PENGARUH VARIASI TEMPERATUR PIROLISIS CANGKANG KELAPA SAWIT DAN PLASTIK LDPE KATALIS CaO-ZEOLITE
ALAM PADA SIFAT KIMIA PYROLITIC OIL
Maulana Wahyu Ayatullah
Teknik Industri, Universitas Muhammadiyah Luwuk Banggai [email protected]
Info Artikel Abstrak
Riwayat Artikel:
Diterima: 04 September 2023 Diterima dalam bentuk revisi:
29 September 2023
Diteima/publish: 24 Oktober 2023
Pemanfaatan kelapa sawit hampir semua bagianya dapat digunakan, namun berbeda dengan cangkang kelapa sawit yang sering menjadi limbah pabrik. Limbah plastik menjadi masalah yang sampai saat ini masih menjadi kendala khususnya jenis LDPE.
Oleh karena itu pemanfaat limbah cangkang kelapa sawit dan plastik dapat menggunakan metode pirolisis. Penelitian ini bertujuan mengetahui karaktristik dan sifat kimia Pyrolytic-oil dari pirolisis limbah cangkang kelapa sawit dan limbah plastik LDPE berkatalis Calcium Oxsida dan Zeolit. Produk dianalisis yaitu sifat kimia Pyrolytic-Oil. Sifat kimia meliputi nilai kalor, tingkat keasaman dan senyawa penyusun Pyrolytic-Oil. Variasi temperatur yang digunakan yaitu 400℃, 425℃, 450℃, 475℃ dan 500℃
dimana reaktor yang digunakan bertipe Fixed bed. Rasio komposisi bahan baku yaitu cangkang kelapa sawit dan plastik LDPE 1:1 pada 300 gram, katalis kalsium oksida dan Zeolit Alam masing-masing 225 gram. Hasil penelitian menunjukkan semakin tinggi temperatur maka produktivitas Pyrolytic-oil akan semakin tinggi dan menurunnya massa arang dan gas. Nilai keasaman tertinggi pada temperatur 425℃ sebesar 8,50 pH, kimia nilai kalor tertinggi pada temperatur 500℃ yaitu 44,506 MJ/Kg dan kandungan hidrokabron tertinggi pada temperatur 425℃ yaitu 87,98%
sementara kandungan oksigenat tertinggi pada temperatur 400℃
sebesar 33,34%.
Abstract
The utilization of oil palm almost all of its parts can be used, but it is different from the oil palm shell which often becomes factory waste. Plastic waste is a problem that is still an obstacle, especially for the LDPE type. Therefore, the utilization of palm shells and plastic waste can use the pyrolysis method. This study aims to determine the characteristics and chemical properties of Pyrolytic-oil from the pyrolysis of palm oil shell waste and LDPE plastic waste catalyzed by Calcium Oxide and Zeolite. The product analyzed is the chemical nature of Pyrolytic-Oil. Chemical properties include calorific value, level of acidity and the constituent compounds of Pyrolytic-Oil. Variations temperature of 400 ℃, 425 ℃, 450 ℃, 475 ℃ and 500 ℃ which the reactor used is Fixed bed type. The ratio of the composition of the raw materials, namely palm shells and LDPE plastic 1:1 at 300 grams, calcium oxide catalyst and Natural Zeolite each 225 grams. The results of this research show that the higher the temperature the higher the productivity of Pyrolytic-oil is and the decrease of charcoal and gas mass. The highest acidity at the Temperature of 425 Kata Kunci: Pirolisis,
Cangkang kelapa sawit, LDPE.
Keywords: Pyrolyis, Palm shell kernel, LDPE
℃ equals 8,50 pH the chemical properties, the highest heating value at 500 ℃ Temperature is 44,506 MJ / Kg and the highest hydrocarbons content at the temperature of 425
℃ is 87,98% while the highest oxygenate content at the temperature of 400 ℃ equals 33,34%.
