METHANE STORAGE PADA KARBON AKTIF PADA TEMPERATUR 27 o C, 35 o C dan 65 o C

(1)

ISSN 1978 - 2365 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan,

Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

METHANE STORAGE

PADA KARBON AKTIF

PADA TEMPERATUR 27

o

C, 35

o

C dan 65

o

C

Awaludin Martin, Bambang Suryawan, M. Idrus Alhamid, Nasruddin Laboratorium Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara

Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik-Universitas Indonesia

awaludin_martin@yahoo.com

ABSTRAK

Sistem adsorbed natural gas (ANG) adalah metode distribusi bahan bakar gas yang lebih

baik dibandingkan dengan menggunakancompressed natural gas (CNG) hal tersebut dikarenakan

ANG menggunakan sistem penyerapan (adsorption system) yang hanya membutuhkan tekanan penyimpanan sekitar 4 MPa. Pada rancangan untuk aplikasi sistem adsorpsi seperti pada penyimpanan gas alam, disamping data karakteristik adsorben seperti luas permukaan dan volume pori, data penyerapan adsorbat pada adsorben juga dibutuhkan. Penelitian ini dilakukan untuk

mendapatkan data kapasitas penyerapan CH4 pada karbon aktif sebagai adsorben dengan

menggunakan metode volumetrik pada tekanan sampai dengan 3,5 MPa dan pada temperatur 27o_C,

35o_{C dan 65}o_{C. Kapasitas penyerapan maksimum pada karbon aktif KT adalah 0.05138 kg/kg}

pada temperatur 27o_{C dan tekanan equilibrium 3495,75 kPa. Data eksperimen dianalisis dengan}

menggunakan model Langmuir dan Toth. Hasil regresi data eksperimen dengan menggunakan model Langmuir dan Toth adalah 3,45% dan 2,72% untuk karbon aktif komersial dan 3,95% dan 2,78% untuk karbon aktif KT.

Kata Kunci: isohtermal adsorpsi, kapasitas adsorpsi, model langmuir, model dubinin-astakhov

ABSTRACT

Adsorbed natural gas system is a better distribution method for gas fuel than compressed natural gas, it cause ANG using adsorption system that only need storage pressure up to 4 Mpa. For design adsorption system application such as natural gas storage beside of caractheristic of adsorbent such as surface area and pore volume, adsorption capacity data of adsorbate on

adsorbent is needed too. The aim of this research is to find adsorption capacity CH4 on activated

carbon as adsorbent by volumetric method up to 3.5 Mpa in range of temperature are27o_{C, 35}o_C

dan 65o_C. _{The maximum adsorption capacity on KT activated carbon is 0.05138 kg/kg at the}

temperature of 27o_{C and the pressure equilibrium of 3495.75 kPa. The experimental data were}

analyzed using the Langmuir and Toth models. The regression results fit the experimental data of Langmuir and Toth models within 3.45% and 2.72% for commercial activated carbon and 3.95% and 2.78% for KT activated carbon.

Keywords: adsorption isohtermal, adsorption capacity, langmuir model, dubinin-astakhov model

PENDAHULUAN

Penggunaan bahan bakar gas (Natural Gas) terus mengalami peningkatan diseluruh dunia baik untuk kendaraan, komersial maupun sebagai fasilitas industri [1]_{. Penggunaan bahan}

bakar gas disamping harganya yang lebih murah jika dibandingkan bahan bakar minyak, juga lebih ramah lingkungan[2]_.

Masalah utama dalam penngunaan bahan bakar gas, baik untuk keperluan kendaraan,

(2)

komersial maupun industri adalah sistim distribusi. Saat ini distribusi bahan bakar gas masih menggunaan sistem pemipaan dan menggunakan tabung-tabung bertekanan tinggi (Compressed Natural Gas/CNG)[1]_.

Metode distribusi seperti ini menyebabkan peningkatan harga jual gas alam, karena gas alam harus diangkut dengan menggunakan truk atau trailer dengan tabung baja yang tebal sehingga menambah beban angkutan pada truk atau trailer tersebut.[1]_.

