ii
ABSTRAK
ADSORPSI SO
2DENGAN ADSORBEN CuO/
-Al
2O
3DALAM REAKTOR UNGGUN DIAM
Oleh
David Bahrin
NIM: 33012001
(Program Studi Doktor Teknik Kimia)
Mengingat batubara Indonesia memiliki kandungan sulfur berkisar antara 0,1% s.d 9,8%, pembangkit listrik berbahan bakar batubara memiliki potensi menghasilkan emisi SO2 di atas baku mutu lingkungan. Desulfurisasi
menggunakan adsorben berbasis oksida logam atau campuran oksida logam seperti CuO/-Al2O3 berpotensi untuk dikembangkan. Teknik ini memiliki
keunggulan diantaranya penyediaan relatif mudah, kapasitas adsorpsi SO2 yang
cukup besar dan dapat diregenerasi sehingga dapat digunakan berulang kali. Penyangga yang digunakan adalah penyangga -Al2O3 komersial yang diproduksi
oleh Laboratorium Teknik Reaksi Kimia dan Katalisis, Institut Teknologi Bandung dengan karakteristik; 1) luas permukaan spesifik 218,43 m2/g, 2) volume pori 0,46 cm3/g, dan 3) diameter pori 83,33 Å. Tujuan yang ingin dicapai pada penelitian disertasi ini adalah mendapatkan adsorben CuO/-Al2O3 dengan
karakteristik baik dan performa tinggi untuk adsorpsi SO2 melalui pembuatan dan
karakterisasi adsorben CuO/-Al2O3 pada berbagai konsentrasi logam Cu, evaluasi
uji kinerja adsorben CuO/-Al2O3 dalam aspek pengaruh konsentrasi logam Cu
dan temperatur adsorpsi terhadap kapasitas adsorpsi SO2 dan lama waktu
adsorben CuO/-Al2O3 mencapai kejenuhan (topik-1). Metode penempelan logam
Cu pada penyangga -Al2O3 menggunakan impregnasi kering dan teknik adsorpsi
SO2 menggunakan reaktor unggun diam. Pemilihan reaktor unggun diam lebih
disebabkan karena kemudahan dalam pengoperasiannya.
Uji regenerasi adsorben CuO/-Al2O3 jenuh dilakukan untuk mengembalikan
kemampuannya dalam menjerap SO2 (topik-2). Adsorben CuO/-Al2O3 yang
digunakan adalah adsorben dengan kinerja yang paling baik dari hasil percobaan topik-1. Regenerasi adsorben CuO/-Al2O3 jenuh menggunakan metode
dekomposisi panas dengan mempertimbangkan tidak perlu biaya tambahan pembelian zat pereduksi, tidak perlu melakukan oksidasi tembaga setelah regenerasi. Regenerasi adsorben CuO/-Al2O3 jenuh dilakukan pada temperatur
500, 600 dan 700C, laju alir udara 1, 2 daan 3 mL/detik dengan lama waktu regenerasi 20, 40 dan 60 menit. Jumlah siklus adsorpsi-regenerasi sepuluh kali. Karakterisasi adsorben CuO/-Al2O3 meliputi sifat pori dan jenis kristal yang
terbentuk dilakukan pada adsorben yang telah melalui proses adsorpsi-regenerasi berulang untuk memperkuat analisa pengaruh regenerasi terhadap kinerja adsorben.
iii
Percobaan topik-1 dan topik-2 menggunakan gas model berupa campuran gas SO2
dan udara bebas uap air dengan konsentrasi antara 4600 s.d 21.000 ppmv atau 13.150 s.d 60.000 mg/Nm3. Laju alir gas umpan 1,4 s.d 1,8 mL/detik atau 84 s.d 108 mL/menit dan jumlah adsorben mula-mula adalah 0,4 g dan 1 g. Pada percobaan topik-3, konsentrasi SO2 gas model mendekati konsentrasi SO2 nyata
hasil pembakaran batubara dengan kadar sulfur sekitar 1% berat (air dry basis), yaitu 680 ppmv atau 2500 mg/Nm3. Laju alir gas umpan pada percobaan topik-3 yaitu 1,21 L/menit.
Kinerja adsorben CuO/-Al2O3 dapat dilihat dari progres konsentrasi SO2 dalam
aliran gas keluar reaktor atau kurva breakthorugh. Model dan parameter kinetika pemodelan yang tepat dapat digunakan untuk memprediksi kurva breaktrough proses adsorpsi SO2 dengan adsorben CuO/-Al2O3. Tujuan yang ingin dicapai
pada penelitian topik-3 adalah merepresentasikan hasil penelitian adsorpsi SO2
dengan adsorben CuO/-Al2O3 dengan model yang dikembangkan oleh peneliti
sebelumnya dengan kondisi percobaan yang hampir sama namun dengan konsentrasi SO2 yang jauh lebih rendah dan menggunakan adsorben CuO/-Al2O3
hasil sediaan sendiri. Hasil kajian adalah parameter pemodelan seperti konstanta kecepatan reaksi keseluruhan (kr), konstanta laju konsumsi CuO (kd), energi
aktivasi (Ea) dan faktor tumbukan (A).
