PROSES PEMULIHAN SAMPAH PLASTIK MULTILAYER PADA
VARIASI TEMPERATUR DAN DOSIS KATALIS ZEOLIT ALAM
RECOVERY PROCESS OF MULTILAYER PLASTIC WASTE
THROUGH VARIATION OF TEMPERATURE AND DOSE OF
ZEOLITE CATALYST
Hamdi Wahyudi1, Enri Damanhuri2, dan Haryo Satriyo Tomo3
Program Magister Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesha Nomor 10 Bandung 40132
E-mail: 1wahyudi_hamdi@students.itb.ac.id, 2e_damanhuri@ftsl.itb.ac.id, 3haryo@ftsl.itb.ac.id
Abstrak: Plastik telah menjadi permasalahan pada manajemen persampahan kota. Presentasi sampah plastik multilayer cukup tinggi dibandingkan dengan plastik perkotaan yang terbuang ke TPS. Potensi daur ulang dari sektor informal masih sangat rendah. Plastik multilayer untuk kemasan makanan secara umum terdiri dari lapisan film LDPE, PP, bahan adhesive, dan aluminium foil. Tujuan dari studi ini untuk mengkonversi dan menganalisa potens dari sampah plastik multilayer sebagai alternatif energi. Melalui konversi termal-pirolisis akan menghasilkan hidrokarbon, gas, dan padatan aluminium sekunder. Proses termal-pirolisis menggunakan reaktor batch pada rentang temperatur 350 hingga 425oC selama 60 hingga 120 menit. Hasil
proses ini diperbandingkan dengan proses pirolisis menggunakan penambahan katalis zeolit dengan dosis 5, 10, 15, dan 50% (b/b) plastik multilayer. Berdasarkan analisis statistik, temperatur 400oC dapat digunakan
sebagai proses dengan menggunakan katalis. Hasil pirolisis berdasarkan variasi temperatur dan waktu menunjukan temperatatur 425o C dan waktu 120 menit memberikan produk liquid dan gas terbesar yaitu
30,2% dan 5,99%. Sedangkan temperatur 350o C menyisakan residu terbanyak hingga 97,34%.
Kata kunci:plastik multilayer, pirolisis, katalis zeolit
Abstract: Plastic has become a issue in municipal waste management. The proportion of multilayer plastic has high proportion compoared to municipal plastic waste that discarded to TPS. The recovery potential of multilayer plastic by informal sector is still low. Multilayer plastic for food packaging generally consist of LDPE film, PP, adhesive, and aluminium foil. The aim of this study is to convert and analyze the potential of multilayer plastic as alternatif energy. Thermal-pyrolysis conversion using batch reactor will generate hidrocarbon, gas, dan secondary aluminium solid. The pyrolysis reactor was conducted in the range of
temperature 350 to 425oC for 60 until 120 minutes. The result compared with those obtained in the process
using zeolite catalyst with variation dose 5, 10, 15, and 50% (w/w) of multilayer plastic. Based on statistic
analysis, the temperature 400o C could be used for the catalysed process. The result through temperature and
duration processing time showed 425o C and 120 minutes generated liquid and gas product 30.2 % and
5.99% respectively. While the temperature 350oC generated residue with 97.34%.
Keywords: multilayer plastic, pyrolisis, zeolit catalyst
PENDAHULUAN
Sampah plastik merupakan salah satu pencemar lingkungan di Indonesia. Permasalahan sampah plastik ini telah menjadi isu nasional bahkan internasional. Sampah plastik perkotaan cenderung lebih heterogen dan tercampur dengan material lain.
Pirolisis dapat didefinisikan sebagai dekomposisi thermal material organik pada suasana inert (tanpa kehadiran oksigen) yang akan menyebabkan terbentuknya senyawa volatil. Pirolisis secara umum dipengaruhi oleh faktor temperatur dan laju kenaikan, waktu tinggal, komposisi material, dan katalis. Studi yang dilakukan oleh Hartulistiyoso et al (2014) tentang distribusi temperatur 451, 404, 374, 354, 293 memberikan pengaruh terhadap laju degradasi.