Adsorbed natural gas (ANG) adalah

teknologi penyimpanan gas alam (natural gas storage) yang sedang berkembang saat ini karena disamping lebih murah juga karena pada sistem penyerapan (adsorption system) tekanan penyimpanan yang dibutuhkan sekitar 3,5 MPa pada temperatur ruang[3,4,5]_.

Pada rancangan untuk aplikasi sistem

adsorbed natural gas storage, disamping data

karakteristik material berpori (adsorben) data penyerapan (kinetik dan thermodinamika) juga dibutuhkan[6].

Paling tidak terdapat dua metoda untuk mendapatkan data penyerapan (adsorption equilibrium), pertama adalah metode langsung (metode gravimetrik/gravimetric method) dan yang kedua metode tak langsung (metode volumetrik/volumetric method).

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan data adsorpsi isotermal CH4 pada

karbon aktif pada tekanan sampai dengan 3,5 MPa pada temperatur isotermal 27o_{C, 35}o_{C dan}

65o_{C dengan menggunakan metoda tak}

langsung (metode volumetrik). Data eksperimen juga akan dikorelasi dengan

menggunakan model persamaan Langmuir dan Toth.

METODE PENELITIAN

Ada empat metoda pengukuran adsorpsi Isotermal, yaitu metoda carrier gas, metoda volumetrik, metoda gravimetrik dan metoda kalorimetrik. Keempat metoda pengukuran penyerapan adsorpsi tersebut telah digunakan di berbagai negara dan telah diakui secara internasional [7]_{. Dalam penelitian ini metoda}

adsorpsi Isotermal yang digunakan adalah metoda volumetrik.

Metode Pengambilan Data

Dasar pengukuran metoda volumetrik adalah tekanan, volume dan temperatur, Data pengukuran pada metoda volumetrik adalah tekanan dan temperatur, dimana data diukur saat adsorbat masuk ke tempat diletakkannya adsorben (adsorption bulb). Setelah keseimbangan adsorpsi terjadi, jumlah adsorbat yang terserap dihitung dari perubahan tekanan yang terjadi, skema keseimbangan massa dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema Keseimbangan Massa pada Proses Penyerapan

Kesetimbangan massa uap adsorbat

dalam measuring cell dapat diasumsikan

sebagai berikut[8]_: ads vv ms d, m m dt dm & & -= (1)

(3)

Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

Methane Storage Pada Karbon Aktif Pada Temperatur 27o_{C, 35}o_{C dan 65}o_C

47

Dimana: dmd,ms/dt = laju aliran massa adsorbat

di measuring cell (kg/s)

vv

m

&

= laju aliran massa adsorbat di

vapour vessel(kg/s)

ads

m& = laju aliran massa adsorbat yang diserap oleh adsorben (kg/s).

Bahan dan Alat Uji

Adsorben yang digunakan pada penelitian ini adalah karbon aktif yang berbahan dasar batubara dari Kalimantan Timur dan karbon aktif komersial. Tabel 1 adalah properti karbon aktif yang digunakan.

Tabel 1. Properti Karbon Aktif

Karbon Aktif Volume Mikropori m3_·kg-1 Luas Permukaan m2_·kg-1 Komersial 0.514 x 10-4 _{0.885 x 10}6 KT 0.470 x 10-4 _{0.668 x 10}6

Metana (CH4) yang digunakan adalah

metana ultra high purity dengan kemurnian

99,995%.

Alat Uji Adsopsi Isotermal

Alat uji adsorpsi Isotermal pada prinsipnya terdiri atas dua buah silinder yaitu silinder pengisian (charging cell) dan silinder pengukuran (measuring cell) dengan volume masing-masing adalah 1173 ml dan 83,4 ml yang terbuat dari stainless steel 304 (SS 304) seperti terlihat pada Gambar 2. Kedua tabung tersebut dihubungkan dengan tube stailess steel

dimana keduanya terendam dalam fluida yang

temperaturnya dikendalikan oleh circulating

Thermal Bath (merk HUBER) dengan akurasi

0,1o_C.

Tekanan pada kedua silinder diukur

dengan menggunakan pressure transmitter

dengan kisaran pengukuran 0-40 bar absolut (DRUCK PTX 1400) dengan akurasi 0,15%.

