BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Plastik
Produksi utama pembuatan plastik selama ini berbasis bahan baku turunan minyak bumi. Plastik adalah bahan sintestis atau alami yang terdiri dari rantai panjang dengan komponen utama C atau karbon.Ikatan ini sangat kuat sehingga material plastik cocok untuk digunakan dalam berbagai aplikasi.
Plastik merupakan bahan yang murah, tahan lama, serbaguna, dan sangat disukai sebagai material bahan baku pembuatan produk. Plastik mempunyai bobot ringan, kuat, tahan bahan kimia, dan mudah dalam pemasaran. Komoditas plastik terbesar didunia adalah polipropilen, diikuti oleh PVC dan HDPE. Plastik dapat dibagi dalam dua klasifikasi, yaitu material termoplastik dan material termoset. Proses pembentukan plastik diakhiri oleh reaksi curing, yaitu reaksi ikatan sambung silang (cross – linking) yang irreversible dari polimer. Perbedaan termoplastik dimana termoplastik dapat diproses dengan panas, ketika material diberi panas, material termoplastik akan mencair dimana material tersebut dapat dibentuk menjadi produk yang diinginkan. Setelah didinginkan material akan mengeras dan mempertahankan bentuknya. Material termoplastik dapat diproses ulang dengan pemanasan dan pembentukan atau pencetakan. Berbeda dengan material termoset yang tidak dapat diproses dengan pemanasan berulang kali atau dengan kata lain mempunyai bentuk yang permanen setelah pemrosesan.Contoh plastik termoplastik adalah polietilen, polipropilen, nilon, polikarbonat, dll, yang contoh aplikasinya seperti ember polietilen, cangkir polistiren, talinilon, dll.Contoh plastik termoset adalah fenol formaldehid, ureaformaldehid, melamin Formaldehid, termo setting poliester, dll,yang contoh aplikasinya seperti:switchlistrik, mejasermica, melamin Cutlery.
2.1.1 Pembuatan Plastik
Polimerisasi katalitik atau inisiasi peroksida dari monomer seperti etilena,
propilena, atau butadiena ditambah dengan stirena (kopolimer).
Polikondensasi dari monomer yang tidak sama seperti asam organik bifungsional dan alkohol atau amina.
Poliadisi dari molekul monomer yang reaktif
Sebelum suatu monomer dikonversi menjadi suatu plastik, biasanya ditambah dengan bahan – bahan aditif untuk meningkatkan kemudahan pemrosesan dan sifat mekanis sesuai dengan fungsi dan pemakaian plastik tersebut (pemakaian luar ruangan, terpapar sinar matahari, dll).
2.1.2 Daur Ulang Plastik
Produksi plastik pada tahun 2012 tercatat sebanyak 57 juta ton di Eropa dan 288 juta ton diseluruh dunia. Di Indonesia, konsumsi plastik sudah meningkat seiring dengan perkembangan ekonomi dan pertumbuhan penduduk. Pada tahun 2011, Indonesia telah mengkonsumsi plastik 10 kg per kapita per tahun. Bagaimanapun pengkonsumsian plastik dalam jumlah besar akan memicu permasalahan lingkungan karena sifat plastik yang tidak dapat terurai secara alami. Tabel berikut menunjukkan penggunaan atau konsumsi plastik di beberapa negara di dunia.
Tabel 2.1 Konsumsi Plastik Perkapita Beberapa Negara di Dunia. Negara Konsumsi Per kapita dalam kg
Amerika Utara 78,0
2.1.3 Plastik Jenis Propilena (PP)
Propilena, salah satu komponen utama penyusun limbah plastik di dunia, yang mana digunakan secara luas pada industri dan rumah tangga. Polipropilena dibuat dari polimerisasi propilen dengan menggunakan katalis. Propilena adalah material termoplastik dengan kristalinitas tinggi, densitas rendah, kekakuan yang rendah, dan ketahanan terhadap bahan kimia yang baik, tidak menyerap air, dan ketahanan impak yang baik.
