PEMANFAATAN ZEOLIT ALAM SEBAGAI ADSORBEN POLUTAN PADA MESIN BENSIN
Yuniarto Agus W1)
1
Teknik Mesin, Politeknik Negeri Malang, Jl Soekarno Hatta 9, Malang, 65141 E-mail: dhimazyuni@gmail.com
Abstract
Zeolite which are already activated to be a catalyst can reduce monoxide carbon and poisonous hydrocarbon gasses. Installation of zeolite is certainly affected to CO, HC emission changes CO, HC as well power and fuel consumption. The purpose of this research is determining a percentage of reduce in emission of CO, HC, also power and fuel consumption of gasoline engines after installing the catalyst. Activation method under acidic condition conduction conducted in laboratory, performance testing using the constant a speed, the data obtained are then compared to the standard and presented in graphical form. The results are decreasing 47% emission of CO and HC by 56,72% are occur mean while power fell down by 1,43Hp or 6,12% and fuel consumption rise up by 11,23% against the standard.
Keywords: power, fuel consumotion, zeolite, catalysts,, activation
Abstrak
Zeolit yang sudah teraktifasi yang berfungsi sebagai katalis dapat mereduksi gas karbon menoksida dan hirokarbon yang beracun. Pemasangan zeolit ini tentunya berdampak pada terjadinya perubahan perubahan emisi CO, HC, daya dan konsumsi bahan bakar. tujuan menentukan besar prosentase penurunan emisi CO, HC, daya serta konsumsi bahan bakar setelah mesin bensin terpasang katalis. Metode aktifasi zeolit dalam suasana asam dilakukan secara eksperimen laboratorium, pengujian kinerja mesin menggunakan metoda
constan speed, data yang didapat selanjutnya dibandingkan terhadap standar serta disajikan dalam bentuk grafik, Hasil terjadi penurunan emisi CO sebesar 47% dan HC sebesar 56,72%. Daya turun sebesar 1,43 hp atau 6,12% dan konsumsi bahan bakar naik 11,21% terhadap standar
Kata Kunci:daya, konsumsi bahan bakar, zeolit, katalis, aktifasi
PENDAHULUAN
ketepatan dalam proses pembakaran atau memasang katalitik koventer jenis three way catalyst dimana bagian dalamnya berisi material yang bersifat sebagai katalis.
Zeolit adalah mineral yang tersusun dari kristal alumino silikat yang terhidrasi mengandung kathion alkali dan alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi dengan rumus kimia M2nO.Al2O3xSiO2yH2O (Ma∙ruf Anwar, 2012). Dalam penggunaannya zeolit mempunyai sifat sebagai (1). Penyerap karena sifatnya yang selektif dan mempunyai kapasitas tukar ion cukup tinggi dan juga dapat memisahkan molekul molekul berdasarkan ukuran dan bentuk struktur kristal zeolit, (2). Penukar kation sebab kation dalam zeolit dapat ditukar dengan kation lain yang berasal dari luar kerangka dalam satu larutan. Kapasitas tukar ion kation bergantung pada ukuran ion, dan jenis zeolit sebab ion dalam pori kristal zeolit yang bergerak bebas. (3). Katalis karena di dalam pori terdapat volume kosong yang besar, perbandingan antara atom Si dan Al akan mempengaruhi sifat zeolit akan meningkatkan konsentrasi oksigen (Harahap. S, 2006). Jenis material zeolit yang digunakan adalah katalis heterogen yaitu katalis yang berbeda fasa dengan campuran reaksinya (katalis pada fasa berbeda, biasanya gas pada solid), umumnya fasanya padat sedangkan reaktan dan produkanya adalah phase cair atau gas. Penggunaan zeolit sebagai katalis mampu mengosidasi CO dalam fase gas terjadi pada suhu 250°C sampai dengan 300°C, sedangkan HC terjadi pada suhu 400°C sampai dengan 550°C (Martyn, 2009).