Thermocouple kelas A tipe K digunakan untuk

mengukur temperatur adsorbat (gas CH4) dan

adsorben (karbon aktif). Data tekanan dan temperatur direkam melalui data akuisisi (merk National Instrument).

Proses awal pengujian adalah proses

degasing dimana measuring cell yang telah

berisi karbon aktif dihubungkan dengan

charging cell kemudian dililiti dengan pemanas

(heater). Proses degassing dimaksudkan untuk mengeluarkan seluruh unsur atau zat pengotor (impurity) yang kemungkinan terserap oleh karbon aktif selama penyimpanan. Proses degassing berlangsung sampai dengan 8 jam dan selama proses sistem di vakum dengan pompa vakum satu tingkat (merk ARUKI) sampai dengan tekanan mendekati 0,01 mbar.

Selama proses tersebut measuring cell

dipanaskan dengan cara dililiti dengan pemanas (heater) untuk menjaga temperatur karbon aktif

pada kisaran 130–140o_{C. Gas Helium (He)}

dimasukkan kedalam system pada tekanan sampai dengan 7 bar untuk meningkatkan proses pengeluaran zat pengotor pada karbon aktif.

(4)

Gambar 2. Skema Alat Uji

Setelah proses degassing, kemudian

charging cell dan measuring cell direndam

dengan air yang disirkulasikan olehcirculating

Thermal Bath (merk HUBER) dengan akurasi

0,1o_{C untuk menjaga agar temperatur pada}

sistem konstan pada temperatur tertentu yang diinginkan. Setelah temperatur pada sistem

konstan (isotermal), gas CH4 dimasukan

kedalam charging cell dimana sebelumnya

katup yang menghubungkan antara charging

cell dan measuring cell ditutup. Setelah

temperatur pada charging cell kembali ke

temperatur isotermal katup penghubung tersebut dibuka, proses ini adalah proses awal adsorpsi isotermal. Gas CH4 kembali diisikan

pada tekanan berikutnya kedalamcharging cell

setelah temperatur pada charging cell kembali pada temperatur semula. Proses tersebut berlangsung sampai dengan tekanan pengisian 3,5 MPa. Proses di atas dilakukan kembali untuk temperatur isotermal yang berbeda.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Adsorpsi Isotermal

Data adsorpsi Isotermal CH4 pada karbon

aktif telah dilakukan pada temperatur 27, 35,

dan 65o_{C sampai dengan tekanan 3.5 Mpa}

dengan menggunakan metoda volumetrik. Gambar 3 dan 4 adalah grafik adsorpsi isotermal CH4 pada karbon aktif, dari gambar

tersebut terlihat bahwa adsorpsi isotermal CH4

pada karbon aktif masuk dalam klasifikasi penyerapan IUPAC tipe I[9]_.

Gambar 3 dan 4 juga menjelaskan bahwa

kapasitas penyerapan CH4 semakin besar

dengan semakin besarnya tekanan equilibrium dan semakin rendahnya temperatur isotermal. Dengan demikian didapat bahwa kapasitas penyerapan adsorbat terhadap adsorben tergantung pada besarnya tekanan dan temperatur.

Gambar 3. Adsorption Isotermal CH4 pada Karbon Aktif KT;

w

27o_{C; ■} 45o_C;_▲₆₅o_C 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (kPa) U pt ake (kg /kg )

(5)

Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

49

Gambar 4. Adsorption Isotermal CH4 pada Karbon Aktif Komersial;

w

27o_C;

■ 45o_C;_▲₆₅o_C

Data adsorpsi isotermal CH4 pada karbon

aktif yang diperoleh dibandingkan dengan data adsorpsi isotermal yang dilakukan oleh Lee, Jae-Wook dkk., 2007 seperti terlihat pada Gambar 5. Karbon aktif yang digunakan adalah karbon aktif (R-15) dengan luas permukaan 1493 m2_{/g dengan volume pori 0,658 ml/g} [5]_.

Kapasitas penyerapan yang diperoleh oleh Lee, Jae-Wook Lee, dkk., 2007 lebih besar dibandingkan dengan kapasitas penyerapan

CH4 pada pada karbon aktif KT dan karbon

aktif komersial hal tersebut dikarenakan luas permukaan dan volume pori karbon aktif yang digunakan lebih besar..