Analisis TGA pada studi Lopez et al (2011),pada campuran material plastik, plastik yang didominasi oleh film PE, dimana PE merupakan mayoritas penyusun dari plastik
multilayer menunjukan degradasi dimulai pada temperatur 320o C dan konstan pada temperatur 510oC. Temperatur pada studi pirolisis memiliki rentang yang berbeda-beda 350 hingga 900o C. Yebi,.dkk (2016) meneliti pirolisis menggunakan campuran material plastik
multilayer dan polystirene mengungkapkan adanya perbedaan selektifitas produk minyak yang dihasilkan dan proporsi plastik multilayer dapat mempercepat laju kenaikan temperatur reaksi. Penelitian pirolisis katalitik yang dilakukan oleh Syamsiro et.al (2014), meneliti pirolisis HDPE dan PP menggunakan katalisator zeolit alam dan Y-zeolit menunjukan adanya perbedaan produk minyak yang dihasilkan tanpa dan dengan katalis.
Studi literatur Wong et al (2015), pirolisis LDPE pada temperatur 275oC menghasilkan minyak 48,6%, gas 40,7%, dan char sebesar 10,1% yang dilakukan di reaktor batch. Proses pirolisis menggunakan katalis zeolit pada temperatur 255oC menghasilkan minyak sebesar 51,19%, gas 35,88%, dan 12,50 % wax. Jika menggunakan pirolisis katalitik maka temperatur optimum berkisar 390° C.
METODOLOGI
Pada penelitian proses pemulihan sampah plastik multilayer melalui konversi termal-katalitik, terdiri dari tiga tahap metodologi yaitu tahap persiapan, tahap , tahap penelitian, dan tahap analisis dan interpretasi hasil.
Tahap persiapan dimulai dengan studi literatur terkait metode termal pirolisis secara umum serta penelitian-penelitian terkait pirolisis plastik yang sudah pernah dipublikasikan sebelumnya. Selanjutnya dilakukan sampling komposisi sampah dan wawancara dengan pelaku pengelolaan sampah secara non-formal di dua TPS di kota Bandung yaitu, TPS Sadang Serang dan TPS Taman Sari. Kegiatan ini dilakukan untuk mengetahui jenis-jenis sampah dan potensi sampah yang tidak tereduksi. Pada tahap persiapan juga dilakukan persiapan alat dan bahan didalamnya mencakup desain dan perakitan reaktor. Persiapan operasional dilakukan juga pada tahap ini, seperti analisis karakteristik awal sampel, pengaturan variasi proses, dan analisis karakteristik dan preparasi katalis.
Desain Reaktor Pirolisis
berkisar 30-40oC per menit. Sistem kondensasi yang akan digunakan adalah sistem aliran
contraflow secara vertikal dengan laju aliran secara spiral dimana material terbuat dari gelas tahan panas. Rangkaian alat Gambar 1. dilengkapi dengan dua thermokopel; satu untuk kontrol elemen pemanas dan untuk kontrol temperatur aktual pada sistem reaktor. Produk yang akan dihasilkan berupa gas ditampung pada tedlar bag dan produk berupa cairan ditampung didalam labu pisah.
Karakteristik dan Penentuan Variasi Percobaan
Pengambilan sampel dilakukan dengan sistem grab sampling di dua tempat pembuangan sampah sementara (TPS) Sadang Serang dan Taman sari. Sampel diambil sebanyak +- 10 kg untuk jenis plastik multilayer. Selanjutnya dilakukan pre-treatment
seperti pemilahan berdasarkan merek, pencucian, dan pencacahan. Tahap analisis karakteristik fisik sampah plastik meliputi kadar air pada temperatur 105oC, kadar volatil, dan kadar abu pada temperatur 550 oC, dan nilai kalor menggunakan bomb-kalorimeter dari beberapa jenis merek sampah plastik berdasarkan merek yang dominan pada kumpulan sampah plastik multilayer.
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk menguji desain reaktor terhadap variasi reaksi; temperatur dan waktu tinggal yang telah ditentukan sebelumnya berdasarkan studi literatur. Variasi temperatur, 350, 400, 450, 500, dan 550oC. Variasi waktu tinggal, 60, 90, dan 120 menit.
Penentuan variasi ini dilakukan berdasarkan jenis sampel plastik berdasarkan merek dan bentuk fisik. Hasil penelitian pendahuluan di komparasikan dengan hasil analisa sampel plastik dengan menggunakan metoda analisis Thermogravimetri Analytic (TGA) untuk melihat temperatur degradasi dari sampel sampah plastik multilayer. Hasil analisis TGA akan dijadikan acuan untuk mempersempit rentang temperatur proses yang akan dilakukan pada penelitian utama.
