UJI KUALITAS FISIK DAN UJI KINETIKA REAKSI
BRIKET KAYU KALIMANTAN MERBAU DENGAN
PENAMBAHAN JERAMI PADI
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh:
. NUZUL WAHYUDI . NIM : I 0405007
JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
PERSEMBAHAN
Karya ini dipersembahkan untuk:
Ayahanda, Dwijo Haryono
yang tak pernah bosan mengajak putra-putrinya untuk berdiskusi dan berdialog
Ibunda, Suharni
yang senantiasa mengajarkan mengenai keadilan dan kepedulian terhadap sesama
Nenek Ngadiyem
yang selalu bersemangat dalam hidupnya
Adik-adik penulis, Ayik Rusdiana dan Syamsiyatu Rohmah
yang telah memberi banyak inspirasi
Bapak Suyitno dan Bapak Tri Istanto
yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam pengerjaan tugas akhir ini
M O T T O
“Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada
k e m u d a h a n . S e s u n g g u h n y a s e s u d a h k e s u l i t a n i t u a d a
kemudahan”
( A l - I n s y i r a h : 5 - 6 )
“Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu
u r u s a n ) , k e r j a k a n l a h d e n g a n s u n g g u h - s u n g g u h u r u s a n
Tests on Physical Quality and Reaction Kinetic of Borneo-Merbau Wood Briquette with Additional of Rice Straw
Nuzul Wahyudi
Department of Mechanical Engineering, Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia
email : sync_azul@yahoo.co.id Abstract
This research was conducted to investigate the effect of rice straw addition on the physical properties of Borneo-merbau wood briquette. The briquettes which made from Borneo-merbau wood and rice straw were mixed with two
variations of composition (weight percentage), i.e. 80% of Kalimantan-merbau wood added with 20% of rice straw and 60% of Kalimantan-merbau wood added with 40% of rice straw. Briquetting process was done by four briquetting pressure, that were 400 kg/cm2, 600 kg/cm2, 800 kg/cm2, and 1000 kg/cm2. Physical properties investigated from each composition of the briquettes were initial density, relaxation density, relaxation, durability, axial compressive strength, and water resistance. The experimental result showed that the addition of rice straw could increase the axial compressive strength of Borneo-Merbau wood briquettes. The results in physical properties were used to determine the briquetting pressure that could produce optimum briquette for each
composition. From the result showed that optimum briquettes were obtained on briquetting pressure of 800 kg/cm2 for each composition. The reaction kinetics testing was done on the optimum briquettes with two-different air velocities which entering the reactor, that were 0.05 m/s and 2 m/s and at reactor
temperature of 4000C. Combustion profile of each briquettes composition was obtained from reaction kinetic testing. Activation energy and pre-exponential factor of the briquettes could also be obtained from the testing Activation energy values of 80% Borneo-Merbau wood with 20% rice straw briquette were 11.93 kJ/mol and 15.29 kJ/mol, for 2 m/s and 0.05 m/s air velocity, respectively. Activation energy of 60% Borneo-Merbau wood with 40% rice straw briquette was 10.00 kJ/mol and 13.96 kJ/mol.
Uji Kualitas Fisik dan Kinetika Reaksi Briket Kayu Kalimantan Merbau dengan Penambahan Jerami Padi
Nuzul Wahyudi
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia
email : sync_azul@yahoo.co.id Abstrak
Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan jerami padi pada sifat fisik briket kayu Kalimantan merbau. Briket campuran kayu kalimantan merbau dan jerami padi dibuat dengan dua variasi komposisi (persentase berat), yaitu 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi dan 60% kayu kalimantan merbau ditambah 40% jerami padi. Proses pembriketan dilakukan dengan 4 variasi tekanan pembriketan, yaitu
400 kg/cm2, 600 kg/cm2, 800 kg/cm2, dan 1000 kg/cm2. Sifat fisik yang diuji dari masing-masing komposisi briket adalah densitas awal dan densitas relaksasi, relaksasi, ketahanan, kuat tekan aksial, serta ketahanan terhadap air. Hasil pengujian sifat fisik menunjukkan bahwa penambahan jerami padi mampu meningkatkan nilai kuat tekan aksial briket kayu kalimantan merbau. Hasil pengujian sifat-sifat fisik digunakan untuk menentukan tekanan
pembriketan yang menghasilkan briket optimum untuk masing-masing komposisi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa briket optimum diperoleh pada tekanan pembriketan 800 kg/cm2 untuk masing-masing komposisi. Uji kinetika reaksi dilakukan terhadap briket-briket optimum dengan 2 variasi kecepatan udara memasuki reaktor yaitu 0,05 m/s dan 2 m/s, pada temperatur reaktor 400oC. Profil pembakaran dari masing-masing komposisi briket telah diperoleh melalui pengujian kinetika reaksi. Dari uji tersebut, diperoleh pula nilai energi aktivasi dan faktor pre-eksponensial briket campuran.Nilai energi aktivasi untuk briket 80% kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% jerami padi adalah 11,93 kJ/mol untuk variasi kecepatan udara 2 m/s dan 15,29 kJ/mol untuk kecepatan udara 0,05 m/s. Sedangkan untuk briket 60% kayu Kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi adalah 10,00 kJ/mol dan 13,96 kJ/mol.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi
dengan judul ―Uji Kualitas Fisik dan Uji Kinetika Reaksi Briket Kayu Kalimantan
Merbau dengan Penambahan Jerami Padi‖. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung maupun tidak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak Suyitno, S.T., M.T., Dr.Tech. selaku pembimbing pertama atas bimbingannya hingga penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini.
2. Bapak Tri Istanto, S.T., M.T., selaku pembimbing kedua yang telah turut serta memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
3. Bapak Dody Ariawan, S.T., M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta.
4. Bapak Syamsul Hadi, S.T., M.T., selaku pembimbing akademis yang telah berperan sebagai orang tua selama penulis melaksanakan studi di Universitas Sebelas Maret.
5. Seluruh pengajar, staf administrasi, dan laboran di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S1. 6. Ayah, Bunda, Nenek dan adik-adik penulis yang telah memberikan
dorongan dan dukungan kepada penulis dalam menempuh pendidikan di Universitas Sebelas Maret.
8. Teman-teman di Laboratorium Konversi Energi (Gama, Yusno, Topan, Indri, Dwi S., Ahmad, Tinneke, Teddy, Fendi, Thoha, dan Efril) yang telah menemani dalam pembuatan alat dan pengambilan data. Terima kasih yang tak terkira atas bantuan kalian semua.
9. Semua rekan di jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan bantuan dan semangat kepada penulis.
10. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu pelaksanaan dan penyusunan skripsi ini.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan Skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka penulis mengharap kritik dan saran dari berbagai pihak untuk kesempurnaan skripsi ini. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua.