Katalis adalah zat yang dapat meningkatkan laju reaksi tanpa dirinya sendiri terlibat dalam reaksi secara permanen tanpa mempengaruhi kesetimbangan reaksi dan komposisi. Sedangkan katalisasi merupakan diperlukan untuk mempercepat reaksi dimana katalisator tersebut tidak turut dalam reaksi sebagai produk. Produk tersebut adalah hasil dari tabrakan antara molekul atau ion dari rekatan akibat energi yang dimilikinya pada suhu kamar energinya rendah. Tahapan-tahapan dalam reaksi katalitik yang terjadi pada skala molekuler adalah (Fogler, 1992) meliputi (1). Transfer massa reaktan dari bagian utama fluida ke permukaan luar yang kasar dari partikel katalis, (2). Difusi atau penyebaran molekul dan/atau aliran knudsen dari permukaan luar partikel ke struktur pori bagian dalam, (3). Penyerapan kimia dari sekurang-kurangnya satu reaktan pada permukaan katalis, (4). Reaksi pada permukaan, yang mana dapat meliputi beberapa tahap reaksi, (5). Desorpsi (secara kimia) spesies terabsorpsi dari permukaan katalis, (6). Transfer produk dari pori-pori katalis dibagian dalam ke permukaan luar yang kasar dari katalis oleh difusi molekul normal dan atau difusi knudsen dan (7). Transfer massa produk dari permukaan bagian luar partikel ke bagian terbesar dari lapisan batas fluida.
miskin dan suu pembakaran tinggi. Kondisi ini mengakibatkan oksigen yang terbentuk dalam CO2 akan melepaskan diri dan membentuk CO dan O2.
Polutan dalam padat salah satunya HC, senyawa yang terdiri dari unsur karbon (C) dan hidrogen, dimana memiliki rantai karbon dan atom atom hidrogen yang berkaitan dengan rantai tersebut yang timbul sebagai akibat proses pembakaran yang tidak sempurna. Selain akibat proses pembakaran yang tidak sempurna HC juga terbentuk akibat suhu penyalaan yang kurang tinggi atau akibat tertundanya waktu pembakaran, selain itu juga terjadinya over lapping valve, sehingga HC tidak dapat keluar ke saluran pembuangan. Penyebab lain yaitu terjadinya crevice volume, dimana kondisi ini terjadi akibat celah kecil antara piston ring dan piston atau antara ring piston dengan silinder, saat proses pembakaran terjadi api tidak dapat menjangkau lokasi tersebut, akibatnya terjadi perbedaan temperatur sehingga, ada sebagian bahan bakar yang tidak terbakar mengakibatkan timbul HC yang cukup besar. Oil on combustion chamber walls juga penyebab terjadinya HC, dimana terjadi saat kompressi berlangsung dan saat itu ada sebagian pelumas menyerap uap bahan bakar akibatnya oli masuk kedalam ruang bakar dan ikut terbakar saat piston melakukan gerak ekspansi, sehingga terbentuk deposit HC.
Pembakaran merupakan fenomena yang komplek, sebab pada proses pembakaran secara konvensional harus ada campuran bakan bakar yang homogen dari uap bahan bakar dan udara, adanya pemantik dan membentuk lapisan tipis api yang dapat menyebar keseluruh lokasi bahan bakar dengan laju tertentu. Selain itu pancaran api yang stabil serta dapat mengembang di ruang bakar. Pada proses pembakaran yang baik tentunya menghasilkan nilai lamda berkisar 1, sebab lamda didefinisikan sebagai perbandingan antara jumlah udara sesungguhnya terhadap teori stoichiometric. Reaksi pembakaran sempurna merupakan suatu reaksi bahan bakar dan udara dengan perbandingan 1:14,7, dengan reaksi kimianya (Syahrani A, 2006) yang terjadi:
2C8H18+25O2 → 16CO2+18H2O+energi
Reaksi pembakaran sebenarnya adalah reaksi pembakaran reaktan yang tidak sempurna antara bahan bakar bensin dan udara sehingga dihasilkan gas buang CO2, CO, O2, HC, H2O, N2, dan NOx (Yuniarto, 2014). Reaksi kimia pembakaran yang terjadi:
2C8H18+7,5(O2+3,76N2) → 2CO2+4CO+2O2+32HC+2H2O+13,60N2+2NO.
Peneliti sebelumnya tentang zeolit alam untuk katalis gas buang mesin kendaraaan diantaranya, (1). Yuniarto A.W. 2015. Menyimpulkan bahwa pada suhu 435°C dengan massa zeolit alam dapat mereduksi 27,35% CO dan 35,56% HC terhadap standar saat mesin berputar 3500rpm. (2). Muhaji. 2014. Menyimpulkan bahwa zeolit alam yang tercampur mangan sebagai katalis dalam bentuk pelet yang terpasang pada mesin empat langkah multi silinder. Saat suhu 598oC dan λ=1,025, dapat menurunkan HC rerata sebesar 58,46% HC dan CO naik 17,88% jika dibandingkan standar. (3). Hasibuan A.R. 2012 menyimpulkan zeolit alam dengan loading 20% dapat mereduksi NO2 sebesar 45 sampai 49% terhadap awal.
berlangsung 5500rpm sampai dengan stasioner yaitu 750rpm, (2). Mesin konvensional (menggunakan karburator), (3). Diameter bore 80mm (4). Stroke 85mm, (5). Perbandingan kompresi 8,5:1max horse power 140 HP/5200rpm dan (6). Max torque 21,6 kgm atau 156 lb.ft pada 3600rpm. Polutan yang terukur CO dan HC serta luas kontak permukaan 4816cm² dan 6020cm² (Anonim, 1980).