Tabel 2.2 Sifat Umum Polipropilena
Densitas (mg/m3) 0,09 – 0,93 Ekspansi linear termal (mm/mm K) 3,8 x 10-5
Kekerasan (Shore) D76
Resistivitas volume (Ω.cm) 1,0 x 1017
Linear mold shrinkage (in./in.) 0,01 – 0,02
2.2 Karbon Aktif
Karbon aktif merupakan padatan berpori yang mengandung 85% - 95% karbon. Bahan-bahan yang mengandung unsur karbon dapat menghasilkan karbon aktif dengan cara memanaskannya pada suhu tinggi. Pori-pori tersebut dapat dimanfaatkan sebagai agen penyerap (adsorben). Karbon aktif dengan luas permukaan yang besar dapat digunakan untuk berbagai aplikasi yaitu sebagai penghilang warna, penghilang rasa, penghilang bau dan agen pemurni dalam industri makanan. Selain itu juga banyak digunakan dalam proses pemurnian air baik dalam proses produksi air minum maupun dalam penanganan limbah
Karbon aktif mempunyai bentuk amorf yang terdiri dari pelat pelat datar dimana atom - atom karbonnya tersusun dan terikat dalam kisi heksagonal yang secara acak berorentasi dengan karbon yang tidak terorganisir. Gambar 2.3 menunjukkan struktur permukaan karbon aktif
Gambar 2.1 Struktur Permukaan Karbon Aktif
Karbon aktif juga dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis sebagai berikut:
Karbon aktif granular
Jenis ini berbentuk butiran atau pelle, biasanya digunakan untuk proses pada fluida phase gas, ukuran granular 4 x 8 mesh sampai 10 x 20 mesh.
Umumnya diproduksi dari bahan kayu dalam bentuk serbuk gergaji, jenis ini memiliki ukuran rata - rata 15 ηm –25 ηm.
Karbon aktif moleculer sieves
Merupakan suatu material yang menarik sebagai model karbon aktif sejak memiliki ukuran mikropori yang seragam dan kecil.
Karbon aktif fiber
Memiliki ukuran yang lebih kecil dari karbon aktif powder. Sebagian besar
karbon aktif fiber memiliki diameter antar 7 ηm –15 ηm.
Selain sebagai adsorben, karbon aktif juga merupakan katalis yang paling baik untuk degradasi bahan polietilena (PE) dan menghasilkan komponen aromatik yang tinggi. Berdasarkan penelitian terdahulu diperoleh bahwa plastik jenis PE dapat diolah menjadi bahan bakar cair dengan metode pirolisis. Karbon aktif adalah katalis yang efisien untuk jenis degradasi dan dapat menghasilkan jumlah senyawa aromatik yang lebih tinggi. Karbon aktif dipilih karena menunjukkan sifat mekanik yang tinggi, tahan panas, murah dan sebagai katalis terbaik untuk degradasi katalitik limbah PE dimana suhu optimum untuk reaksi katalitik adalah 450 °C.
Karbon aktif saat ini digunakan dalam berbagai aplikasi yang pengembangannya berputar pada struktur dari pori, seperti pengolahan dan pemurnian, pemulihan produk, dan peningkatan kemampuan katalitik zat lain, dengan cara menambah antarmuka antara katalis dan substrat di daerah fisik yang lebih luas. Karbon aktif juga menunjukkan hasil yang baik sebagai katalis yang dalam reaksi yang melibatkan hidrogen, karbon, dan kombinasinya (termasuk dekomposisi dari rantai pendek hidrokarbon seperti metana), yang menunjukkan bahwa hal itu mungkin memiliki landasan digunakan sebagai katalis dalam pirolisis plastik.