Surakarta, 26 Mei 2010
DAFTAR ISI
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka ... 8
2.2.6. Thermogravimetric Analysis (TGA) ... 16
2.2.7. Kinetika Pembakaran ... 17
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian ... 20
4.1.5. Sifat Ketahanan Briket Biomassa Terhadap Air ... 48
4.1.6. Pemilihan Briket Optimum ... 51
4.2. Sifat Kinetika Pembakaran ... 53
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan ... 60
5.2. Saran ... 61
Daftar Pustaka ... 62
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1.1. Sifat-sifat fisik briket kayu Kalimantan merbau dan jerami
padi dengan pengikat tetes tebu 10% wb ... 3
Tabel 2.1. Sifat kimia bahan bakar ... 11
Tabel 2.2. Ultimate analisys jerami padi ... 11
Tabel 2.3. Proximate Analysis dan Ultimate Analysis kayu ... 12
Tabel 2.4. Faktor dan level pemilihan optimum ... 14
Tabel 4.1. Data massa jenis awal dan setelah mengalami relaksasi selama 1 minggu dari briket kayu Kalimantan merbau ... 33
Tabel 4.2. Data massa jenis awal dan setelah mengalami relaksasi
Tabel 4.4. Massa jenis penyusun briket biomasa ... 35
Tabel 4.5. Konstanta-konstanta fungsi (D = a ln P + b) ... 38
Tabel 4.6. Penambahan air untuk pengkondisian kadar air awal ... 41
Tabel 4.7. Pengurangan massa briket 80% kayu kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi setelah satu minggu... 42
Tabel 4.8. Pengurangan massa briket 60% kayu kalimantan merbau ditambah 40% jerami padi setelah satu minggu... 42
Tabel 4.9. Contoh hasil uji ketahanan (durability) briket kayu kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi pada variasi tekanan 1000 kg/cm2... 43
Tabel 4.10. Durability Rating briket biomasa ... 44
Tabel 4.11. Data sifat kuat tekan aksial briket kayu Kalimantan merbau... 46
Tabel 4.12. Hubungan kuat tekan briket dan kandungan selulosa ... 48
Tabel 4.13. Indeks ketahanan air (water resistance index) briket biomasa ... 49
Tabel 4.14. Faktor dan level pemilihan optimum ... 51
Tabel 4.15. Nilai β briket 80% kayu kalimantan merbau + 20% jerami
Tabel 4.19. Peak Temperature untuk masing-masing spesimen briket biomassa ... 56
Tabel 4.20. Nilai energi aktivasi dan faktor pre-eksponensial briket 80% kayu kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi. ... 59
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Profil pembakaran batubara bituminus ... 16
Gambar 2.2. Grafik ln penurunan fraksi massa terhadap kenaikan
Gambar 3.11. Alat uji Tekan Universal Testing Machine ... 24
Gambar 3.12. Skema Alat TGA berpemanas listrik ... 24
Gambar 4.1. Briket 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi setelah mengalami relaksasi selama satu minggu ... 34
Gambar 4.2. Briket kayu kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi setelah mengalami relaksasi selama satu minggu ... 35
Gambar 4.3. Hubungan antara tekanan pembriketan dengan prosentase penurunan massa jenis briket setelah satu minggu. ... 35
Gambar 4.4. Relaksasi volume berbagai briket untuk berbagai tekanan. ... 37
Gambar 4.5. Hubungan antara relaxed density (D) dengan tekanan pembriketan (P). ... 38
Gambar 4.6. Pertambahan panjang briket pada tiap variasi tekanan briket 80% kayu kalimantan merbau dan 20% jerami padi... 39
Gambar 4.7. Pertambahan volume briket pada tiap variasi tekanan briket 80% kayu kalimantan merbau dan 20% jerami padi... 39
Gambar 4.8. Pertambahan panjang pada tiap variasi tekanan untuk briket 60% kayu kalimantan merbau dan 40% jerami padi... 40
Gambar 4.9. Pertambahan volume pada tiap variasi tekanan untuk briket 60% kayu kalimantan merbau dan 40% jerami padi... 40
Gambar 4.10. Hubungan durability rating dengan tekanan pembriketan ... 44
Gambar 4.11. Nilai kuat tekan aksial briket biomasa ... 47
Gambar 4.12. Nilai ketahanan terhadap air (WRI) briket biomasa ... 49
Gambar 4.13. Briket biomasa yang tersisa dan masih berwujud briket... 50
Gambar 4.14. Hubungan antara fraksi massa dan laju perubahan fraksi massa terhadap temperatur pada pembakaran briket 80% kayu kalimantan merbau yang ditambah 20% jerami padi pada kecepatan udara 0,05 m/s ... 54
Gambar 4.16. Hubungan antara fraksi massa dan laju perubahan fraksi massa terhadap temperatur pada pembakaran briket 60% kayu kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi
pada kecepatan udara 0,05 m/s ... 55 Gambar 4.17. Hubungan antara fraksi massa dan laju perubahan fraksi
massa terhadap temperatur pada pembakaran briket 60% kayu kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi
pada kecepatan udara 2 m/s ... 55 Gambar 4.18. Hubungan antara logaritma natural fungsi perubahan fraksi
massa terhadap (1/temperatur briket) pada pembakaran briket 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami
padi dengan kecepatan udara 0,05 m/s ... 57 Gambar 4.18. Hubungan antara logaritma natural fungsi perubahan fraksi
massa terhadap (1/temperatur briket) pada pembakaran briket 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami
padi dengan kecepatan udara 2 m/s ... 57 Gambar 4.19. Hubungan antara logaritma natural fungsi perubahan fraksi
massa terhadap (1/temperatur briket) pada pembakaran briket 60% kayu Kalimantan merbau ditambah 40% jerami
padi dengan kecepatan udara 0,05 m/s ... 58 Gambar 4.20. Hubungan antara logaritma natural fungsi perubahan fraksi
massa terhadap (1/temperatur briket) pada pembakaran briket 60% kayu Kalimantan merbau ditambah 40% jerami
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data uji relaksasi Lampiran 2. Data hasil uji densitas Lampiran 3. Data hasil uji durability
BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Pertumbuhan ekonomi dan pertambahan penduduk yang terus meningkat di Indonesia menyebabkan pertambahan konsumsi energi di segala sektor kehidupan seperti transportasi, listrik, dan industri.Diperkirakan kebutuhan energi nasional akan meningkat dari 674 juta SBM (setara barel minyak) tahun 2002 menjadi 1680 juta SBM pada tahun 2020, meningkat sekitar 2,5 kali lipat atau naik dengan laju pertumbuhan rerata tahunan sebesar 5,2% (KNRT, 2006). Sedangkan cadangan energi nasional semakin menipis apabila tidak ditemukan cadangan energi baru. Sehingga perlu dilakukan berbagai terobosan untuk mencegah terjadinya krisis energi.
Dalam Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2006 Tentang Kebijakan Energi Nasional dirumuskan bahwa perlu adanya peningkatan pemanfaatan sumber energi baru dan sumber energi terbarukan. Sasaran Kebijakan Energi Nasional adalah tercapainya elastisitas energi lebih kecil dari 1 pada tahun 2025 dan terwujudnya energy mix yang optimal meliputi penggunaan minyak bumi menjadi kurang dari 20% termasuk di dalamnya adalah energi baru dan terbarukan (termasuk biomasa) menjadi lebih dari 5%. Dimana elastisitas energi adalah pertumbuhan kebutuhan energi yang diperlukan untuk mencapai tingkat pertumbuhan ekonomi tertentu. Dalam Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral yang dimaksud energi biomasa meliputi kayu, limbah pertanian/perkebunan/ hutan, komponen organik dari industri dan rumah tangga.
pada lingkungan yaitu pencemaran. Dan juga produksi kayu gergajian (Sawntimber) di Indonesia sangat melimpah yaitu mencapai 1,4 juta m3/tahun (Direktorat Jenderal Bina Produksi tahun 2005). Sedangkan pemilihan material jerami padi pada penelitian ini didasari karena di Indonesia sendiri merupakan negara agraris yang mayoritas hasil pertaniannya berupa padi.
Moiorella (1985) menyebutkan bahwa setiap kg panen dapat menghasilkan antara 1 – 1,5 kg jerami padi. Data dari BPS menyebutkan bahwa produksi beras nasional pada tahun 2006 kurang lebih sebanyak 54,7 juta ton dari 11,9 juta ha sawah. Berdasarkan data dari Moiorella maka jumlah jerami padi diperkirakan mencapai 54,7 sampai 82,05 juta ton, ini merupakan jumlah yang sangat besar. Jerami padi yang merupakan batang dari padi itu sendiri banyak yang tidak dimanfaatkan hingga menjadi sampah, ataupun jika dimanfaatkan hanya sebatas dibakar langsung di ladang atau dijadikan sebagai makanan ternak. Pemanfaatan jerami padi sebagai makanan ternak hanya dilakukan sebagian kecil dan sebagian besar jerami padi langsung dibakar di ladang. Dari beberapa literatur 70-80% jerami padi dibakar langsung oleh petani. Dilihat dari sisi potensi energi, biomasa memiliki kandungan energi sekitar 14MJ/kg, hal ini berarti potensi energi biomasa di Indonesia sebesar 774,2 GJ/tahun.
Tabel 1.1 Sifat-sifat fisik briket jerami padi dan kayu Kalimantan merbau dengan pengikat tetes tebu 10% wb (Syafiq, 2009 dan Riyanto, 2009)
Tekanan Kuat tekan aksial
(kgf/cm2) Durability rating (%)
Water resistance rating (%)
pembriketan Jerami Kayu Kaliman- Jerami Kayu Kaliman- Jerami Kayu Kaliman- (kg/cm2) padi tan merbau Padi tan merbau Padi tan merbau
200
> 99,9
0,68 0 1,96 * *
400 5,79 12,28 76,10 * *
600 25,19 47,18 94,75 * 24
800 40,74 55,57 95,17 * 46
1000 49,27 61,78 95,43 * 53
keterangan : * sampel tidak berbentuk briket lagi (hancur)
Biomasa umumnya mengandung sejumlah air (moisture), memiliki densitas yang rendah dan berserat. Moisture dalam bahan bakar padat terdapat dalam dua bentuk, yaitu sebagai air bebas (freewater) yang mengisi rongga pori-pori di dalam bahan bakar dan sebagai air terikat (bound water) yang terserap di permukaan ruang dalam struktur bahan bakar (Borman dan Ragland, 1998). Biomasa pada umumnya mempunyai densitas yang cukup rendah, sehingga akan mengalami kesulitan dalam penanganannya. Densifikasi biomasa menjadi briket bertujuan untuk meningkatkan densitas dan menurunkan persoalan penanganan seperti penyimpanan dan pengangkutan. Densifikasi menjadi sangat penting dikembangkan di negara-negara berkembang sebagai salah satu cara untuk peningkatan kualitas biomasa sebagai sumber energi.