Tujuan penelitian untuk menentukan prosentase perubahan CO dan HC saat terpasang katalis zeolit dan besar perubahan emisi rata rata CO dan HC dengan variasi putaran mesin. Selain untuk menentukan besar perubahan daya dan konsumsi bahan bakar saat zeolit alam sudah teraktivasi dibandingkan terhadap standar
Variabel penelitian adalah suatu nilai objek kegiatan yang mempunyai variasi tertentu yang ditetapkan oleh peneliti untuk dipelajari dan ditarik kesimpulannya (Sugiyono, 2009). Penelitian ini menggunakan variabel tetap dan bebas, variabel tetap adalah terdiri dari putaran mesin yaitu 750, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500,5000 dan 5500rpm serta luas kontak permukaan katalis zeolit sebesar 75%, 90%, 100%, 125%, dan 140%. Sedang variabel bergantung adalah emisi CO dan HC untuk polutan, sedangkan untuk kinerja mesin adalah daya engine dan pemakaian bahan bakar
Karakteristik mesin bensin ditunjukkan oleh hasil kinerja mesin tersebut, sehingga diharapkan penggunaan mesin efisien. Pada pembahasan kinerja mesin yang dihahas adalah (1). Daya, di mana fungsi daya adalah untuk memperoleh kecepatan tinggi dengan waktu yang relatif singkat, sehingga daya merupakan hasil konversi energi kimia menjadi energi mekanik saat mesin bekerja. Untuk mengetahui besar daya yang dihasilkan menggunakan persamaan (Tirtoatmodjo. 2000).
Selain itu juga penggunaan bahan bakar spesifik (spesific fuel consumption) merupakan jumlah kilogram bahan bakar yang dibutuhkan mesin setiap jam untuk menghasilkan daya efektif sebesar 1 hp selama satu jam. Rumusan untuk konsumsi bahan bakar
dengan suasana asam melalui pencucian dan perendaman terlebih dulu, tujuan pencucian untuk menghilangkan kototan. Perendaman bertujuan untuk meningkatkan rasio Si terhadap Al, proses pengeringan merupakan proses selanjutnya, dengan tujuan menghilangkan kandungan air yang terdapat didalam zeolit. Proses fisika dengan menghaluskan ukuran butiran sampai 200 mesh. Tujuan untuk menghasilkan ukuran butiran yang halus, sebab akan memperbesar luas bidang kontak sehingga proses adsorbsi menjadi meningkat. Pengujian proses adsorbsi gas CO dan HC kinerja mesin dan gas buang mengacu pada constan speed, di mana putaran mesin mulai dari 5500rpm sampai dengan stasioner. Data pengujian yang didapat selanjutnya dihitung dengan persamaan selanjutnya disajikan dalam bentuk grafik.
Metoda pengujian kinerja mesin dilakukan dengan meletakkan serbuk zeolit dengan luas tertentu yang telah dipadatkan dalam knalpot dengan jarak 70cm terhadap exhaust manifold. Letak serbuk ini diharapkan tidak mengganggu aliran gas buang maupun kinerja mesin dalam masalah ini adalah daya, konsumsi bahan bakar saat mesin beroperasi dan besarnya lamda atau perbandingan udara terhadap baan bakar.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis berdasarkan gambar 1 dan gambar 2 tampak bahwa luas kontak yang besar tidak menghasilkan penurunan emisi yang besar juga. Kemunngkinan yang timbul saat kondisi ini adalah ukuran butiran yang kurang seragam, selain itu juga adanya pori dari katalis yang kurang terbuka. Kondisi lain adalah peletakan katalis di dalam muffler tidak tepat (terlalu jauh atau terlalu dekat), sebab letak yang terlalu dekat menyebabkan temperatur dalam proses adsorbsi masih tinggi. Selain itu jarak peletakkan yang dekat akan menyebabkan tekanan kerja dari gas buang masih tinggi, sebaliknya jika letak katalis tersebut terlalu jauh yang terjadi adalah sebaliknya. Dimensi katalis tentunya menyebabkan kemampuan zeolit dalam mengadsobsi gas CO dan partikulat HC juga berubah untuk setiap putaran. Jika dimensi kemasan zeolit tersebut berlapis maka tentunya serapnnya juga berkurang, sebab pada kondisi yang berlapis tentunya proses turbulensi dari aliran gas menjadi berkurang. Berdasarkan gambar 1 juga tampak bahwa distribusi pengujian ini dengan menggunakan tingkat kepercayaan 5% dapat diterima artinya zeolit ini dapat digunakan.