Gambar 5. Adsorption Isotermal CH4 pada

Karbon;

w

Karbon Aktif PR15;

■ Karbon Aktif Komersial; ▲

Karbon Aktif KT

Korelasi Adsorpsi Isotermal

Model Langmuir dan Toth digunakan untuk meregresi data keseimbangan adsorpsi. Asumsi model Langmuir adalah bahwa permukaan adsorben homogen dimana energi adsorpsi konstan pada seluruh permukaan adsorben. Model ini juga mengasumsikan bahwa adsorpsi dilokalisasi dan tiap lokasi hanya dapat mengakomodasi satu molekul atau

atom [10]_{. Model Langmuir adalah sebagai}

berikut[11]:.

(

)

(

)

(

)

[

k h RT P

]

P RT h k C C st st / exp 1 / exp . 0 0 0 + = (2)

Dengan C adalah kapasitas adsorpsi per unit massa adsorben pada kondisi equilibrium,

Co adalah kapasitas penyerapan maksimum,hst

adalah panas adsorpsi isosterik, k0 adalah

konstanta equilibrium.

Gambar 6 dan 7 adalah grafik data adsorpsi isotermal yang diregresikan dengan menggunakan model persamaan Langmuir. Pada regresi yang dilakukan diperoleh nilai deviasi antara data eksperimen dengan persamaan adalah 3,95% untuk karbon aktif KT dan 3,45% untuk karbon aktif komersial.

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (kPa) U p take (kg /kg ) 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (KPa) U ptak e (k g/K g) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (kPa) U p ta ke (kg /kg)

(6)

Gambar 6. Adsorpsi Isotermal CH4 pada

Karbon Aktif KT;

w

27o_{C; ■}

45o_C; _▲₆₅o_{C; Garis tebal adalah}

regresi dengan Persamaan Langmuir

Model persamaan Toth biasanya digunakan pada permukaan adsorben yang heterogen seperti pada karbon aktif dan juga persamaan tersebut dapat digunakan pada tekanan rendah dan tekanan tinggi [3]_{. Model}

persamaan Toth adalah sebagai berikut[11, 12]_:

(

)

(

)

(

)

[

_t

]

t st st P RT h k P RT h k C C / 1 0 0 0 1 exp / / exp . + = (3)

dengan t adalah parameter yang

mengindikasikan heterogenitas adsorben.

Karbon Aktif Komersial;

w

27o_{C; ■ 45}o_C; _▲₆₅o_{C; Garis}

tebal adalah regresi dengan Persamaan Langmuir

Karbon Aktif KT;

w

27o_C;

■ 45o_C; _▲₆₅o_{C; Garis tebal}

adalah regresi dengan Persamaan Toth

Gambar 8 dan 9 adalah grafik data adsorpsi isotermal yang diregresikan dengan menggunakan model persamaan Toth. Pada regresi yang dilakukan diperoleh nilai deviasi antara data eksperimen dengan persamaan adalah 2,78% untuk karbon aktif KT dan 2,72% untuk karbon aktif komersial

Karbon Aktif Komersial;

w

27o_{C; ■ 45}o_C; _▲₆₅o_{C; Garis}

tebal adalah regresi dengan Persamaan Toth

Persamaan Toth menghasilkan nilai regresi yang lebih akurat dibandingkan dengan persamaan Langmuir dimana nilai regresi persamaan Toth adalah 2.72% sementara persamaan Langmuir adalah 3.45% untuk karbon aktif komersial dan 2,78% dan 3,95% untuk karbon aktif KT. Selain karena persamaan Toth memiliki parameter yang lebih banyak, persamaan Langmuir memiliki keterbatasan pada tekanan yang relatif tinggi dan juga dikarenakan asumsi bahwa permukaan adsorben adalah homogen.