Secara umum densifikasi biomasa mempunyai beberapa keuntungan (Bhattacharya dkk, 1996) :
Menaikkan nilai kalori per satuan volume.
Mudah disimpan dan diangkut.
Mempunyai ukuran dan kualitas yang seragam.
Parameter - parameter yang menentukan dalam pembuatan briket biomasa antara lain adalah tekanan pembriketan, waktu penahanan (holding time), ukuran partikel serbuk, jenis bahan pengikat, temperatur pembriketan, dan kandungan air (moisture content) (Tamami, 2005).
yang baik harus memiliki kuat tekan aksial > 60 kg/cm2. Belum ada ketentuan tentang standar untuk sifat fisik lainnya yang berpengaruh dalam proses penyimpanan dan pengangkutan seperti ketahanan (durability) dan ketahanan terhadap air (water resistance). Serta belum adanya ketentuan tentang standar kinetika reaksi dari briket biomasa sehingga mendorong adanya penelitian ini.
Dalam penelitian ini akan meneliti kualitas fisik briket campuran serbuk gergajian kayu Kalimantan dan jerami padi dan kinetika reaksi dengan variasi tekanan pembriketan dan variasi komposisi serbuk gergajian kayu Kalimantan dan jerami padi sehingga pada akhirnya diperoleh briket yang optimum secara fisik dan kinetika pembakarannya.
1.2Perumusan Masalah
1. Bagaimana pengaruh penambahan jerami padi terhadap sifat-sifat fisik briket serbuk gergajian kayu Kalimantan merbau.
2. Bagaimana pengaruh variasi tekanan pembriketan terhadap sifat fisik yang optimum pada briket campuran serbuk gergajian kayu Kalimantan dan jerami padi.
3. Bagaimana kinetika reaksi yang terjadi pada briket yang optimumtersebut.
1.3Batasan Masalah
Dalam penelitian ini permasalahan dibatasi pada:
1. Bahan briket biomasa yang diuji adalah limbah gergajian kayu Kalimantan jenis merbau (Intsia Palembanica) dan limbah pertanian jerami padi dengan ukuran partikel masing-masing bahan adalah 50 mesh.
2. Mesin pembriketan adalah tipe piston die pressure yang digerakkan secara manual.
3. Cetakan briket (die) berbentuk silinder dengan diameter dalam 50 mm dan poros penekan berdiameter 49,5 mm.
4. Briket biomasa berbentuk silinder dengan diameter 50 mm dan tinggi 50 mm (standar SNI).
6. Jenis bahan pengikat (binder) yang digunakan adalah tetes tebu (molasses) dengan komposisi sekitar 10% berat briket.
7. Kadar air (moisture content) serbuk gergajian kayu Kalimantan adalah sekitar 15% berat serbuk gergajiandan kadar air (moisture content) jerami padi adalah sekitar 20% berat jerami padi tersebut.
8. Pembriketan yang dilakukan dengan komposisi sebagai berikut :
1. Serbuk gergajian kayu Kalimantan sebesar 80% dari berat campuran bahan bakar dan serbuk jerami padi sebesar 20% dari berat campuran bahan bakar.
2. Serbuk gergajian kayu Kalimantan sebesar 60% dari berat campuran bahan bakar dan serbuk jerami padi sebesar 40% dari berat campuran bahan bakar.
9. Pembriketan dilakukan dengan variasi tekanan pembriketan : 400 kg/cm², 600 kg/cm², 800 kg/cm², dan 1000 kg/cm² untuk masing-masing komposisi.
10. Sifat fisik yang diteliti :
a. Densitas relaksasi (relaxation density) pada interval waktu 1 menit, 10 menit, 30 menit, 1 jam, 2 jam, 1 hari, dan 1 minggu.
b. Densitas awal (initial density) dan densitas setelah mengalami relaksasi selama 1 minggu (relaxed density) dengan menggunakan standar pengujian ASAE 269.2 Dec 96.
c. Kuat tekan aksial (axial compressive strength).
d. Ketahanan briket (durability) dengan menggunakan standarpengujian ASAE 269.4 Dec 96.
e. Ketahanan terhadap air (water resistance).
11. Penyimpanan briket di dalam toples dengan temperatur dan kelembaban lingkungan kamar.
12. Mesin pengujian kinetika reaksi dengan menggunakan TGA (Thermogravimetric Analyzer) berpemanas listrik 1.000 Watt.
14. Pengujian sifat kinetika reaksi dilakukan pada briket optimum dari pengujian sifat fisik.
1.4Tujuan dan Manfaat
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Memperbaiki sifat-sifat fisik briket serbuk gergajian kayu Kalimantan merbau khususnya nilai kuat tekan dengan menambahkan jerami padi. 2. Memperoleh data-data yang menunjukkan karakteristik briket serbuk
gergajian kayu Kalimantan merbau yang dicampur 20% dan 40% serbuk jerami padi.
3. Menyelidiki pengaruh tekanan densifikasi pada sifat fisik briket serbuk gergajian kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% dan 40% jerami padi.
4. Menyelidiki kinetika reaksi briket serbuk gergajian kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% dan 40% serbuk jerami padi.
Hasil penelitian ini diharapkan mampu memberi manfaat sebagai berikut: 1. Meningkatkan nilai ekonomis dari limbah serbuk gergajian kayu
Kalimantan merbau dan pertanian jerami padi dengan mengubahnya menjadi produk yang lebih berguna.
2. Memperoleh komposisi briket campuran kayu Kalimantan merbau dan jerami padi dengan spesifikasi sifat fisik yang optimum.
3. Memberi alternatif bahan bakar biomasa dengan biaya produksi yang murah dan sifat fisik yang optimum.
1.5Sistematika Penyusunan Laporan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat penelitian, serta sistematika penulisan.
pengikat (binder), teori tentang biomasa, briket, serta teori tentang kinetika reaksi.
BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, langkah-langkah percobaan dan pengambilan data.
BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, perhitungan data hasil pengujian serta analisa hasil dari perhitungan.
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
Ricards (1989) telah melakukan penelitian untuk mengetahui indek ketahanan briket terhadap air dengan cara merendam briket ke dalam air selama 30 menit kemudian massa briket ditimbang. Nilai indek ketahanan air (Water Resistant Indeks (WRI)) diperoleh dengan cara:
WRI 100%%penyerapan air (2.1) Wamukonya dan Jenkins (1994) melakukan penelitian pada briket biomasa campuran gergajian kayu dan batang gandum. Pada penelitian ini divariasikan campuran antara gergajian kayu dan batang gandum yaitu 1:1 dan 3:1 untuk mendapatkan briket dengan ketahanan terbaik. Hasil penelitian menyatakan pertambahan panjang lebih tinggi terjadi pada campuran 1:1 sedangkan pada pengujian ketahanan didapatkan index ketahanan campuran 1:1 sebesar 51,5 sedangkan harga index ketahanan campuran 3:1 sebesar 67,6. Kandungan air material mentah optimum untuk menghasilkan briket terbaik terletak antara 12-20% basis basah(w.b.).
Li Yadong dan Liu Henry (2000) mengadakan penelitian tentang pembriketan (densifikasi) dari kayu sisa pengerjaan dan sampah biomasa yang lain dengan menggunakan sedikit binder dalam bentuk serbuk gergajian, jerami kering dan kepingan. Proses densifikasi dilakukan dengan menggunakan metode
―punch and die‖ dalam temperatur ruang dan tekanan yang digunakan antara 34 –
138 MPa. Didapat sifat- sifat meliputi densitas, tekanan abrasi, kekuatan impak, kuat tekan, ketahanan terhadap air, dan kualitasnya dalam jangka panjang. Pengujian dilakukan dengan memvariasikan kandungan air, tekanan pembriketan, kecepatan penekanan, lama penahanan tekanan, ukuran partikel, dan bentuk partikel. Percobaan ini menemukan bahwa kebutuhan kandungan air untuk pembriketan yang bagus adalah 5% - 12% untuk semua jenis material kayu yang telah diketahui kandungan air yang terbaik adalah 8%. Dan juga ditemukan bahwa bentuk seperti jerami kering merupakan yang paling memadat dan kuat, sedang bentuk serbuk gergaji kurang baik, dan untuk bentuk kepingan yang paling jelek. Untuk bentuk jerami kering memerlukan tekanan pembriketan sampai 70 MPa agar dapat menghasilkan kualitas yang bagus, untuk bentuk serbuk gergajian memerlukan tekanan 100 MPa. Tetapi untuk bentuk kepingan walau ditekan hingga 138 MPa masih belum didapatkan briket yang baik. Briket yang dibentuk dalam kondisi yang bagus mempunyai densitas 1 g/cm3 atau lebih. Densitas yang tinggi sangat baik untuk penyimpanan, perlakuan, dan pemindahan. Briket yang baik juga mempunyai kandungan energi yang tinggi per satuan volume, sehingga briket ini lebih mudah dibakar dari pada batubara dalam pembangkit energi.
bahan bakar, dan oksigen juga menjadi faktor penentu pada reaksi. Nilai energi aktivasi yang diperoleh dari masing-masing sampel batubara (Blair Athol, Merit Pila, Tanito Harum) adalah 5,2 kJ/mol, 6,6 kJ/mol, dan 7,3 kJ/mol.