Konsentrasi logam Cu berpengaruh signifikan terhadap perubahan sifat pori (luas permukaan spesifik dan volume pori) adsorben CuO/-Al2O3. Kapasitas adsorpsi
SO2 adsorben jenuh meningkat hingga konsentrasi logam Cu 8%-berat adsorben,
dan kapasitas adsorpsi SO2 cenderung turun pada konsentrasi logam Cu lebih dari
8%-berat adsorben. Temperatur adsorpsi berpengaruh nyata terhadap kapasitas adsorpsi adsorben. Lama waktu adsorben mencapai kejenuhan meningkat dengan meningkatnya temperatur adsorpsi dan cenderung sama pada berbagai konsentrasi logam Cu.
Regenerasi dengan dekomposisi panas secara nyata dapat meregenerasi adsorben 8Cu bekas pakai. Regenerasi adsorben 8Cu bekas pakai pada temperatur regenerasi 600C menghasilkan adsorben dengan kemampuan adsorpsi SO2
rata-rata paling tinggi hingga siklus adsorpsi-regenerasi kesepuluh. Regenerasi adsorben dengan dekomposisi panas terutama pada temperatur 500C tidak dapat mengembalikan sifat pori adsorben seperti adsorben segar yang mengindikasikan masih terdapat senyawa CuSO4 maupun Al2(SO4)3 belum terdekomposisi.
Senyawa Al2(SO4)3 terbentuk pada adsorben 8Cu yang diregenerasi pada
temperatur 500C pada siklus adsorpsi-regenerasi sepuluh kali. Regenerasi adsorben pada temperatur 700C hingga siklus adsorpsi-regenerasi sepuluh kali berpengaruh nyata terhadap perubahan sifat pori adsorben 8Cu yang mengindikasikan terjadinya perubahan struktur adsorben.
Model CA,o
CA,i = exp [−
V
Qkrexp(−kdt)] dengan parameter kinetika pemodelan
kr = 27.862 exp(−20,33RT ) dan kd = 0,024 exp(−6,64RT) adalah sesuai untuk
iv
dalam reaktor unggun diam. Validasi model dan parameter kinetika pemodelan pada percobaan dengan jumlah adsorben yang lain (2 dan 4 gram) memberikan hasil yang cukup memuaskan. Model dan parameter kinetika pemodelan tersebut dapat dipakai untuk memprediksi kurva breakthrough adsorpsi SO2 dengan
adsorben CuO/-Al2O3 dalam reaktor unggun diam pada konsentrasi SO2 dalam
umpan rendah yaitu 2500 mg/Nm3 (860 ppm) dengan catatan bahwa jenis adsorben, kondisi proses seperti temperatur dan tekanan sama.
Kata kunci: adsorpsi SO2, adsorben CuO/-Al2O3, karakterisasi adsorben,
vi
ABSTRACT
SO
2ADSORPTION USING CuO/
-Al
2O
3ADSORBENT
IN FIXED BED REACTOR
By
David Bahrin
NIM: 33012001
(Doctoral Program in Chemical Engineering)
As the Indonesian coal contains sulphur in the range of 0.1% to 9.8%, the coal powered steam power plant may potentially emit SO2 above the allowed threshold
limit. Desulphurization using metal oxide based adsorbent or a mixture of metal oxide like CuO/-Al2O3 has the potential for development. This technique is
advantageous due to the relative ease in production, large SO2 adsorption
capacity and the regenerability that allows for multiple usage. The support material used is the commercial -Al2O3 support produced by the Laboratorium
Teknik Reaksi Kimia dan Katalisis, Institut Teknologi Bandung with the following
parameters; 1) specific surface area of 218.43 m2/g, 2) pore volume of 0.46 cm3/g, and 3) pore diameter of 83.33 Å. The target in this research dissertation is to obtain CuO/-Al2O3 adsorbent with good characteristics and high performance in
SO2 adsorption through the manufacture and characterization of CuO/-Al2O3
adsorbent at several Cu concentration, evaluating the CuO/-Al2O3 adsorbent
performance with change in Cu metal concentration and the process temperature with the SO2 adsorption capacity and the adsorption time of the CuO/-Al2O3
adsorbent to achieve saturated condition (Topic-1). The Cu metal was deposited on -Al2O3 support using dry impregnation method and the SO2 adsorption was
performed on fixed bed reactor. Fixed bed reactor configuration was chosen due to ease of operation.