Tahap penelitian langkah kedua yang dilakukan setelah melakukan persiapan reaktor, sampel dan katalis. Pada proses pirolisis plastik multilayer ini sebanyak 100 gram sampel dibakar berdasarkan tiga variasi bebas yaitu, temperatur, waktu tinggal, dan dosis katalis. Proses dilakukan berdasarkan variasi temperatur; 350, 375, 400, 425oC dan variasi waktu tinggal 60, 90, 120 menit untuk mendapatkan kondisi optimum reaksi. Variasi dosis katalis 5, 10, 15, dan 50% dilakukan untuk memperbandingkan hasil produk pirolisis secara termal dan termal-katalitik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi Sampah
Untuk plastik PET dan PP (kemasan gelas) yang dikumpulkan oleh pemulung dalam waktu 4 hari berkisar antara 70 - 100 kg. Kecendrungan ini berdampak pada komposisi sampah plastik pada TPS. Komposisi sampah plastik multilayer yang digunakan pada studi ditemukan di TPS Taman sari dan Sadang serang sebesar 29 % dan 17 % dapat dilihat pada Gambar 2. berikut.
Penelitian Pendahuluan
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk mendapatkan gambaran awal mengenai proses pirolisis yang akan dilakukan serta untuk mengetahui kendala-kendala yang yang mungkin akan dihadapi. Pada penelitian pendahuluan dilakukan beberapa hal seperti penentuan variasi temperatur 350 hingga 550oC dan variasi waktu rentang waktu 30 hingga 120 menit.
Penentuan Variasi Temperatur
Penentuan variasi temperatur dilakukan pada rentang variasi temperatur 350 C hingga 550 C. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Santoso 2010 dalam Yurianda 2016, pirolisis yang dilakukan secara batch sampah plastik jenis Polypropylene (PP) dan Low Density Polyethylene (LDPE) dengan variasi suhu 300°C, 350°C, 400°C, dan 450°C menghasilkan liquid yield terbanyak saat pirolisis dilakukan pada suhu 450°C.
Dari uji ini diketahui laju kenaikan temperatur permenit dari setiap temperatur proses. Pemanasan yang dilakukan berkisar antara 19 C permenit hingga 29 C permenit. Semakin besar temperatur proses maka laju kenaikan temperatur juga semakin besar dengan proses pemanasan secara langsung. Pada Gambar 3. diperbandingkan laju kenaikan temperatur dari ketiga temperatur proses. Percobaan dengan temperatur 500 C membutuhkan waktu 16 menit untuk mencapai temperatur proses dengan rata-rata laju kenaikan temperatur sebesar 29,46 C permenit.
Penentuan Variasi Waktu
Penentuan variasi waktu terkait secara langsung dengan variasi temperatur. Pada uji awal, proses pirolisis dioperasikan dioperasikan untuk melihat waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur proses dengan kenaikan temperatur secara langsung. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai proses berkisar antara 15,5 menit hingga 18,5 menit untuk variasi temperatur 400, 450, dan 500 C. Proses dilakukan selama 60 menit dengan tetesan pertama untuk temperatur 350 C pada menit ke 20,dan menit ke-14, dan ke- 12 untuk temperatur 450 dan 500 C berturut-turut.
Hasil pengamatan menunjukan selama waktu 60 menit yang ditunjukan pada Gambar 4. produk minyak yang dihasilkan mencapai 19, 22, dan 22% untuk temperatur 400, 450,dan 500 C secara berturut-turut. Terdapat kenaikan kuantitas produk minyak dan gas terhadap kenaikan temperatur proses. Perbandingan produk ditampilkan menunjukan kenaikan produk per fase para perbedaa temperatur proses.
pembentukan residu padat (unreacted plastic) semakin menurun. Pengurangan fraksi massa plastik yang terdekomposisi seiring dengan peningkatan waktu . Pada temperatur sama waktu , waktu reaksi yang lebih singkat akan menghasilkan produk minyak yang lebih banyak, sedangkan waktu yang lebih lama menghasilkan produk gas yang lebih banyak (Taman dkk. dan Walendziewski dalam Abbas dan Shubar, 2008).
Pada proses uji awal produk minyak yang dihasilkan masih sangat sedikit berkisar antara 3 hingga 5% dari total input. Pada Gambar.4 setelah percobaan berulang dihasilkan produk minyak yang lebih banyak. Hasil produk diperbandingkan antara variasi temperatur 400, 450, dan 500 C. Terdapat perbedaan dari bentuk fisik produk dari ketiga variasi temperatur, dimana produk minyak temperatur 400 C berbentuk cairan sementara produk untuk temperatur 450 dan 500 C cenderung berbentuk tar. Kendala dengan menggunakan variasi temperatur 450 dan 500 C menyebabkan penyumbatan pada kondensor. Sehingga untuk percobaan utama dilakukan peninjauan ulang pada variasi temperatur.