2.3 Proses Pirolisis
seperti landfill dan insinerasi, tidak dapat digunakan dalam jangka panjang karena dapat menyebabkan polusi udara, penyebaran racun, terkontaminasinya air tanah, dan kerusakan tanah. Pirolisis adalah metode yang dapat dipertimbangkan dan layak untuk dilakukan dengan mendegradasi material polimer tanpa penggunaan oksigen. Tujuan penghilangan udara adalah untuk alasan keamanan, kualitas produk, dan yield. Berdasarkan variasi suhu, maka pirolisis dapat dibagi menjadi tiga, rendah ( < 400 °C), sedang ( 400 – 600 °C) atau tinggi ( >600 °C). Hasil dari proses pirolisis dapat dibagi menjadi fraksi cair, fraksi gas, dan residu padatan. Pirolisis merupakan suatu alternatif untuk memperoleh energi dari limbah plastik. Hal ini menggunakan prinsip dimana kebanyakan substansi organik secara termal tidak stabil sehingga rantainya dapat pecah pada keadaan bebas oksigen.
Oleh karena itu, konversi limbah plastik menjadi bahan bakar memiliki beberapa keuntungan, yaitu :
1. Membentuk siklus pemakaian energi tidak terbarukan.
2. Dapat menjadi sumber petrokimia alternatif untuk menurunkan pembelian atau pemakaian energi tidak terbarukan.
3. Solusi alternatif yang efektif untuk mengurangi limbah plastik yang berakibat tercegahnya pencemaran lingkungan yang biasanya ditimbulkan oleh cara pengolahan insinerasi dan landfill.
2.4 Mesin Diesel
Mesin diesel juga disebut “Motor Penyalaan Kompresi” oleh karena penyalaannya dilakukan dengan menyemprotkan bahan bakar ke dalam udara yang telah bertekanan dan bertemperatur ringgi sebagai akibat dari proses kompresi di dalam ruang bakar. Agar bahan bakar diesel dapat terbakar dengan sendirinya, maka perbandingan kompresi mesin diesel harus berkisar antara 15 – 22, sedangkan tekanan kompresinya mencapai 20 – 40 bar dengan suhu 500 – 700 0
rendah dari motor bensin, lebih murah dan perawatannya lebih sederhana (Kubota, S., dkk, 2001).
Siklus diesel (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada volume konstan (Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006.). Siklus diesel tersebut ditunjukkan pada gambar 2.1 dan 2.2 di bawah ini.
Gambar 2.2 Diagram P-v
Keterangan Gambar:
P = Tekanan (atm)
V = Volume Spesifik (m3/kg)
T = Temperatur (K)
Gambar 2.3 Diagram T-S
Keterangan Grafik:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada Volume Konstan
3-4 Ekspansi Isentropik
4-1 Pengeluaran Kalor pada Volume Konstan
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel
Prinsip kerja mesin diesel 4 tak sebenarnya sama dengan prinsip kerja mesin otto, yang membedakan adalah cara memasukkan bahan bakarnya. Pada mesin diesel bahan bakar di semprotkan langsung ke ruang bakar dengan menggunakan injector. Dibawah ini adalah langkah dalam proses mesin diesel 4 langkah :
1. Langkah Isap
2. Langkah kompresi
Pada langkah ini piston bergerak dari TMB menuju TMA dan kedua katup tertutup. Karena udara yang berada di dalam silinder didesak terus oleh piston,menyebabkan terjadi kenaikan tekanan dan temperatur,sehingga udara di dalam silinder menjadi sangat panas. Beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar di semprotkan ke ruang bakar oleh injector yang berbentuk kabut.
3. Langkah Usaha
Pada langkah ini kedua katup masih tertutup, akibat semprotan bahan bakar di ruang bakar akan menyebabkan terjadi ledakan pembakaran yang akan meningkatkan suhu dan tekanan di ruang bakar. Tekanan yang besar tersebut akan mendorong piston ke bawah yang menyebkan terjadi gaya aksial. Gaya aksial ini dirubah dan diteruskan oleh poros engkol menjadi gaya radial (putar).