Suyitno, dkk (2005) telah melakukan penelitian tentang pengaruh ukuran partikel terhadap karakteristik pembakaran biomasa yang berasal dari jerami dan serbuk gergajian kayu glugu. Dimana sampel dijadikan serbuk dengan variasi ukuran partikelnya adalah 20, 40, dan 80 mesh, kemudian dibriket berbentuk silinder berdiameter 3 cm. Briket dihasilkan dengan tekanan 500 kg/cm2. Dari penelitian didapatkan laju pembakaran dan profil pembakarannya. Setelah diuji diketahui bahwa untuk ukuran partikel yang besar mempunyai laju pembakaran yang tinggi sehingga bahan bakar cepat habis. Tetapi dengan ukuran partikel besar, temperatur puncak (peak temperature), ITVM, dan waktu tinggalnya rendah.
Tri Istanto, dkk (2005) meneliti pengaruh ukuran partikel, kadar air awal dan temperatur pembriketan terhadap sifat fisik briket biomasa. Penelitian dilakukan dengan menggunakan biomasa berasal dari jerami padi, limbah gergajian glugu, limbah gergajian kayu jati dan serbuk batu bara. Sampel dibuat serbuk dengan variasi ukuran 20 mesh (0,85 mm), 40 mesh (0,42 mm), dan 80 mesh (0,18 mm) dan variasi kadar air awal ( 10%, 15%, 20% dan 25%) dan variasi temperatur pembriketan (60ºC, 80ºC, 100ºC dan 120ºC) serta dengan pengikat kanji 5%. Dari penelitian diperoleh hasil bahwa untuk semua briket biomasa semakin kecil ukuran partikel mengakibatkan densitas meningkat tetapi kuat tekan aksial menurun. Semakin besar kadar air awal menyebabkan penurunan densitas dan kuat tekan aksial.
tertinggi diperoleh pada campuran 40% ampas tebu ditambah 60% jerami padi. Densitas briket campuran yang dihasilkan berkisar antara 185-223 kg/m3.
2.2. Dasar Teori 2.2.1. Biomasa
Biomasa merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan semua jenis material organik yang dihasilkan dari proses fotosintesis (Anonim, 2004). Biomasa dapat diklasifikasikan menjadi dua golongan yaitu biomasa kayu dan biomasa bukan kayu (Borman, 1998). Biomasa kayu dapat dibagi lagi menjadi kayu keras dan kayu lunak. Biomasa non-kayu yang dapat digunakan sebagai bahan bakar meliputi limbah hasil pertanian seperti limbah pengolahan industri gula pasir (bagasse), sekam padi, rerantingan (stalks), jerami, biji-bijian, termasuk pula kotoran hewan dapat juga digunakan sebagai bahan bakar. Bahan bakar kayu meliputi gelondongan kayu (cord wood), ranting pohon, tatal kayu, kayu sejenis cemara (bark), gergajian kayu, sisa hasil hutan, arang kayu, limbah ampas (ampas tebu), dan lain-lain (Vanaparti, 2004)
Tabel 2.1 Sifat kimia bahan bakar (Tri Istanto, dkk.2006) Bahan
Tabel 2.2 Ultimate analysis jerami padi (Gani, 2006)
Tabel 2.3 Proximate Analysis dan Ultimate Analysis kayu
Proximate analysis (wt%) Sawdust Urban wood waste
Fixed carbon Sumber : D.A. Tillman (2000)
2.2.2. Pemadatan (Densification)
Salah satu cara yang dikembangkan untuk meningkatkan sifat fisis dan pembakaran biomasa adalah pemadatan untuk menghasilkan biobriket. Pemadatan merupakan salah satu langkah dalam rangkaian proses penanganan limbah yang meliputi pengumpulan, penyimpanan, dan pengangkutan, juga termasuk penyortiran, penggilingan dan pengeringan. Prinsip pemadatan yaitu pemberian tekanan pada suatu material untuk menghilangkan kekosongan (void) inter dan antar partikel.
mungkin akan mengalami keretakan di bawah tekanan tersebut, mengawali terjadinya penyatuan. Pada tekanan yang lebih tinggi, pori-pori akan terisi oleh partikel hingga densitas massa hasil kompaksi akan mendekati densitas massa asli atau massa padat (true density) komponen-komponen penyusunnya (S. Mani, dkk ; 2004).
Teknik pemadatan yang biasa digunakan adalah balling, briquetting, dan
pelleting. Dalam penelitian ini proses pemadatan biomasa yang digunakan adalah proses pembriketan (briquetting). Proses pembuatan biobriket yang utama meliputi pemilihan material biomasa, penggilingan, dan pembriketan
Pada dasarnya semua jenis limbah biomasa dapat dipadatkan, berdasarkan tekanan kompaksi proses pembriketan dapat dibagi menjadi tiga (Sumaryono, 1995) yaitu:
1. Kompaksi tekanan rendah (300-1000 kg/cm²) 2. Kompaksi tekanan sedang (1000-2500 kg/cm²) 3. Kompaksi tekanan tinggi (≥ 2500 kg/cm²)
Dalam kompaksi dengan tekanan tinggi dan sedang, biasanya tidak diperlukan bahan pengikat. Proses kompaksi dengan tekanan tinggi dan sedang biasanya menggunakan teknologi screw press dan piston press.
2.2.3. Bahan Pengikat (Binder)
Pembriketan pada tekanan rendah membutuhkan bahan pengikat untuk membantu pembentukan ikatan di antara partikel biomasa. Penambahan pengikat dapat meningkatkan kekuatan briket. Ada beberapa macam bahan pengikat yang digunakan dalam pembriketan yaitu pengikat organik (tetes tebu, coal tar,
bitumen, kanji, resin) dan pengikat anorganik (tanah liat, semen, lime, sulphite liquior). Menurut Hinkle dan Rosenthal, ada beberapa kriteria yang harus diperhatikan dalam memilih binder yang akan digunakan sebagai pengikat, antara lain :
1. Kesesuaian antara pengikatdengan bahan yang akan diikat. 2. Kemampuan pengikatuntuk dapat meningkatkan sifat-sifat briket. 3. Kemudahan untuk memperolehnya.
Bahan pengikat yang digunakan dalam penelitian ini dipilih dari bahan organik yaitu tetes tebu. Tetes tebu merupakan salah satu produk utama setelah gula pasir, yang dihasilkan dari bermacam-macam tingkat pengolahan dari tebu menjadi gula. Tetes tebu masih mengandung gula dalam jumlah yang cukup banyak (sekitar 50-60%) dan sejumlah asam amino serta mineral. Tetes tebu sendiri masih dapat diolah menjadi beberapa produk lain seperti gula cair, penyedap makanan (MSG), alkohol dan dry yeast untuk roti, protein tunggal, pakan ternak, asam citric, dan acetic acid alcohol.
2.2.4. Pemilihan Briket Optimum
Menurut Guillermo (2004) pemilihan proses optimum dilakukan dengan metode sebagai berikut:
a. Mengubah faktor Xk (k = 1,2,3,..n) kedalam bentuk variabel tanpa dimensi x1,x2,x3,..xn dengan persamaan berikut:
(2.2) Dimana: Xk = faktor k
Xkm = nilai tengah desain Cm = konstanta
Dari persamaan diatas akan dihasilkan 4 level yang simetri yaitu -1, 0, 1 dan 2. Dalam penelitian ini faktor k adalah tekanan pembriketan.
Tabel 2.4 Faktor dan level
Faktor level resistance) dan y5 : relaksasi ke dalam persamaan berikut:
dimana p = 1,2,3 ( model respon )
βp = koefisien yang tidak diketahui
c. Dengan metode statistik mencari nilai βp untuk setiap respon sehingga
diperoleh persamaan y1(x), y2(x), y3(x), y4(x) dan y5(x).
d. Mencari nilai desirability untuk setiap respon di(x) dengan persamaan
(2.4) dimana: ynominal = Nilai nominal di antara maksimum dan minimum
ymin = Nilai minimum ymax = Nilai maksimum
di(x) berkisar antara 0 sampai 1.
e. Mencari nilai total desirability (D) dengan persamaan:
(2.5) Proses optimum diperoleh untuk nilai total desirability yang mendekati 1.
