tertinggi pada methyl esters minyak kapas.
Ucapan terimakasih
Penelitian ini didukung oleh “Penelitian Disertasi Doktor dari DIKTI (Direktorat Pendidikan Tinggi)” Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Indonesia.
Daftar Pustaka
1. BP Statistical review of world energy, Oil Consumption from 1965-2010, 2011.
2. Ingle P.B., Ambade R.S., Paropate R.V., Bhansali S.S., Perbandingan kinerja mesin dg menggunakan pemanasan awal bahan bakar biodiesl minyak kapas. International Journal Of Advanced Engenering Sciences and Technologies (IJAEST), 2011, Vol No. 1, 067-071
SENATEK 2015| Malang, 17 Januari 2015 284 3. Menkobid Perekonomian, Program Aksi Penyediaan dan Pemanfaatan Energi Alternatif,
Jakarta, 2006.
4. Myo Thet, The Efek of Fatty Acid Composition on the Combustion Characteristics of Biodiesel, Doctoral Dissertation, Graduate School of Science and Engineering, Khagosima University, Doctorate, 2008, No. 273
5. Peraturan Presiden No. 5 tahun 2006. Tentang Kebijakan Energi Nasional Sampai Dengan Jangka Waktu Tahun 2025, Jakarta, 2006.
6. Parrilla J. and Cortes C., Modelling of Dropled Burning for Rapeseed Oil as Liquid Fuel. Departement of Mechanical Engineering Centro Politecnico Superior, University of Zaragoza, 2010.
7. Rangganathan L., Exsperimental Investigation of a Diesel Engine Fuelled With Optimum Biodiesel Produced From Cottonseet Oil. European Journal of Scientific Reaserch, 2011, ISSN 1450-216X Vol.62 No.1, pp101-115
8. Sathiyagnanam A.P., Member, IAENG and Saravanan C.G., Experimental Studies on the Combustion Characteristics and Performance of a Direct Injection Engine Fueled With Biodiesel (Cottonseed Oil)/Diesel Blends with SCR. Proceeding of the World Conggress on Engineering 20011 Vol III WCE 2011, july 6-8, 2011, london, U.K.
9. Shahid E.M. and Jamal Y., Performance Evaluation of a Diesel Engine Using Biodiesel. Pakistan, Journal Engineering. & Appl. Sci Vol. 9, Juli, 2011, 68-75
10. Soerawidjaja Hernas Tatang., Peluang, Potensi dan Rintangan Pengembangan Industri Bahan Bakar Nabati di Indonesia, Jakarta, Disampaikan dalam Konggres Ilmu Pengetahuan Nasional (KIPNAS) 8-10 Nopember, 2011.
11. Sugiono, A., Pengembangan Bahan Bakar Nabati Untuk Mengurangi Dampak Pemanasan Global, Yogyakarta, Seminar Nasional Pemanfaatan Lahan dan Pengurangan Dampak Pemanasan Global, Fakultas Pertanian UGM, 2008.
12. Sutjahyo, H. D., Aplikasi Minyak Jarak Pagar, Seminar dan Pelatihan Pengembangan Minyak Jarak Pagar. Surabaya, Jurusan Teknik Kimia ITS, 2006.
13. Wardana I.N. G., Combustion characteristics of jatropha oil droplet at varius oil temperatures. Fuel, 89, 2010, 659-664.