Analisis Termal
Analisis termal bertujuan untuk mengidentifikasi laju dekomposisi. Analisis termal dilakukan dengan metoda TGA dengan hasil berupa termogram yang menunjukan kurva antara persen masa yang tersisa terhadap suhu. Termogram sampel plastik multilayer pada Gambar.5 Analisis dilakukan dengan menggunakan 4,8 mg sampel dengan laju kenaikan temperatur sebesar 15o C permenit hingga temperatur mencapai 500o C.
Kurva berwarna hijau menunjukan persen massa sampel plastik yang tersisa pada temperatur tertentu. Termogram menunjukan sampel mulai terdegradasi pada temperatur 275o C. Pada temperatur 350 hingga 375o C sampel plastik terlah terdekomposisi sebesar 19%. Setelah temperatur 400o C sampel plastik terdekomposisi secara drastis hingga temperatur 450o C menghasilkan massa sampel plastik 20,97.
Berdasarkan hasil analisis TGA menunjukan rentang temperatur yang sesuai digunakan pada proses pirolisis yaitu dari 375 hingga 450o C. Pada Tabel 1. terlihat rentang temperatur antara 425 hingga 450o C memberikan nilai dekomposisi yang paling besar yaitu 23,83% dari total sampel. Pada temperatur batas atas yaitu 500o C penurunan berat massa yang terjadi cenderung stagnan mengindikasikan sisa sampel berupa fix carbon dan aluminium yang tidak terdekomposisi di temperatur 500o C.
Penelitian Utama
Sampel plastik multileyer yang digunakan terdiri dari jenis campuran dai berbagai merek kemasan. Sampel sebelumnya telah melalui proses pretreatment. Kemudian proses pemanasan dilakukan dari temperatur kamar hingga temperatur optimal proses yang di pantau melalui thermocouple yang terhubung secara digital ke komputer. Produk hasil pirolisis ditimbang beratnya disetiap variasi waktu (60, 90, dan 120 menit). Kesetimbangan massa dari produk ditetapkan menurut jumlah input dan output serta didasarkan pada 100% dari jumlah input (Lee, 2012).
Proses pirolisis sampah plastik multilayer dilakukan dengan variasi temperatur 350, 375, 400, dan 425 C. Setiap proses dilakuka dengan prosedur yang sama selama 120 menit. Proses pemanasan dengan elemen pemanas super kanthal yang di kontrol secara digital dengan simpanan data berupa data logging.
Gambar 6. menunjukan proses pemanasan secara eksponensial yang dimulai dari menit ke-5 hingga menit 33 untuk semua variasi temperatur. Terdapat fluktuasi temperatur setelah mencapai temperatur optimasi reaksi. Rangakaian alat pemanas yang menggunakan kontaktor sehingga terdapat selisih temperatur antara elemen pemanas dan temperatur aktual reaktor dengan toleransi selisih hingga +- 10o C
Pengamatan yang dilakukan dari percobaan pendahuluan memperlihatkan bahwa laju pemanasan yang cepat berbandingan lurus dengan kecepatan dekomposisi material plastik. Produk yang dihasilkan dengan laju pemanasan cepat memberikan fase cair yang berbentuk tar sehingga terjadi penyumbatan pada rangkaian kondensor reaktor.
Dari Gambar 7. menunjukan terdapat perbedaan pada produk yang dihasilkan oleh variasi temperatur dan waktu. Kenaikan temperatur menyebabkan pergeseran produk untuk fase cair ke arah yang lebih besar secara signifikan. Produk fase gas yang dihasilkan oleh perbedaan temperatur mengalamai kenaikan dari temperatur 350 hingga 400 C, namun untuk 400 dan 425 C perbedaan produk gas tidak terlalu signifikan.