http://dx.doi.org/10.31602/al-jazari.v8i2.12424
@UNISKA 2023. Diterbitkan oleh UPT Publikasi dan Pengelolaan Jurnal
Jurnal Al Jazari is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License
PENDAHULUAN
Indonesia sebagai negara penghasil minyak sawit mampu memproduksi minyak kelapa sawit sebesar 41,98 juta ton per tahun pada 2017. Tingginya produk limbah yang dihasilkan, namun hanya sebesar 5% yang dapat dikonversi menjadi energi terbarukan [1]. Sama halnya limbah plastik jenis low density polyethylene yang tinggi masih menjadi kendala. Kandungan polimer pada cangkang kelapa sawit yaitu 18,26 MJ/kg dan LDPE sebesar 46,4 MJ/kg. Tinggi kandungan polimer yang dihasilkan pada kedua jenis limbah tersebut dapat dikonversi menjadi energi terbarukan menggunakan proses pirolisis [2].
Katalis merupakan suatu zat untuk mempercepat laju rekasi pada temperatur tertentu tanpa mengalami perubahan fisik.
Penggunaan kalsium oksida (CaO) sebagai katalis berguna menreduksi pembentukan senyawa asam dan membantu pembentukan senyawa karbon yang ditingkatkan menjadi ikatan rangkap karbon dan panjang [3].
Penggunaan zeolite pada katalis dalam proses pirolisis berfungsi sebagai pemecah senyawa besar menjadi lebih kecil dalam poros permukaan. Struktur poros internal pada zeolit berfungsi sebagai saluran yang berfungsi menseleksi gerakan senyawa sehingga terjadi pemecahan senyawa.
Termal cracking pada proses katalis terjadi
pada permukaan luar katalis zeolite.
Degradasi senyawa pada zeolit terjadi pada pori-pori internal kecil Selama proses katalitik , zeolit mengurangi pembentukan asam karboksilat [4][5].
Pirolisis merupakan proses termal terjadi dalam ketiadaan oksigen, berbeda dengan pembakaran (Combustion). Pirolisis, oksidasi dan hidrogenisasi merupakan tahap dalam proses pirolisis. Proses termal pada pirolisi mengubah bentuk komposisi biomassa menjadi produk gas, cairan (minyak), dan padat (arang) melalui pemanasan secara cepat diatas temperatur 300 – 400oC. Senyawa molekul hidrokarbon besar pada biomassa dipecah menjadi molekul-molekul kecil. [6]. Konversi energi biomassa dengan metode pirolisis dalam produk akhir pirolisis diklasfikasikan menjadi gas, padat, dan cair. Produk pertama yang terbentuk adalah gas, produk gas kemudian terbagi menjadi gas yang dapat terkondensasi menjadi produk cair dan gas yang tidak dapat terkodensasi (CO, CO2, H2
dan CH4). Pada produk padat atau arang akan mengendap pada reactor atau ruang bakar setelah proses pirolisis selesai
Pirolisis tidak lepas dari pengaruh temperatur, pirolisis dapat terjadi pada temperatur relatif rendah yaitu 300℃
sampai dengan 650℃. Temperatur pirolisis dapat mempengaruhi kandungan senyawa
yang dihasilkan [7]. Pelepasan berbagai gas produk berubah-ubah menyesesuaikan dengan titik temperatur degradasi senyawa.
Pentingnya pengaruh temperatur pada proses pirolisis, dimana menjaga variasi temperatur dalam keadaan tetap konstan.
Oleh karena itu dirasanya penting untuk mempelajari pengaruh variasi temperatur dalam keadaan konstan pada sifat kimia produk pyrolytic-oil [8].
METODE PENELITIAN
Bahan utama yang digunakan yaitu limbah cangkang kelapa sawit dan plastik low density polyethylene dengan katalis sebanyak 75% dari total massa bahan utama.
Pengujian dilakukan sebanyak 2 kali pada masing-masing variasi guna mendapatkan validasi pengujian. Variasi temperatur dilakukan dengan komposisi rasio bahan yang sama, dapat dilihat pada tabel 1 dibawah ini.
Tabel 1. Variasi temperatur dan rasio bahan. Tria
l No.
T (oC
)
Shel l
(gr)
LDP E
(gr) Ca O
(gr)
Zeolit e
(gr) 1 400 300 300 225 225 2 425 300 300 225 225 3 450 300 300 225 225 4 475 300 300 225 225 5 500 300 300 225 225
Alat utama pengujian menggunakan tipe reaktor fixed bed yang meliputi beberapa proses yaitu kontoler, heater, tungku, kondensor, desain alat terlampir pada gambar 1 dibawah ini.