The regenerability test of the saturated CuO/-Al2O3 adsorbent was performed to
restore the SO2 adsorbing capability of the adsorbent (Topic-2). CuO/-Al2O3
adsorbent used correspond to the adsorbent with the best performance according to the experimental results from Topic-1. The regeneration method of saturated CuO/-Al2O3 adsorbent used was the thermal decomposition method as this
method does not necessitates the extra cost incurred in the purchase of reductant and this method also does not necessitates Cu oxidation after regeneration. The regeneration of CuO/-Al2O3 adsorbent was performed at 500, 600 and 700C,
with air flowrate of 1, 2 and 3 mL/s with the regeneration time of 20, 40 and 60 minutes. The adsorption-regeneration cycle repeated for 10 times. The characterization of CuO/-Al2O3 adsorbent used involves pore characteristics and
crystal types formed on the adsorbent that has went through the repeated process of adsorption-regeneration with the aim of strengthening the analysis of the effect of regeneration on adsorbent performance.
vii
Experiments in the topic-1 and topic-2 used model gas in the form of SO2 gas
mixture and moisture-free air with concentrations of 4600 s.d 21,000 ppmv or 13,150 s.d 60,000 mg/Nm3. The feed gas flow rate of 1.4 s.d 1.8 mL/sec or 84 s.d 108 mL/min and the amount of the initial adsorbent was 0.4 g and 1 g. In experimental topic-3, SO2 concentration of model gas near SO2 concentration
real from coal combustion with sulfur content of about 1% weight (air dry base), that is 680 ppmv or 2500 mg/Nm3. The feed gas flow rate on experiment in topic-3 is 1.21 L/min.
Performance of the CuO/-Al2O3 adsorbent was examined from the SO2
concentration progress in the reactor outlet gas or the breakthrough curve. The appropriate model and kinetic parameters can be applied to predict the breakthrough curve in the SO2 adsorption process using the CuO/-Al2O3
adsorbent. The target of this research (topic-3) is to interpret the experimental result obtained from SO2 adsorption using CuO/-Al2O3 adsorbent using the
model developed by previous researcher in which the experimental condition was similar but the SO2 concentration was much lower. The result of the study are the
parameters of the model such as the overall reaction rate constant (kr), CuO
consumption rate constant (kd), activation energy (Ea) and collision factor (A).
Copper metal concentration significantly affects the pore structure (specific surface area and pore volume) of the CuO/-Al2O3 adsorbent. The adsorption
capacity of SO2 during saturation increases with the Cu metal concentration up to
Cu metal concentration of 8%, and the adsorption capacity of the SO2 adsorbed
falls when the Cu metal concentration is more than 8%w of the adsorbent. The process temperature affects the adsorption capacity of the adsorbent. The length of time required for the adsorbent to achieve saturated condition increases with increase in the process temperature and tends to be the same at varying Cu concentration.
Regeneration with thermal decomposition can significantly regenerate the saturated CuO/-Al2O3 adsorbent. Regeneration of the saturated CuO/-Al2O3
adsorbent at temperature of 600C results in the highest avarage adsorption capacity up to the 10th adsorption-regeneration cycle. The SO2 adsorption
capacity of the used adsorbent at all temperature tends to decrease up to the 10th adsorption-regeneration cycle with the largest drop on the adsorbent that was regenerated at 500C. The adsorbent regeneration by thermal decomposition especially at regeneration temperature of 500C cannot restore the pore structure of the used adsorbent to initial condition and this indicates the presence of CuSO4
compounds or Al2(SO4)3 compounds that has yet to be decomposed. Al2(SO4)3
compounds formed on the 8Cu adsorbent regenerated at 500C on the adsorption-regeneration cycle of about 10 times, The regeneration of adsorbent at 700C up to the adsorption-regeneration cycle of 10 times affects the change in pore structure of the 8 Cu adsorbent and this indicates that there was change in the adsorbent pore structure.
viii The model 𝐶𝐶𝐴,𝑜 𝐴,𝑖 = 𝑒𝑥𝑝 [− 𝑉 𝑄𝑘𝑟𝑒𝑥𝑝(−𝑘𝑑𝑡)] with 𝑘𝑟 = 27.862 𝑒𝑥𝑝(− 20,33 𝑅𝑇 ) and
𝑘𝑑 = 0,024 𝑒𝑥𝑝(−6,64𝑅𝑇) is suitable to depict breakthrough curve of SO2
adsorption using the CuO/-Al2O3 adsorbent in fixed bed reactor. Validation of
the model and kinetic modeling parameters at the experiments with the other sum of adsorbents (2 and 4 grams) give yield satisfactory results. The model and kinetic modeling parameters mentioned can be used to predict the breakthrough curve of the SO2 adsorption using CuO/-Al2O3 adsorbent in a fixed bed reactor at
lower SO2 concentration in the feed that is 2500 mg/Nm3 (860 ppm) when the type
of adsorbent, operating condition such as the temperature and pressure are the same.
Keywords: SO2 adsorption, CuO/-Al2O3 adsorbent, adsorbent characterization,
modelling parameters, fixed bed reactor, regeneration, validation