Penurunan emisi mesin kendaraan tersebut saat tidak menggunakan katalis menghasilkan emisi yang tinggi, sedangkan pada saat terpasang katallis dengan luas 4816cm2 menghasilkan penuruanan emisi terkecil sebesar 38,14% terhadap standar, sedang terbesar sebesar 47,35 saat 4500rpm terhadap standar. Jika dibandingkan untuk luasan 6020cm2 yang seharusnya mampu mengadsorsi lebih banyak jika dibandingkan dengan luas 4816cm2. Akan tetapi berdasarkan gambar 1 tampak bahwa prosentase penurunannya lebih kecil. Saat putaran stasioner terjadi penurunan sebesar 22,63%, sedang penurunan terbesar 30,12% terhadap standar. Ditinjau terhadap perubahan putaran secara keseluruhan perubahan CO untuk luas 4816cm2 maupun untuk luas 6020cm2 tidak terlalu signifikan. Prosesntase perubahan penurunan setiap kondisi putaran mesin ditunjukkan oleh tabel 1.
terbesar 62,91% terhadap standar saat 4000rpm dengan luas 6020cm2.sebesar 37,25% untuk luas 4816cm2 terjadi saat 5500rpm, besar prosesntase rerata perubahan HC untuk setiap putaran mesin ditunjukan oleh tabel 2. Berdasarkan gambar 1 dan 2 tersebut tampak bahwa terjadi penurunan CO dan HC untuk setiap putaran mesin, kondisi ini akibat dari terjadinya proses pembakaran, di mana pada kondisi awal terjadi proses pembakaran dengan kondisi bahan bakar yang gemuk, sehingga CO dan HC masi tetap besar.
Gambar 1. Produksi Polutan CO Gambar 2. Produksi Polutan HC
Kondisi ini sebagai akibat terjadinya proses penyeimbang antara bahan bakar yang diperlukan terhadap kebutuhan udara saat proses pembakaran berlangsung, akan tetapi tidak meningkatkan turbulensi aliran bahan didalam ruang bakar akibatnya gas buang yang dihasilkan juga masin tinggi.
Tabel 1 Tabel 2
Prosentase penurunan CO terhadap standar Prosentase penurunan HC terhadap standar
bahan bakar sudah homogen dan berbantuk kabut yang halus. Selain itu juga terjadi over lapping valve sehingga gas buang dapat mengalir tanpa hambatan.
Perbahan daya sebelum dan sesudah terpasang katalis ditunjukkan oleh gambar 3 di mana pada kondisi saat terpasang katalis maupun tidak terpasang menunjukkan kecenderungan yang sama. Saat putaran mesin rendah menghasilkan daya yang rendah pula. Kenaikan putaran berakibat pada naiknya daya sampai dengan putaran tertentu. Kenaikan akibat dari beberapa penyebab kendala suda teratasi, diantaranya terjadinya kenaikan suhu pembakaran menyebabkan bahan bakar sudah homogen dan partikel partikel bahan bakarnya sudah dalam bentuk kabut. Selain itu kenaikan suu tentukan akan menaikkan tekanan yang terjadi pada ruang bakar, sehingga proses pembakarannya menjadi lebih sempuna kondisi ini tentunya akan meningkatkan daya dari mesin. Setelah pada titik tertentu maka daya yang dihasilkan menjadi turun, sebab pada kondisi tersebut bahan bakar yang digunakan untuk proses pembakaran menjadi berkurang. Akibat kurangnya bahan bakar dan banyaknya udara maka mengakibatkan terjadi pembakaran yang tidak sempurna. Kondisi ini juga ada hubungannya dengan emisi CO dan HC. Pada kondisi ini menghasilkan emisi yang tinggi.