4. Langkah Buang
Pada langkah ini, gaya yang masih terjadi di flywheel akan menaikkan kembali piston dari TMB ke TMA, bersamaan itu juga katup buang terbuka sehingga udara sisa pembakaran akan di dorong keluar dari ruang silinder menuju exhaust manifold dan langsung menuju knalpot
Langkah isap Langkah kompresi Langkah usaha Langkah Buang
Gambar 2.4 Prinsip Kerja Mesin Diesel
2.4.2 Standarisasi Diesel
Indonesia menghasilkan dua jenis bahan bakar diesel yaitu. Diesel 48 (Solar) dan Diesel 51 (Pertamina Dex). Seperti dapat dilihat pada Tabel 2.3 merupakan sifat bahan bakar diesel komersial sesuai peraturan pemerintah Indonesia.
Tabel 2.3 Sifat Bahan Bakar Diesel Komersial
2.4.3 Performansi Mesin Diesel
1. Nilai Kalor Bahan Bakar.
Properties Units Diesel 48 (Solar) Diesel 51 (Pertamina Dex)
Cetane number 48 51
Density @ 15°C g/cm3 0,815-0,870 0,820-0,860
Kinematic cSt 2,0-5,0 2,0-4,5
viscosity @ 40°C
Flash point °C min 60 min 55
Pour point °C max 18 max 18
Water content mg/kg max 500 max 500
Sulfur content %wt max 0,35 max 0,05
Reaksi kimia antara bahan bakar dengan oksigen dari udara menghasilkan panas. Besarnya panas yang ditimbulkan jika satu satuan bahan bakar dibakar sempurna disebut nilai kalor bahan bakar (Calorific
Value, CV). Berdasarkan asumsi ikut tidaknya panas laten pengembunan
uap air dihitung sebagai bagian dari nilai kalor suatu bahan bakar, maka nilai kalor bahan bakar dapat dibedakan menjadi nilai kalor atas dan nilai kalor bawah.
Nilai kalor atas (High Heating Value,HHV), merupakan nilai kalor yang diperoleh secara eksperimen dengan menggunakan kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai suhu kamar sehingga sebagian besar uap air yang terbentuk dari pembakaran hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Secara teoritis, besarnya nilai kalor atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi
bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong yang
ditunjukkan pada persamaan 2.1 di bawah ini:
HHV = 33950 + 144200 (H2- ) + 9400 S ... (2.1)
Dimana: HHV = Nilai kalor atas (kJ/kg)
H2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar
O2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar
S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
Nilai kalor bawah (low Heating Value, LHV), merupakan nilai kalor
bahan bakar tanpa panas laten yang berasal dari pengembunan uap air. Umumnya kandungan hidrogen dalam bahan bakar cair berkisar 15 % yang berarti setiap satu satuan bahan bakar, 0,15 bagian merupakan hidrogen. Pada proses pembakaran sempurna, air yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar adalah setengah dari jumlah mol hidrogennya.
memang sudah ada didalam bahan bakar (moisture). Panas laten
pengkondensasian uap air pada tekanan parsial 20 kN/m2 (tekanan yang
umum timbul pada gas buang) adalah sebesar 2400 kJ/kg, sehingga besarnya nilai kalor bawah (LHV) dapat dihitung berdasarkan persamaan 2.2. berikut :
LHV = HHV – 2400 (M + 9 H2) ... (2.2)
Dimana: LHV = Nilai Kalor Bawah (kJ/kg)
M = Persentase kandungan air dalam bahan bakar (moisture)
Dalam perhitungan efisiensi panas dari motor bakar, dapat menggunakan nilai kalor bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air. Namun dapat juga menggunakan nilai kalor atas (HHV) karena nilai tersebut umumnya lebih cepat tersedia. Peraturan pengujian berdasarkan
ASME (American of Mechanical Enggineers) menentukan penggunaan nilai
kalor atas (HHV), sedangkan peraturan SAE (Society of Automotive
Engineers) menentukan penggunaan nilai kalor bawah (LHV), (Lampiran).