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (kPa) U pt ake (kg /kg) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (kPa) U pt ake ( kg /kg ) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Pressure (kPa) U pt ake ( kg /kg )

(7)

Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

51

Tabel 2 dan 3 adalah besaran-besaran yang digunakan pada penyelesaian model persamaan Langmuir dan Toth

Tabel 2. Besaran-besaran yang digunakan pada karbon aktif KT Parameter Model Langmuir Model Toth Co (kg/kg) 0,0544 0,0636 hst/R (K) 2297,86 2160,24 ko (1/kPa) 1,54.10-06 3,11.10-06 t - 0,7013 Deviasi 3,95% 2,78%

Tabel 3. Besaran-besaran yang digunakan pada karbon aktif komersial

Parameter Model Langmuir Model Toth Co (kg/kg) 0,0698 0,0900 hst/R (K) 1987,94 1782,74 ko (1/kPa) 2,06.10-06 4,30.10-6 t - 0,6855 Deviasi 3,45% 2,72%

KESIMPULAN

Pada penelitian ini adsorpsi Isotermal

CH4 pada karbon aktif telah dilakukan pada

tekanan sampai dengan 3,5 MPa dengan kisaran temperatur 27o_{C, 35}o_{C dan 65}o_C.

Kapasitas penyerapan maksimum pada karbon aktif KT adalah 0.05138 kg/kg pada

temperatur 27o_{C dan tekanan equilibrium}

3495,75 kPa. Data eksperimen dianalisis dengan menggunakan model Langmuir dan Toth. Hasil regresi data eksperimen dengan menggunakan model Langmuir dan Toth adalah 3,45% dan 2,72% untuk karbon aktif komersial dan 3,95% dan 2,78% untuk karbon aktif KT.

DAFTAR ACUAN

[1] Prauchner, Marcos J., Francisco

Rodrı´guez-Reinoso, 2008, Preparation of granular ctivated carbons for adsorption of

natural gas, Microporous and Mesoporous

Materials,109 (2008) 581–584

[2] Castello, D. Lozano, Alcaniz Monge, M.A. de la Casa-Lillo, D. Cazorla-Amoros, A. Linares-Solano, 2002, Advances in the Study of Methane Storage in Porous

Carbonaceous Materials, Fuel, 81 (2002)

1777-1803

[3] Shuji Himeno, Toshiya Komatsu, and Shoichi Fujita, 2005, High-Pressure Adsorption Equilibria of Methane and Carbon Dioxide on Several Activated Carbons, J. Chem. Eng. Data,50,369-376 [4] Pupier,O., V. Goetz, R. Fiscal, 2005, Effect

of cycling operations on an adsorbed natural gas storage, Chemical Engineering

and Processing 44 (2005) 71–79

[5] Lee, Jae-Wook, M. S. Balathanigaimani, Hyun-Chul Kang, Wang-Geun Shim, Chan Kim, and Hee Moon, 2007, Methane Storage on Phenol-Based Activated Carbons at (293.15, 303.15, and 313.15) K,

J. Chem. Eng. Data2007,52,66-70

[6] Belmabkhout, Y., M Fr`ere and G DeWeireld, 2004, High-pressure adsorption measurements.A comparative study of the

volumetric and gravimetric methodsMeas.

Sci. Technol. 15 (2004) 848–858

[7] Keller, Jürgen U, Reiner Staudt, 2005,Gas adsorption equilibria; Experimental

(8)

Springer Science + Business Media, Inc., Boston, United States of America, 2005 [8] Dawoud, Belal, Yuri Aristov, 2003,

Experimental Study on The Kinetics of Water Vapor Sorption on Selective Water Sorbent, Silica Gel and Alumina Under Typical Operating Conditions of Sorption Heat Pumps, International Jounal of Heat

and Mass Transfer, pp 273-281

[9] Bansal, Roop Chand & Meenakshi Goyal, 2005,Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis Group,USA

[10]Do, Duong D., 2008, Adsorption Analysis:

Equilibria and Kinetics, World Scientific

Publishing Co. Pte. Ltd, Singapore

[11]Kazi Afzalur Rahman, Wai Soong Loh, Anutosh Chakraborty, Bidyut Baran Saha and Kim Choon Ng, 2009, Adsorption Thermodynamics of Natural Gas Storage onto Pitch-Based Activated Carbons,

Proceedings of the 2nd Annual Gas

Processing Symposium,Elsevier, 2009

[12] Wang, Xiaolin, James French, Srinivasan Kandadai, and Hui Tong Chua, 2010, Adsorption Measurements of Methane on Activated Carbon in the Temperature Range (281 to 343) K and Pressure to 1.2

MPa, J. Chem Eng. Data, Publication Date