Gambar 3. Pengaruh daya Gambar 4. Pengaruh sfc
Besarnya perubahan daya untuk setiap kondisi putaran mesin ditunjukkan oleh tabel 3, dimana pada kondisi ini saat tanpa menggunakan katalis atau kondisi standar menghasilkan daya minimum sebesar 24,60hp, daya tertinggi sebesar 82,59hp pada 5000rpm. Saat terpasang katalis dengan luas 4816cm2 menghasilkan daya minimum 23,17hp untuk putaran stasioner dan maksimum 78,99hp untuk 5000rpm, artinya saat terpasang katalis ini terjadi penurunan daya minimum 2,92% terhadap standar saat 3500rpm dan penurunan daya terbesar 6,12% saat putaran stasioner. Untuk kondisi terpasang katalis dengan luas 6020 cm2 menghasilkan daya minimum 21,87hp untuk putaran stasioner dan maksimum 78,83hp untuk 5000rpm. Pada saat ini terjadi penurunan daya minimum sebesar 6,38%, dan maksimum 12,48% terhadap standar.
Kenaikan konsumsi bahan bakar terbesar terjadi sebesar 12,21% pada 4500rpm dan terkecil 7,29% terhadap standar untuk luas 4816cm2.
Tabel 3 Tabel 4
Prosentase perubahan daya Prosentase perubahan waktu bahan bakar
Tabel 5
Prosentase perubahan konsumsi
Gambar 5. Pengaruh sfc
SIMPULAN
Besar perubahan terbesar CO sebesar 47% dan 56,72% untuk HC pada antara 4500rpm sampai dengan 5500rpm untuk luas 4816 cm2. Sedang untuk luas 6020cm2 terjadi penurunan sebesar 30,12% untuk CO dan 29,62% untuk HC terhadap standar. Perubahan daya terbesar setelah terpasang katalis ternyata turun sebesar 6,12% untuk luas 4816 cm2 dan 12,48% untuk luas 6020cm2 terhadap standar. Besar konsumsi bahan bakar naik saat terpasang katalis sebesar 11,21% untuk luas 4816 cm2 dan 20,96% untuk luas 6020cm2 terhadap standar
Saran, perlu dicoba metoda pengujian kinerja mesin dengan standar yang lain, pengukuran temperatur kerja gas sebelum dan sesudah melewati katalis. Perlu perhitungan tekanan efektif reratanya dan efisiensi saat terpasang katalis
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, (1980). Engine toyota type 4M, P.T Toyota Astra, Pedoman Reparasi Mesin Crown type 2M dan 4M,: Jakarta)
Arrend.BPM, 1996, Motor Bensin , Erlangga Jakarta, 22
Fogler S. H., 1992. Elements of Chemical Reaction Engineering, 2nd edition, Prentice-Hall International, Inc.USA, 126
Harahap S. 2006. Kajian Bahan Galian Zeolit Untuk Dimanfaatkan Sebagai Bahan Baku Pupuk , Badan Penelitian dan Pengembangan Propinsi Sumatra Utara, Medan, 22-26
Hasibuan A.R, 2012, menyimpulkan zeolit alam dengan loading 20% dapat mereduksi NO2 sebesar 45 sampai 49% terhadap awal.
Ma’ruf Anwar (2012). Penggunaan Zeolit Alam Sebagai Adsorben pada Pembuatan Bioetanol, Seminar Nasional Lingkungan Hidup. Program Studi Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Purwokerto.
Muhaji, 2014, Penerapan Knalpot Ramah Lingkungan pada Kendaraan Ringan Multi Silinder,Prosiding Konvensi Nasional Asosiasi Pendidikan Teknologi dan Kejuruan (APTEKINDO) ke 7 FPTK, 703-714
Murti H, 2007, Keracunan karbon monoksida, Sentra Informasi Keracunan Nasional Badan POM, 1.
Suci N.S, 2012, Penggunaan Tumbuhan Sebagai Pereduksi Pencemaran Udara, Tugas Akhir. Jurusan Teknik Lingkungan FTSP Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2.
Sugiyono, 2009, Statistik untuk Penelitian, C.V Alfabeta Bandung
Syahrani A, 2006, Analisa Kinerja Mesin Bensin Berdasarkan asil Uji Emisi, Jurnal SMARTek, Vol 4 No 4, Nopember 2006, 260-266
Tirtoatmojo R dan Setiawan J, 2000, Peningkatan Unjuk Kerja Motor Bensin 4 Langkah dengan Penggunaan Busi Splitfire SF 392D dan Kabel Busi Hurricane, Jurnal Teknik mesin Vol II, No 2, Oktober 2000:114 - 120