2.2.5. Pembakaran
Pembakaran adalah reaksi kimia yang cepat antara oksigen dan bahan yang dapat terbakar, disertai timbulnya cahaya dan menghasilkan kalor. Pembakaran spontan adalah pembakaran dimana bahan mengalami oksidasi perlahan-lahan sehingga kalor yang dihasilkan tidak dilepaskan, akan tetapi dipakai untuk menaikkan suhu bahan secara pelan-pelan sampai mencapai suhu nyala. Pembakaran sempurna adalah pembakaran dimana semua konstituen yang dapat terbakar di dalam bahan bakar membentuk gas CO2, air (H2O), dan gas SO2, sehingga tak ada lagi bahan yang dapat terbakar tersisa.
Proses pembakaran bahan bakar padat (solid fuel) meliputi 3 tahap, yaitu tahap pengeringan (drying), tahap devolatilisasi dan tahap pembakaran arang/oksidasi arang (char oxidation) yang akan menyisakan abu (ash) (Borman,1998). Tahap pertama adalah pemanasan awal dan pengeringan, dimana
terjadi penguapan sejumlah air yang terkandung dalam bahan bakar padat. Tahap kedua adalah proses devolatilisasi, dimana terjadi pengurangan massa bahan bakar padat secara cepat akibat terlepasnya zat volatile (volatile matter). Tahap ketiga adalah oksidasi arang sehingga menyisakan abu.
Karakterisitik utama pembakaran adalah temperatur puncak dimana laju pengurangan massa maksimum. Temperatur puncak (peak temperature, PT) yang tinggi menunjukkan bahan bakar memiliki reaktifitas yang rendah (Kastanaki,E., 2003). Temperatur lain yang penting adalah ITVM (Initial Temperature Volatile Matter) dan BT (Burnout Temperature). ITVM adalah temperatur awal pertama dimana massa mulai turun. ITFC (fixed Carbon initiation temperature) adalah temperatur awal kedua dimana laju pengurangan massa dipercepat akibat onset pembakaran. Karakterisitik tersebut dapat dilihat dari kurva TG (Thermogravimetry) dan DTG (Differential Thermogravimetry).
Gambar 2.1 Profil pembakaran batubara bituminus (Othman, N. F., 2003).
Waktu selama berlangsungnya pembakaran disebut Residence Time (RT) (waktu tinggal bahan bakar di ruang bakar). Nilai residence time dipengaruhi oleh berbagai faktor, diantaranya kadar volatile, temperatur pembakaran, massa bahan bakar, kecepatan udara pembakaran dan lain sebagainya.
2.2.6. Thermogravimetric Analysis (TGA)
fungsi dari temperatur atau waktu pada kondisi lingkungan yang dijaga konstan. Metode ini terutama digunakan untuk mengetahui stabilitas termal dan oksidasi material tertentu.
Metode ini secara luas digunakan dalam berbagai penelitian dan dipakai untuk menentukan sifat-sifat termal dari berbagai bahan seperti polimer, batu bara, bebatuan mineral, karet, kokas, resin, material superkonduktor, bahan tahan api, dan lain-lain (Kamruddin, 2002).
Grafik fungsi perubahan massa yang dihasilkan melalui metode TGA untuk berbagai material memiliki bentuk yang hampir sama, sehingga perlu diubah terlebih dahulu sebelum dianalisa. Grafik fungsi diferensial perubahan massa dapat memberi informasi mengenai temperatur di mana terjadi perubahan massa yang paling cepat (peak temperature).
2.2.7. Kinetika Pembakaran
Kinetika pembakaran bahan bakar padat sangatlah kompleks, tetapi dengan membuat generalisasi yang luas, beberapa informasi berguna dapat diturunkan. Yang paling penting, asumsi dibuat bahwa proses pembakaran dapat dinyatakan oleh kinetik orde pertama.
Untuk menganalisis kinetik pembakaran, model mengasumsikan bahwa laju pengurangan massa dari sampel total adalah hanya bergantung pada laju konstan dari massa sampel sisa dan temperatur dengan orde reaksi satu. Penggunaan metode ini adalah mudah dan cepat. Sehingga persamaan Arrhenius dapat dinyatakan dengan bentuk sebagai berikut:
(2.6) dimana: dY = penurunan fraksi massa
dt = perubahan waktu (dt)
A = faktor pre-eksponensial
e = bilangan natural (2,71828)
R = konstanta gas ideal (8,31 J/mol K)
Tsolid = temperatur pada briket (K)
Persamaan(2.6) kemudian diubah menjadi:
(2.7) Data hasil penelitian yang diperoleh pertama kali adalah dY/dt. Dengan mencari nilai logaritma natural dari dY/dt maka akan didapat ln (dY/dt). Hasil dari ln (dY/dt) kemudian dibuat grafik hubungan antara ln (dY/dt) dengan 1/Tsolid. Grafik
yang terbentuk kemudian dicari persamaan garis lurusnya melalui regresi linear seperti pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Grafik ln penurunan fraksi massa terhadap kenaikan temperatur briket Grafik ln penurunan fraksi massa terhadap kenaikan temperatur pada briket akan menghasilkan persamaan linear. Persamaan linear yang dihasilkan kemudian dimasukkan ke dalam persamaan (2.7).
dari persamaan (2.10)(2.10), karena 1/Tsolid adalah nilai variabel maka bisa
dituliskan:
(2.12) sehingga,
(2.13)
(2.14) Nilai faktor pre-eksponensial (A) akan ditemukan pada saat grafik y = ax + c
memotong sumbu y atau (1/Tsolid = 0), sehingga dari persamaan (2.9) diperoleh:
(2.15) solid
T x 1
R a E
R E a
0 ln
ln A
dt dY
A dt
dY
ln
ln
0 1
so lid
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Perpindahan Panas dan Termodinamika Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta.
3.2. Bahan Penelitian
Pada penelitian ini, bahan yang digunakan adalah: 1. Serbuk gergajian kayu Kalimantan merbau
Serbuk gergajian kayu Kalimantan jenis merbau ini diperoleh dari PT. Indojati di wilayah Colomadu.
2. Jerami padi
Jerami padi diperoleh dari lahan pertanian di daerah Sukoharjo. 3. Tetes tebu (molasses)
Tetes tebu (molasses) yang digunakan sebagai bahan pengikat (binder) diperoleh dari pabrik Tebu Tasikmadu
Gambar 3.1 Tetes tebu ( molases)
3.3. Alat Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian:
Peralatan yang digunakan untuk pembriketan serbuk biomasa, terdiri dari : rangka, dongkrak hidrolik 6 ton, alat cetak (silinder dan plunger), pressure gauge, mesin penekan, corong, dan gelas ukur.
Gambar 3.2 Alat pembriket
2. Ayakan 50 mesh
Gambar 3.3 Ayakan 50 mesh
3. Mixer
Gambar 3.4 Mixer
Poros penekan
Die
Pressure Gauge
4. Alat uji ketahanan (durability test) standar ASAE S269.3
Gambar 3.5 Alat uji ketahanan
Alat ini terdiri dari rangka, alat uji ketahanan, transmisi daya dan motor penggerak. Alat ini berbentuk balok dengan dimensi 300 x 300 x 460 mm, terbuat dari besi profil L dengan dimensi 30 x 30 x 3 mm. Pada bagian sisi-sisi panjang balok diselubungi oleh kawat ukuran 4 mesh (12,5 x 12,5 mm), pada bagian bawah bujur sangkar ditutup dengan plat besi tebal 3 mm. Pada bagian atas dipasang plat tebal 3 mm yang diberi engsel pada bagian diagonalnya sebagai pintu. Untuk menggerakkannya balok diberi poros dikedua ujung diagonalnya dan menggunakan transmisi daya berupa sabuk dan puli dua tingkat untuk mereduksi kecepatan 1400 rpm menjadi 40 rpm.
5. Moisture analyzer
6. Timbangan digital
Gambar 3.7 Timbangan digital
7. Jangka Sorong
Gambar 3.8 jangka sorong
8. Stopwatch
9. Anemometer
Gambar 3.10 Anemometer
10. Alat Uji Tekan Universal Testing Machine
Gambar 3.11 Alat uji tekan Universal Testing Machine
11. Reaktor TGA (Thermogravimetry Analyzer) dengan pemanas listrik
Keterangan:
1. Adaptor ADAM
2. Data Acquisition Module (ADAM) 3. Timbangan digital
4. T ermokopel Tipe-K
5. Panel Listrik (Thermocontroller dan MCB) 6. Saluran pemanas udara
7. Kipas angin
8. Reaktor pembakaran 9. Regulator tegangan 10. Reostat
3.4. Pelaksanaan Penelitian 3.4.1. Tahap Persiapan
Dalam tahap persiapan meliputi proses pengumpulan jerami padi, pengeringan, pemotongan, penggilingan, pengayakan dan pengkondisian kadar air awal. Untuk serbuk gergajian kayu Kalimantan yang merupakan sampah dari industri dapat langsung dijemur, diayak, dan dikondisikan kadar airnya (initial moisture content).