Terdapat tren pergeseran konversi produk hasil pirolisis terhadap perbedaan temperatur dan waktu proses. Produk yang dihasilkan pada temperatur 350o C didominasi oleh residu padat yaitu hingga 97,34%, sedangkan pada temperatur tertinggi 425o C residu padat yang dihasilkan 64,13 %. Tren kenaikan produk likuid yang dihasilkan cukup signifikan dari 0 % menjadi 30,265% pada temperatur tertinggi. Produk gas terdapat tren peningkatan yang sama untuk perbedaan temperatur tertinggi dan terendah yaitu 1,48% menjadi 5,995 %
Produk Likuid
Karakteristik produk likuid dari proses pirolisis dan katalitik reformfing sampah plastik multilayer ditunjukan pada Tabel 4. Hasil yang serupa ditunjukan pada proses menggunakan katalis dan non-katalis. Adanya katalis memberikan sedikit penurunan pada nilai pour point . Meskipun nilai ini masih lebih besar dari pada nilai pour point pada minyak diesel yaitu maksimal 18oC. Hal ini menyebabkan likuid produk pirolisis menjadi padat pada temperatur rendah. Permasalahan pada likuid dengan pour point tinggi dapat diatasi dengan pemanasan sebelum digunakan untuk memastikan fluiditas dan menjadi viskositas minyak (Syamsiro et at., 2014). Nilai kalor dari minyak plastik hampir sama dengan minyak komersial karena plastik dan minyak komersial sama-sama diproduksi dari minyak mentah.
Residu Padat
meruapakan senyawa yang mudah terbakar dan memberikan sumber energi. Menurut Gidakaros dkk (2005) bahwa rata-rata nilai senyawa volatil plastik yaitu 94,9%.
Produk gas
Produk gas yang ditampung menggunakan tedlar bag dianalisis menggunakan instrumen GC yang diperbandingkan dengan sampel standar.
KESIMPULAN
Komposisi sampah plastik multilayer cukup besar dari total sampah plastik pada TPS Sadang serang dan Taman sari yaitu 17 % dan 29% dari total sampah plastik.
Temperatur dan waktu memberikan pengaruh pada pergeseran produk hasil pirolisis. Temperatur 425o C memberikan produk cair yang cukup signifikan yaitu mencapai 30,26 % dan produk gas pada temperatur 400o C dan 425o C cenderung hampir sama yaitu 5.96% dan 5,99 %. Temperatur yang lebih rendah 350o C didominasi oleh produk residu padat yang menunjukan temperatur optimum degradasi plastik multilayer terjadi diantara 400o C hingga 425o C
Pemulihan aluminium diperoleh dari rentang 3,68 hingga 4,48% dari total residu padat dan nilai kalor untuk char sebesar 9406,91 kal/g dan 10381,0 kal/g untuk nilai kalor tar. Analisis Produk gas dengan instrumen GC terdapat peningkatan konsentrasi CO2 dan CH4 dari proses tanpa katalis sebesar 554.14 dan 552.58 ppm dengan proses menggunakan katalis sebesar 569.78 dan 574.73 ppm.
Daftar Pustaka
Abbas, A.S dan Shubar, S.D.A. (2008): Pyrolisis of high density polyethylene for the production fuel-like liquid hydrocarbon. Iraqi Journal of Chemical and Petroleum, Vol.9, No.1, 23 - 29.
Gidakaros, E., Havas, G., dan Ntzamilis, P. (2005): Municipal solide waste composition determination supporting the intergrated solid waste management system in the Island of Crete. Departement
of Environmental Engineering, Technical University of Crete, Grece.
Hartulistiyoso, E., Sigiro, F. A. P. A. G., dan Yulianto, M. (2015): Temperature distribution of the plastics pyrolysis process to produce fuel at 450, Procedia Environmental Sciences, 28, 234 – 241.
Lee, K.H. (2012): Pyrolysis of waste polystyrene and high-density polyethylene, Korea, Institute of Energy Research.
López, A., de Marco, I., Caballero, B. M., Laresgoiti, M. F., Adrados, A., dan Torres, A. (2011): Pyrolysis of municipal plastic wastes II: Influence of raw material composition under catalytic conditions, Waste
Management, 31, 9 – 10.
Sarker, M., dan Rashid, M.M. 2013. Mixture of Waste Plastics to Fuel Production Process Using Catalyst
Percentage Ratio Effect Study. International Journal of Renewable Energy Technology
Research. Vol 1 No 1 , PP: 01-19
Syamsiro, M., Saptoadi, H., Norsujianto, T., Noviasri, P., Cheng, S., Alimuddin, Z., dan Yoshikawa, K. (2014): Fuel oil production from municipal plastic wastes in sequential pyrolysis and catalytic reforming reactors, Energy Procedia, 47, 180–188.
Wong, S. L., Ngadi, N., Abdullah, T. A. T., dan Inuwa, I. M. (2015): Current state and future prospects of plastic waste as source of fuel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50,1167–1180. Yebi, Y., Syamsiah, S., dan Saptoadi, H. (2016): Pirolisis campuran sampah plastik polistirena dengan