Gambar 1. Alat utama pirolisis.
Sumber: Koleksi Pribadi
Proses pengujian produk pirolisis berupa pyrolytic-oil dilakukan uji nilai keasaman, nilai kalor dan kandungan senyawa. Pengujian nilai keasaman menggunakan pen type pH meter 009(1)A dengan suhu normal 26oC – 29oC menggunakan sebanyak 100 ml pyrolytic- oil. Proses pengujian nilai kalor menggunakan bomb calorimeter dengan seri 6050 compensated jacket calorimeter, sebanyak 0,7 gram pyrolytic-oil dan pengujian dilakukan sebanyak 2 kali pada masing-masing variasi. Sementara pengujian kandungan senyawa menggunakan mesin GC-MS (Gas chromatography–mass spectrometry). Pada analisis hasil GC-MS dapat dilihat pada gambar 2, masing-masing puncak grafik (peak) merupakan senyawa yang dapat di identifikasi dan kemudian dipisahkan menjadi 2 golongan yaitu golongan hidrokarbon dan oksigenat.
Gambar 2. Cromatogram temperatur 425oC.
Sumber: Koleksi Pribadi
HASIL DAN PEMBAHASAN
1. Pengaruh temperatur terhadap nilai keasaman pyrolytic-oil.
Struktur penyumbang pembentukan senyawa asam utama yaitu pada cangkang
kelapa sawit dimana hemiselulosa, selulosa dan lignin terdekomposisi pada temperatur 350oC. Berikut hasil pengujian nilai keasaman dapat dilihat pada gambar 3 dibawah ini.
Gambar 3. Pengaruh temperatur pada nilai keasaman pyrolytic-oil.
Pada gambar 3 dapat dilihat bahwa 4 dari 5 pyrolytic-oil masuk dalam kategori asam dengan nilai pH dibawah 6,9. Pada temperatur 425oC pyrolytic-oil masuk dalam kategori basa, hal ini disebabkan tingginya senyawa hidrokarbon yang dihasilkan oleh dekomposisi plastik LDPE. Pada temperatur 450oC – 500oC nilai keasaman semakin turun, hal ini disebabkan dekomposisi cangkang kelapa sawit lebih dominan dibandingkan dekomposisi plastik, sehingga pembentukan senyawa oksigenat meningkat.
Dekomposisi cangkang kelapa sawit menghasilkan proses dehidrogenasi dimana muatan lebih pada senyawa hidrogen (H+) sehingga senyawa asam dapat bergerak bebas dan melekat pada rantai karbon atau oksigenat Dehidrogenasi merupakan pelepasan senyawa hidrogen (H+) [9]. Pada variasi temperatur 400oC pelepasan OH- pada hemiselulosa mulai terjadi dalam proses dekomposisi pada temperatur 350oC dan membentuk senyawa basa.
Pada temperatur 450oC – 500oC katalis kalsium oksida merduksi senyawa asam dengan proses netralisasi. Reaksi netralisasi katalis pada temperatur 450oC menghasilkan pemecahan senyawa asam menjadi senyawa kalsium karbonat dan keton. Struktur kerangka dan ukuran pori-pori zeolit bersifat netral dan bermuatan, hal ini mereduksi senyawa asam pada permukaan [10].
2. Pengaruh temperatur terhadap nilai kalor pyrolytic-oil.
Hasil pengujian nilai kalor pyrolytic-oil yang dapat dilihat gambar 4 dibawah ini.
Gambar 4. Nilai kalor HHV pyrolytic-oil.
Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa nilai kalor terbesar pada temperatur 500℃
sebesar 44,506 MJ/Kg. pada Gambar 4 dapat dilihat terjadinya fluktuasi nilai kalor yang mana pada temperatur 500℃ terjadi penurunan sampai temperatur 450℃ yaitu 25,823 MJ/Kg dan kemudian naik kembali pada temperatur 425℃ yaitu sebesar 43,780 MJ/Kg. Dapat ketahui semakin besar nilai kalor pada Pyrolytic-oil maka akan semakin besar energi yang dilepaskan saat proses pembakaran. Tinggi rendahnya nilai kalor juga dipengaruhi persentase senyawa hidrokarbon dan oksigenat.