3.4.2. Tahap Pembriketan
Pembriketan dilakukan dengan cara memasukkan campuran kayu Kalimantan merbau dan serbuk jerami padi dengan prosentase komposisi divariasi 80% : 20% dan 60% : 40% (persentase berat) yang telah diberi pengikat ke dalam cetakan kemudian ditekan dengan dengan menggunakan alat pembriketan dengan variasi tekanan 400, 600, 800, dan 1000 kg/cm2. Pembriketan setiap variasi prosentase komposisi bahan bakar dan tekanan pembriketan dilakukan dengan menggunakan binder molasses sebesar 10% (persentase berat) dan dengan waktu penahanan (holding time) 40 detik. Pada proses pembriketan ini untuk setiap variasi tekanan pembriketan akan dihasilkan briket biomasa dengan dimensi diameter 50 mm dan tinggi 50 mm.
metode trial and error. Hal ini dapat diterangkan sebagai berikut, massa bahan bakar untuk komposisi dan tekanan pembriketan tertentu diperkirakan terlebih dahulu. Setelah itu, briket dibuat dengan massa perkiraan tersebut. Kemudian, briket diukur tinggi dan diameternya. Apabila ukurannya belum sesuai dengan ukuran yang diinginkan, massa perkiraan ditambah atau dikurangi hingga diperoleh ukuran yang tepat.
3.4.3. Tahap Uji Sifat Fisik
Uji sifat fisik yang dilakukan dalam penelitian ini meliputi : 1. Uji Relaksasi (Relaxation Test)
Pengujian sifat relaksasi mengadopsi pengujian menurut standar ASAE S269.2 DEC 96 yakni menggunakan metode pengukuran dimensi briket dengan alat jangka sorong digital (calliper digital). Prosedur pengujiannya yaitu:
a. Mengukur spesimen (diameter dan panjang mula-mula) menggunakan jangka sorong setelah keluar dari cetakan.
b. Mengukur spesimen (diameter dan panjang akhir) pada interval waktu 1 menit, 10 menit, 30 menit, 1 jam, 2 jam, 1 hari, dan 1 minggu, menggunakan jangka sorong digital.
Pengukuran dilakukan paling sedikit 3 spesimen kemudian dirata-rata. 2. Initial dan relaxed density
Pengujian densitas spesimen ada 2 macam yaitu; densitas awal setelah keluar dari cetakan (initial density) dan densitas setelah mengalami relaksasi selama satu minggu (relaxed density). Pengujian dilakukan menurut standar
ASAE S269.2 DEC 96 menggunakan metode pengukuran dimensi briket dengan alat jangka sorong digital (calliper digital). Prosedur pengujiannya yaitu :
a. Mengukur spesimen (diameter dan panjang mula-mula) menggunakan jangka sorong setelah keluar dari cetakan untuk menghitung volume awal spesimen briket.
c. Densitas awal (initial density) dihitung sebagai perbandingan antara massa awal spesimen briket spesimen dengan volume awal spesimen briket.
d. Menyimpan spesimen briket selama 1 minggu.
e. Mengukur spesimen briket (diameter dan panjang akhir) menggunakan jangka sorong setelah 1 minggu untuk menghitung volume akhir spesimen briket.
f. Menimbang spesimen briket setelah 1 minggu dan dicatat sebagai massa akhir spesimen briket.
g. Relaxed density dihitung sebagai perbandingan antara massa akhir spesimen briket dengan volume akhir spesimen briket.
Pengukuran dilakukan paling sedikit 3 spesimen kemudian dirata-rata. 3. Uji Ketahanan Air (Water resistance test)
Pengujian ketahanan air (water resistance) dilakukan dengan mengadopsi prosedur penelitian yang telah dilakukan oleh Ricards (1989). Prosedur pengujiannya yaitu:
a. Menimbang massa awal briket
b. Merendam briket di dalam air selama 30 menit c. Menimbang massa akhir briket setelah 30 menit. d. Mencatat perubahan massa briket
Perhitungan indeks ketahanan air (water resistant index) briket dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini:
(3.1)
(3.2) Dimana:
mb = massa akhir briket setelah diredam selama 30 menit (g)
ma = massa awal briket sebelum direndam (g)
4. Uji Ketahanan (Durability Test)
Sifat ketahanan briket biomasa diuji menurut standar internasional ASAE S269.2 dengan prosedur sebagai berikut:
a. Spesimen uji sebanyak 10 buah dimana toleransi massa tiap 1 buah spesimen sebesar 10% dari massa spesimen rata - rata, diputar dalam alat uji ketahanan selama 3 menit pada putaran 40 rpm. Spesimen yang digunakan pada pengujian ini adalah spesimen yang telah dilakukan uji
relaxed density.
b. Setelah diputar maka massa briket biomasa yang telah pecah menjadi beberapa bagian ditimbang.
c. Massa pecahan briket biomasa setelah diputar dikelompokkan dengan acuan massa rata - rata sebelum diputar yakni masing - masing 20%, 40%, 60%, 80%, dan 100%.
d. Harga index ketahanan briket biomasa dicari dengan memberikan bobot pada masing - masing kelompok. Pada kelompok 100% harga bobot adalah 4, 80% harga bobot adalah 3, 60% harga bobot adalah 2, 40% harga bobot adalah 1, sedangkan kelompok 20% harga bobot adalah 0. Kemudian akumulasi dari harga bobot adalah index distribusi ukuran briket biomasa.
e. Harga tingkat ketahanan briket biomasa adalah akumulasi jumlah massa briket yang lebih besar dari 20% massa awal rata - rata kemudian dibagi dengan jumlah total massa briket sebelum diputar. 5. Uji Kuat Tekan Aksial (Axial Compressive Strength Test)
Pengujian sifat mekanik kuat tekan dilakukan di Laboratorium Bahan Teknik Sipil Universitas Sebelas Maret. Alat uji tekan yang digunakan dalam penelitian ini adalah tipe Universal Testing Machine (UTM). Kuat tekan yang diuji adalah kuat tekan arah aksial (axial compressive strength). Adapun prosedur penelitian uji karakteristik kuat tekan adalah sebagai berikut:
a. Meletakkan sampel uji sedemikian rupa pada landasan uji alat
Universal Testing Machine .
c. Menurunkan pembebanan secara vertikal dengan kecepatan yang diatur oleh operator melalui kontroler hingga briket pecah karena penekanan.
d. Mencatat nilai gaya tekan yang ditunjukkan oleh jarum pada skala ukur yang terdapat pada alat uji.
e. Menaikkan pembebanan ke posisi semula dan membersihkan landasan uji kuat tekan untuk uji selanjutnya.
Perhitungan kekuatan tekan aksial briket dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini :
(3.3) Dimana: P = kuat tekan aksial briket (kg/cm²)
F = gaya tekan aksial (kg) A = luas penampang briket (cm²)
3.4.4. Tahap Uji Kinetika Reaksi
Uji kinetika reaksi pembakaran dilakukan dengan menggunakan briket optimum dari hasil pengujian sifat fisik masing-masing komposisi briket dan tekanan pembriketan. Langkah pengujian uji kinetika adalah sebagai berikut: 1. Persiapan alat termogravimetri yang akan digunakan untuk pengambilan
data. Persiapan ini meliputi pengecekan reaktor TGA, pemasangan data akusisi, pengukuran kecepatan angin pada fan, penyiapan komputer yang dipakai untuk mencatat temperatur briket.
2. Melakukan pengambilan data dengan uji pembakaran briket 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi dan briket 60% kayu Kalimantan merbau ditambah 40% jerami padi. Briket dari masing-masing komposisi yang diuji kinetika reaksinya merupakan briket dengan tekanan pembriketan yang memberikan sifat fisik optimum.
3. Selama pengujian temperatur dinding reaktor dijaga konstan (Twall ) pada
400oC.
4. Udara dialirkan ke dalam ruang bakar menggunakan fan dengan 2 variasi kecepatan udara yaitu 0,05.m/s dan 2.m/s. Pengukuran kecepatan udara
A F
dilakukan pada ujung keluar saluran pemanas udara. Kecepatan udara diukur pada kondisi temperatur dan tekanan ruangan atau sebelum proses pembakaran dilakukan.