2. Daya Poros
daya yang dapat ditimbulkannya. Semakin tinggi frekuensi putar motor makin tinggi daya yang diberikan hal ini disebabkan oleh semakin besarnya frekuensi semakin banyak langkah kerja yang dialami pada waktu yang sama. Dengan demikian besar daya poros itu ditunjukkan pada persamaan 2.3 :
... (2.3)
Dimana :
PB = daya ( W )
T = torsi ( Nm )
n = putaran mesin ( Rpm )
3. Torsi
Torsi adalah perkalian antara gaya dengan jarak. Selama proses usaha maka tekanan-tekanan yang terjadi di dalam silinder motor menimbulkan suatu gaya yang luar biasa kuatnya pada torak. Gaya tersebut dipindahkan kepada pena engkol melalui batang torak , dan mengakibatkan adanya momen putar atau torsi pada poros engkol. Untuk mengetahui besarnya torsi digunakan alat dynamometer. Biasanya motor pembakaran ini dihubungkan dengan dynamometer dengan maksud mendapatkan keluaran dari motor pembakaran dengan cara menghubungkan poros motor pembakaran dengan poros dynamometer dengan menggunakan kopling elastik. Untuk mencari day dan torsi ditunjukkan oleh persamaan 2.4 dan 2.5 di bawah ini.
PB =
... (2.4)
T =
4. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan salah satu parameter prestasi yang penting di dalam suatu motor bakar. Parameter ini biasa dipakai sebagai ukuran ekonomi pemakaian bahan bakar yang terpakai per jam untuk setiap daya kuda yang dihasilkan. Untuk mencari konsumsi bahan bakar spesifik ditunjukkan oleh persamaan 2.6 di bawah ini:
SFC = ̇ ... (2.6)
ṁ
... (2.7)
Dengan :
SFC = konsumsi bahan bakar spesifik (kg/kw.h) PB = daya (W)
ṁ = konsumsi bahan bakar
sgf = spesicific gravity
t = waktu (jam)
5. Efisiensi Thermal
Kerja berguna yang dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang dibangkitkan piston karena sejumlah enegi hilang akibat adanya rugi-rugi mekanis (mechanical losses). Dengan alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar. Efisiensi ini disebut juga sebagai efisiensi termal brake (thermal efficiency, ηb).
ηb
=
3600 ... (2.8)
6. Heat Loss in Exhaust
Heat loss in exhaust atau dapat dikatakan sebagai besar kehilangan energi yang terjadi akibat adanya aliran gas panas buang dari exhaust manifold ke lingkungan. Gas buang ini berupa aliran gas panas.
Besarnya Heat Loss dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 2.9 di bawah ini.
Heat Loss = (ma x mf)x (Te – Ta ) ... (2.9)
dimana:
Te = suhu gas keluar exhaust manifold
Ta = Suhu lingkungan (27oC)
Untuk mengetahui persentase heat loss, maka dilakukan perbandingan antara besarnya heat loss dengan energi yang dihasilkan dalam pembakaran bahan bakar dimana ditunjukkan pada persamaan 2.10.
% Heat Loss = –
... (2.10 )
Supercharger adalah suatu mesin mekanisme untuk menyuplai udara dengan kepadatan yang melebihi kepadatan udara atmosfer ke dalam silinder pada langkah hisap. Udara yang lebih padat ini akan tinggal dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompressi. Akibat udara yang densitasnya lebih tinggi maka lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar sehingga daya output mesin dapat meningkat.
Mekanisme Supercharger berbeda dengan langkah pembilasan dalam mesin 2 langkah, dimana mekanisme supercharger bertujuan untuk meningkatkan kepadatan udara segar dalam silinder dan dapat digunakan untuk mesin 2 langkah dan 4 langkah. Sedangkan penggunaan blower pada langkah pembilasan semata-mata menggunakan hembusan udara untuk mengeluarkan gas hasil pembakaran (gas bekas) yang masih berada dalam silinder dan menggantinya dengan udara segar yang tekanannya relatif sama dengan tekanan atmosfer. Akan tetapi dalam semua sistem supercarjer terdapat sekaligus pembilasan dan superchargering.
turbulen dalam ruangan bakar sehingga proses pencampuran udara + bahan bakar dapat lenih cepat dan lebih baik mutunya.