Dekomposisi plastik LDPE pada temperatur dibawah 400℃ sehingga menghasilkan Pyrolytic-oil kaya akan hidrokarbon pada awal kodensasi.
Temperatur mempengaruhi nilai kalor pada pyrolytic-oil hal ini dilihat pada variasi 425oC dimana pada temperatur ini plastik LDPE terdekomposisi dan membentuk senyawa hidrokarbon yang dapat terkondensasi. Dekomposisi plastik LDPE pada variasi 425oC menghasilkan rantai karbon tunggal atau alkana sebagai reaksi primer. Pada temperatur 475oC – 500oC aktifasi katalis menyebabkan pemecahan senyawa hidrogen (H+) dan membentuk senyawa hidrokarbon. Penurunan nilai kalor pada temperatur 450oC disebabkan rantai karbon pecah akibat reaksi sekunder katalis memutus senyawa karbon dan membentuk rantai tunggal, pendek dan mudah menguap [3]. Reaksi sekunder katalis terjadi
bersamaan dengan dekomposisi hemiselulosa dan membentuk senyawa oksigenat. Pada temperatur 500oC dekomposisi cangkang kelapa sawit dan plastik LDPE secara bersamaan menghasilkan termal cracking senyawa. Hal ini menghasilkan pembentukan senyawa hidrokarbon dengan rantai rangkap.
Aktifasi katalis zeolit pada variasi temperatur 450oC menghasilkan pemecahan senyawa hidrokarbon rantai pendek sehingga produk gas pirolisis tidak dapat terkondensasi. Pada temperatur diatas 450oC proses termal cracking mulai terbentuk, yaitu pemecahan senyawa yang disebabkan temperatur tinggi tanpa adanya gas inert.
Proses termal cracking dengan temperatur membantu proses pembentukan senyawa hidrokarbon rantai rankap alifatik dan siklik.
3. Pengaruh temperatur pada kandungan senyawa pyrolytic-oil.
Proses analisis senyawa pyroltic-oil menggunakan GC-MS dengan sistem ionisasi, dimana pyrolytic-oil dipanasi sampai terjadi penguapan dan membentuk peak atau titik. Senyawa yang dapat dianalisa terbatas pada jenis senyawa dan ikatan senyawa dapat dilihat pada Tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2. Golongan, senyawa dan area pyrolytic-oil
Pada variasi temperatur 400oC lignin dan hemiselulosa pada cangkang kelapa sawit terdekomposisi membentuk senyawa akohol dan keton [11]. Proses pembentukan alkena yaitu dimana rantai tunggal karbon pecah dan akibat termal cracking dan membentuk senyawa baru yaitu alkena rantai karbon rangkap. Reaksi pemecahan senyawa terjadi pada reaksi primer dan sekunder sehingga pembentukan senyawa semakin tinggi dengan berbagai jenis senyawa. Kandungan senyawa hidrokarbon tertinggi terdapat pada variasi temperatur 425oC, hal ini disebabkan kandungan polimer pada plastik LDPE terdekomposisi membentuk senyawa hidrokabron. Semakin tinggi variasi temperatur juga mendorong dekomposisi cangkang kelapa sawit
Variasi temperatur 500oC pembentukan senyawa semakin banyak, hal ini menunjukan semakin tinggi temperatur maka pemecahan senyawa yang disebabkan proses termal cracking juga semakin tinggi.
Temperatur tinggi mendorong dekomposisi kedua material terjadi secara besamaan, namun pada hal ini pembentukan senyawa oksigenat juga terbentuk. Semakin tinggi variasi temperatur maka semakin rendah golongan hirdokarbon dan peningkatan golongan oksigenat yang dapat terkondensasi.