3.5. Metode Analisis Data
Data-data yang diperoleh dari hasil serangkaian uji fisik yang telah dilaksanakan, kemudian dianalisa dengan metode statistika yang diusulkan oleh Guillermo (2004). Hasil analisa secara statistik ini akan memberikan briket dengan tekanan pembriketan yang menghasilkan sifat fisik optimum.
3.6. Diagram Alir penelitian
Uji-uji sifat fisik : uji relaksasi, initial density, relaxed density, water resistance,
durability, dan uji kuat tekan aksial
Analisa data sifat fisik Menggiling tekanan 400, 600, 800,dan 1000
kg/cm2, dengan ukuran briket: diameter 50 mm dan tinggi 50
mm
Penurunan massa briket(dm), kenaikan temperatur (dT),
perubahan waktu (dt)
Laju penurunan massa briket (ms= f(t))
Grafik hubungan antara temperatur dan waktu (Ts= f(t))
Kadar air awal kayu Kalimantan merbau (15%) dan kadar air awal
jerami padi (20%)
Briket optimum masing-masing komposisi
Preeksponensial faktor (A), energi aktivasi (E), dan peak
BAB IV
DATA DAN ANALISIS
Pada bab ini akan dianalisis mengenai pengaruh variasi tekanan pembriketan terhadap sifat fisik dan kinetika reaksi briket biomasa kayu Kalimantan merbau dengan penambahan jerami padi.
4.1 Sifat Fisik
Sifat–sifat fisik yang diuji terhadap briket biomasa meliputi:
1. Pengujian massa jenis sesaat setelah dikeluarkan dari cetakan (initial density) dan massa jenis yang telah mengalami relaksasi selama 1 minggu (relaxed density).
2. Pengujian relaksasi briket biomasa pada interval waktu 1 menit, 10 menit, 30 menit, 1 jam, 2 jam, 1 hari, dan 1 minggu.
3. Pengujian sifat ketahanan briket biomasa menurut standar internasional ASAE S269.4.
4. Pengujian sifat kuat tekan aksial briket biomasa (axial compressive strength).
5. Pengujian sifat ketahanan briket biomasa terhadap air (water resistance).
4.1.1 Sifat Initial Density dan Relaxed Density
Tujuan pemadatan (densifikasi) adalah untuk meningkatkan massa jenis suatu bahan bakar padat. Semakin besar massa jenis bahan bakar tersebut, maka energi yang terkandung per satuan volumenya juga semakin tinggi. Dalam penelitian ini, pengujian initial density dan relaxed density biomasa dilakukan sesuai standar ASAE S269.2 DEC 96. Pengukuran dimensi briket dilakukan dengan menggunakan jangka sorong (vernier calipper). Pengukuran dimensi setiap spesimen dilakukan secara bertahap mulai sesaat setelah keluar dari cetakan dan setelah satu minggu.
2001). Dari penelitian ini dapat diketahui bahwa tekanan pembriketan merupakan faktor yang paling berpengaruh pada massa jenis suatu briket. Hal yang sama ditunjukkan pada Tabel 4.1 Tabel tersebut menunjukkan nilai initial dan relaxed density briket 100% kayu Kalimantan merbau untuk berbagai tekanan pembriketan. Nilai-nilai yang diperoleh dari pengujian tersebut memiliki kemiripan dengan nilai initial dan relaxed density briket kayu Kalimantan merbau pada penelitian sebelumnya dengan bahan gergajian kayu Kalimantan merbau (Syafiq, 2009). Sehingga, data-data sifat fisik dari penelitian Syafiq dapat digunakan sebagai pembanding dalam analisis penelitian ini. Sedangkan Tabel 4.2 dan Tabel 4.3 menunjukkan hasil pengukuran initial dan relaxed density untuk briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% dan 40% jerami padi untuk berbagai tekanan pembriketan. Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa semakin besar tekanan pembriketan menyebabkan semakin besar nilai massa jenis suatu briket. Hal ini sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan oleh Demirbas dan Sahin pada tahun 1997 dengan menggunakan biomasa jerami gandum. Pada tekanan yang lebih tinggi, pori-pori akan terisi oleh partikel hingga massa jenis hasil penekanan akan mendekati massa jenis massa asli (true density) komponen-komponen penyusunnya (Mani, dkk, 2004).
Tabel 4.1 Data massa jenis awal dan setelah mengalami relaksasi selama satu minggu dari briket 100% kayu Kalimantan merbau
Tekanan pembriketan
(kg/cm2)
Initial Density
(kg/m3)
Relaxed Density
(kg/m3)
Prosentase penurunan massa jenis (%)
400 767,41 618,23 19
600 806,69 645,68 20
800 895,88 709,27 21
1000 948,61 747,48 21
Tabel 4.2 Data massa jenis awal dan setelah mengalami relaksasi selama satu minggu dari briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% jerami padi
Tekanan
Dimana bulk density campuran adalah 278,6 kg/m3
Tabel 4.3 Data massa jenis awal dan setelah mengalami relaksasi selama satu minggu dari briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi
Tekanan
Dimana bulk density campuran adalah 265,2 kg/cm3
Dari Tabel 4.2 dan Tabel 4.3 juga dapat dilihat bahwa nilai massa jenis briket campuran berada di bawah massa jenis briket kayu Kalimantan. Dengan penambahan jerami padi menyebabkan massa jenis briket menurun. Hal ini dikarenakan serbuk jerami memiliki bulk density yang lebih rendah (228 kg/m3) dibanding bulk density serbuk kayu Kalimantan merbau (292 kg/m3).
Gambar 4.1. Briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% jerami padi setelah mengalami relaksasi selama satu minggu
Gambar 4.2. Briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi setelah mengalami relaksasi selama satu minggu
Tabel 4.4 Massa jenis penyusun briket biomasa
Material Massa jenis Kayu Kalimantan 292 kg/m3
Jerami padi 228 kg/m3
Air 1000 kg/m3
Tetes tebu 1426 kg/m3
Dari data-data prosentase penurunan massa jenis di atas (yaitu setelah briket mengalami relaksasi) dapat dibuat menjadi sebuah grafik sebagai berikut.
0
Tekanan Pembriketan (kg/cm2)
60% kayu+ 40% jerami
80% kayu+ 20% jerami
100% kayu Kalimantan
Gambar 4.3 Hubungan antara tekanan pembriketan dengan prosentase penurunan massa jenis briket setelah satu minggu.
0
Tekanan pembriketan (kg/cm2)
100% ka yu Ka lima nta n (Sya fiq,2009) 80% ka yu + 20% jera mi
60% ka yu + 40% jera mi
Gambar 4.4 Relaksasi volume berbagai briket untuk berbagai tekanan
80% kayu + 20% jerami
Gambar 4.5 Hubungan antara relaxed density (D) dengan tekanan (P)
Persamaan hubungan antara relaxed density dan tekanan pembriketan telah diusulkan oleh Ooi Chin Chin dan Siddiqui tahun 2000, ke dalam persamaan:
D = a ln P + b ... (4.1)
Dimana D adalah relaxed density (kg/m3), P adalah tekanan pembriketan (bar), a dan b adalah konstanta empirik
Dari Gambar 4.5 dapat diperoleh nilai konstanta-konstanta a dan b sebagai berikut.
Tabel 4.5 Konstanta fungsi D = a ln P + b
Komposisi Briket a b
100% Kayu kalimantan (Syafiq, 2009) 144,5 404,1 80% kayu Kalimantan merbau + 20% jerami 198,1 221,3 60% kayu Kalimantan merbau + 40% jerami 203,3 186,5 Serbuk kayu (Ooi Chin Chin dan Siddiqui 2000) 78,3 185,6
4.1.2 Sifat Relaksasi
diperoleh dari pengukuran panjang dan diameter briket biomasa sesaat setelah keluar, setelah 1 menit, 10 menit, 30 menit, 1 jam, 2 jam, 1 hari, sampai setelah 1 minggu. Data - data pengukuran sifat relaksasi briket kayu Kalimantan dengan penambahan 20% dan 40 % jerami padi ditampilkan dalam grafik berikut.
0 %
Gambar 4.6. Pertambahan panjang briket pada tiap variasi tekanan briket 80% kayu Kalimantan merbau dan 20% jerami padi
0 %
0 %
Gambar 4.8. Pertambahan panjang pada tiap variasi tekanan untuk briket 60% kayu Kalimantan merbau dan 40% jerami padi
0 %
Gambar 4.9. Pertambahan volume pada tiap variasi tekanan untuk briket 60% kayu Kalimantan merbau dan 40% jerami padi
dengan penambahan 20% dan 40% jerami padi terhadap waktu relaksasi untuk berbagai tekanan pembriketan. Pertambahan panjang dan pertambahan volume terjadi pada menit awal sampai satu hari setelah briket dikeluarkan dari cetakan. Tetapi setelah satu hari akan terjadi penyusutan panjang dan volume briket.
Mekanisme penyusutan yang terjadi dapat dijelaskan sebagai berikut. Setelah briket keluar cetakan sampai penyimpanan satu hari, briket mengalami relaksasi panjang dan volume. Relaksasi terjadi karena ikatan dalam briket yang melemah. Akibat relaksasi, rongga-rongga antar partikel membesar dan memungkinkan air permukaan menguap. Air permukaan yang lepas tersebut berasal dari sejumlah air yang ditambahkan pada saat pengkondisian kadar air
(moisture content) awal. Terbukti kadar air briket setelah satu minggu berkurang menjadi 12,05%. Lepasnya air permukaan dari dalam briket menyebabkan briket mengalami shrinkage (pengkerutan) sehingga terjadi penurunan relaksasi baik dalam panjang maupun dalam volume. Pengkerutan dapat terjadi karena terdapat sifat jerami padi yang berbentuk serat dan serbuk kayu yang berbentuk menyerupai bulat sehingga pada saat air permukaan keluar, terjadi proses penyusunan partikel kembali khususnya dari serbuk kayu.
Penambahan air untuk masing-masing komposisi briket ditunjukkan pada Tabel 4.6. Sedangkan pengurangan massa briket dapat dilihat pada Tabel 4.7 untuk briket 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi dan Tabel 4.8 untuk briket 60% kayu Kalimantanmerbau ditambah 40% jerami padi.
Tabel 4.6 Penambahan air untuk pengkondisian kadar air awal
Komposisi Briket Kadar air awal bahan*
Kadar air akhir bahan*
Penambahan kadar air 80% kayu kalimantan
merbau + 20% jerami 10,4 % 16,0 % 5,6 %
60% kayu kalimantan
merbau + 40% jerami 10,8 % 17,0 % 6,2 %
Tabel 4.7 Pengurangan massa briket 80% kayu Kalimantan merbau ditambah 20% jerami padi setelah satu minggu
Tekanan
Tabel 4.8 Pengurangan massa briket 60% kayu Kalimantan merbau ditambah 40% jerami padi setelah satu minggu
Tekanan panjang terbesar terjadi pada tekanan 400 kg/cm2 dan terkecil pada tekanan 1000 kg/cm2. Sehingga dapat disimpulkan bahwa pertambahan panjang dan volume akan berkurang apabila tekanan pembriketan diperbesar (Ndiema dkk, 2001). Hal ini dikarenakan semakin tinggi tekanan pembriketan mengakibatkan jarak antar partikel biomasa akan semakin dekat sehingga besarnya luas permukaan kontak antar partikel menyebabkan ikatan partikel briket biomasa semakin kuat. Dan relaksasi yang terbentuk menjadi lebih kecil.
4.1.3 Sifat Ketahanan (Durability)
Sifat ketahanan briket biomasa dicari menggunakan standar uji ASAE S269.4. Dec 96. Pengujian ketahanan briket biomasa dilakukan dengan alat uji ketahanan. Briket biomasa dimasukkan dalam alat uji ketahanan kemudian diputar selama 3 menit pada putaran 40 rpm. Setelah diputar, sisa briket biomasa ditimbang sehingga massa tiap-tiap pecahan briket dapat diketahui.
Tabel 4.9 Contoh hasil uji ketahanan (durability) briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% jerami padi pada variasi tekanan 1000 kg/cm2
TANGGAL PENGUJIAN 02-Jul-09 TEKANAN (kg/cm2) 1000 SERBUK KAYU KAL 80%
JERAMI 20%
84,0 83,0 84,0 82,0 84,0
82,0 84,0 82,0 82,0 82,0
MASSA TOTAL (g)
MASSA TOTAL 46 264 68 373 0
% original mass 5,55% 31,85% 8,20% 44,99% 0,00%
Size distribution index 0,00 31,85 16,41 134,98 0,00
Size distribution index total 183,23
DURABILITY 85,04%
829 MASSA AWAL (g)
Tabel 4.10 Durability rating briket biomasa
Durability rating briket biomasa Tekanan
Tabel 4.10 dapat dibuat grafik sebagai berikut:
0
Tekanan Pembriketan (kg/cm2)
100% kayu Kalimantan kayu : jerami = 80 : 20 kayu : jerami= 60 : 40
Gambar 4.10 Hubungan tekanan dan durability rating briket biomasa
Dari Gambar 4.10 digambarkan hubungan antara tekanan pembriketan dengan durability rating dari tiga macam briket biomasa. Dengan adanya kenaikan tekanan pembriketan mengakibatkan nilai durability rating cenderung mengalami kenaikan. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa durability rating
ketahanan seiring dengan meningkatnya tekanan pembriketan yang diberikan. Kejadian ini dapat dijelaskan bahwa penambahan tekanan pembriketan dapat lebih merekatkan partikel biomasa dan mengurangi jarak antar partikel, sehingga kontak antar permukaan partikel bertambah dan mengurangi rongga kosong pada briket. Dengan meningkatnya tekanan pembriketan sifat-sifat mekanik akan meningkat karena fungsi dari penekanan terhadap biomasa adalah untuk memperkecil ruang kosong inter dan antar partikel dalam biomasa tersebut (Werther, et al, 2000).
Dari Gambar 4.10 juga diperoleh bahwa dengan adanya penambahan jerami padi menyebabkan durability rating semakin menurun untuk tiap-tiap tekanan pembriketan. Briket kayu Kalimantan merbau dengan penambahan jerami padi 20% memiliki durability rating yang lebih tinggi daripada briket kayu Kalimantan merbau dengan penambahan jerami padi 40%. Hal ini dikarenakan kayu sendiri mengandung lebih banyak zat pengikat seperti lignin yang mampu meningkatkan ikatan kohesi antar partikelnya (Wamukonya, 1994). Sedangkan jerami padi tidak mengandung banyak lignin tetapi memiliki lapisan lilin tipis
(wax) yang menyelimuti partikel biomasa jerami (Demirbas, 1997). Dimana wax yang menyelimuti partikel biomasa jerami padi tersebut justru membuat ikatan yang terbentuk tidak kuat karena wax mengakibatkan air dan bahan pengikat tidak dapat terserap ke dalam partikel biomasa jerami padi.
Pada tekanan 400 kg/cm2 dan 600 kg/cm2 terjadi fenomena yaitu ketahanan briket relatif rendah. Hal ini disebabkan karena pada tekanan di bawah 600 kg/cm2, ikatan antara partikel kayu Kalimantan merbau dan partikel jerami padi lebih rendah dari ikatan antara partikel sendiri. Fakta ini diperkuat oleh hasil pengujian relaksasi volume yang dapat dilihat pada Gambar 4.4.
briket batubara minimal sebesar 60 kgf/cm2 (SNI, 1998a) dan kuat tekan aksial briket serbuk sabut kelapa minimal sebesar 3 kgf/cm2 (SNI, 1998b)
Data-data hasil pengujian kuat tekan aksial briket biomasa kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% dan 40% jerami padi serta briket 100% kayu Kalimantan merbau ditampilkan dalam tabel berikut.
Tabel 4.11 Data sifat kuat tekan aksial briket biomasa kayu Kalimantan merbau dengan tambahan 20% dan 40% jerami padi
Kuat tekan aksial (kgf/cm2) Tekanan
(kg/cm2)
Kayu kalimantan merbau (Syafiq, 2009)
80% kayu kalimantan merbau + 20% jerami
padi
60% kayu kalimantan merbau + 40% jerami
padi
400 5,79 12,73 20,12
600 25,19 25,47 31,84
800 40,74 46,36 58,59
1000 49,27 50,95 63,69
Dari Tabel 4.11 terlihat bahwa kenaikan tekanan pembriketan menyebabkan nilai kuat tekan aksial briket naik. Hal ini karena ikatan antar partikel briket biomasa semakin kuat sehingga ruang kosong yang terdapat di antara partikel mengecil dan daerah kontak antar partikel meluas. Dengan demikian, pergeseran partikel briket akibat beban aksial menjadi semakin sulit terjadi.
0,00
Tekanan Pembriketan (kg/cm2)
60% kayu kalimantan + 40% jerami 80% kayu kalimantan + 20% jerami 100% kayu kalimantan
Gambar 4.11 Nilai kuat tekan aksial briket biomasa sebagai fungsi dari tekanan pembriketan
Dari Gambar 4.11 dapat dilihat bahwa penambahan jerami padi mampu meningkatkan nilai kuat tekan aksial briket kayu Kalimantan merbau. Semakin banyak jumlah jerami padi yang ditambahkan pada briket kayu Kalimantan merbau maka nilai kuat tekannya juga semakin tinggi. Ini dapat dilihat dari kuat tekan briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 40% jerami padi lebih tinggi dari kuat tekan briket kayu Kalimantan merbau yang ditambah 20% jerami padi.