KESIMPULAN
Temperatur mempengaruhi produk pirolisis cangkang kelapa sawit dan plastik LDPE, hal ini dapat dilihat pada nilai keasaman, nilai kalor dan kandungan senyawa. Nilai kalor pyrolytic-oil searah dengan kandungan senyawa hidrokarbon, dimana semakin tinggi kandungan hidrokarbon pada pyrolytic-oil maka nilai kalor yang dihasilkan juga tinggi. Pada variasi temperatur 425oC kandungan senyawa didominasi oleh hidrokarbon sebesar 87,97% dengan nilai kalor 43,780 Mj/Kg. Polimer pada plastik LDPE terdekomposisi pada temperatur 425oC dan membentuk senyawa hidrokarbon yang dapat terdekondensasi. Tingginya kandungan senyawa hidrokarbon pada
pyrolytic-oil juga mendorong nilai keasaman yang dihasilkan yaitu 8,60 pH bersifat basa.
Pemecahan senyawa akibat proses termal cracking membentuk senyawa hidrokarbon dan oksigenat dengan rantai rangkap, hal ini dilihat dari tingginya ikatan alkena yang terbentuk pada variasi temperatur 475oC. Penggunaan katalis berfungsi mereduksi pembentukan senyawa oksigenat pada temperatur tinggi. Reaksi sekunder pada pemecahan senyawa terjadi pada variasi 500oC, sehingga senyawa yang dihasilkan lebih banyak terbentuk.
Cangkang kelapa sawit dan plastik LDPE memiliki temperatur dekomposisi yang berbeda, sehingga mempengaruhi karateristik pyrolytic-oil yang dihasilkan.
.
REFERENSI
[1] E. Hambali and M. Rivai, “The Potential of Palm Oil Waste Biomass in Indonesia in 2020 and 2030,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol.
65, no. 1, 2017, doi: 10.1088/1755- 1315/65/1/012050.
[2] R. P. Liestiono, M. S. Cahyono, W.
Widyawidura, A. Prasetya, and M.
Syamsiro, “Karakteristik Minyak dan Gas Hasil Proses Dekomposisi Termal Plastik Jenis Low Density Polyethylene (LDPE),” J. Offshore Oil, Prod. Facil. Renew. Energy, vol.
1, no. 2, p. 1, 2017, doi:
10.30588/jo.v1i2.288.
[3] Thoharudin, M. Nadjib, T. H. Agung Santosa, Juliansyah, A. Zuniardi, and R. Shihabudin, “Properties of co- pyrolysed palm kernel shell and plastic grocery bag with CaO as catalyst,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol. 209, no. 1, 2018,
doi: 10.1088/1755-
1315/209/1/012041.
[4] X. Lin, Z. Zhang, and Q. Wang,
“Evaluation of zeolite catalysts on product distribution and synergy during wood-plastic composite catalytic pyrolysis,” Energy, vol. 189,
2019, doi:
10.1016/j.energy.2019.116174.
[5] N. Yuda Wardana, N. Caroko, and T.
Thoharudin, “Slow Pyrolysis Mixture Of Palm Shells And Plastics With Natural Zeolite Catalysts,” Teknoin, vol. 22, no. 5, pp. 361–366, 2016.
[6] P. Basu, Pyrolysis and Torrefaction.
2010.
[7] P. Basu, Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction: Practical Design and Theory, Second Edi.
United States of America: Elsevier, 2013.
[8] Y. W. Huang, M. Q. Chen, Q. H. Li, and W. Xing, “A critical evaluation on chemical exergy and its correlation with high heating value for single and multi-component typical plastic wastes,” Energy, vol. 156, pp. 548–
554, 2018, doi:
10.1016/j.energy.2018.05.116.
[9] M. Taufiqurrahman, “Perengkahan Katalitik Limbah Plastik LDPE menjadi Frasi Gasolin Menggunakan Katalis Nikel Terimpregnasi Zeolite Alam,” Universitas Gadjah Mada, 2018.
[10] M. L. A. Aritonang, “Pengaruh Variasi Daya Microwave Oven dan Temperatur Katalitik Pada Proses Pirolisis Limbah Kemasan Aseptik (Tettrapak) Menggunakan Microwave Oven dengan Absorber Karbon Aktif (Cangkang Kelapa),”
Universitas Gadjah Mada, 2020.
[11] E. P. Feofilova and I. S. Mysyakina,
“Lignin: Chemical structure, biodegradation, and practical application (a review),” Appl.
Biochem. Microbiol., vol. 52, no. 6, pp. 573–581, 2016, doi:
10.1134/S0003683816060053.
