PENGARUH SUHU PIROLISIS DAN JUMLAH KATALIS SILIKA GEL TERHADAP YIELD DAN KUALITAS BAHAN BAKAR CAIR DARI LIMBAH PLASTIK JENIS POLIPROPILENA SKRIPSI

Transkripsi

1 PENGARUH SUHU PIROLISIS DAN JUMLAH KATALIS SILIKA GEL TERHADAP YIELD DAN KUALITAS BAHAN BAKAR CAIR DARI LIMBAH PLASTIK JENIS POLIPROPILENA SKRIPSI Oleh ERLANGGA WICAKSANA DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JANUARI 2016

2 PENGARUH SUHU PIROLISIS DAN JUMLAH KATALIS SILIKA GEL TERHADAP YIELD DAN KUALITAS BAHAN BAKAR CAIR DARI LIMBAH PLASTIK JENIS POLIPROPILENA SKRIPSI Oleh ERLANGGA WICAKSANA SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JANUARI 2016

3 PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul : PENGARUH SUHU PIROLISIS DAN JUMLAH KATALIS SILIKA GEL TERHADAP YIELD DAN KUALITAS BAHAN BAKAR CAIR DARI LIMBAH PLASTIK JENIS POLIPROPILENA yang dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sebelumnya. Demikian pernyataan ini diperbuat, apabila dikemudian hari terbukti bahwa karya ini bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku. Medan, Januari 2016 Erlangga Wicaksana NIM i

4 PENGESAHAN Skripsi dengan judul : PENGARUH SUHU PIROLISIS DAN JUMLAH KATALIS SILIKA GEL TERHADAP YIELD DAN KUALITAS BAHAN BAKAR CAIR DARI LIMBAH PLASTIK JENIS POLIPROPILENA Dibuat untuk melengkapi persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini telah diajukan pada sidang ujian skripsi pada 27 Januari 2016 dan dinyatakan memenuhi syarat/sah sebagai skripsi pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Mengetahui, Medan, Januari 2016 Dosen Pembimbing Dr. Halimatuddahliana, ST, MSc NIP Dosen Penguji I Dosen Penguji II Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi, MS Dr. Ir. Taslim, Msi NIP NIP ii

5 PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu Wata ala atas limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan Skripsi dengan judul Pengaruh Suhu Pirolisis dan Jumlah Katalis Silika Gel terhadap Yield dan Kualitas Bahan Bakar Cair dari Limbah Plastik Jenis Polipropilena, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi gambaran kepada masyarakat bahwa energi dapat dihasilkan dari limbah salah satunya adalah limbah plastik atau polimer sejenis. Hal ini dapat berdampak baik bagi lingkungan ditengah krisis energi yang sedang kita hadapi karena menjadi salah satu solusi pencemaran limbah pastik yang kian meningkat beberapa tahun terakhir. Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada : 1. Dr. Halimatuddahliana, ST, MSc selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan ilmu dan arahan kepada penulis pada penyusunan dan penulisan skripsi ini. 2. Ir. Renita Manurung, M.T selaku Koordinator Penelitian Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 3. Dr. Eng. Ir. Irvan, M.Si selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik,. 4. Prof. Dr. Ir. Turmuzi, MS selaku Dosen Penguji I yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini. 5. Dr. Ir. Taslim, MSi selaku Dosen Penguji II yang telah memberikan kritik dan saran yang membangun dalam penulisan skripsi ini. 6. Dr. Iriany, MSi selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah membimbing penulis dalam hal akademik selama kuliah di Teknik Kimia USU. 7. Seluruh staf Dosen Teknik Kimia USU, yang telah mendidik dan membagikan ilmu kepada penulis selama perkuliahan. iii

6 8. Pegawai Departemen Teknik Kimia USU, yang telah membantu penulis dalam hal administrasi selama perkuliahan. 9. Rio Nazif selaku partner penelitian penulis. 10. Abang dan kakak senior, teman-teman stambuk 2011, dan adik-adik stambuk 2012 hingga 2015 yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna oleh karena itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan. Medan, Januari 2016 Penulis Erlangga Wicaksana iv

7 DEDIKASI Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada keluarga besar penulis atas dukungan dan kasih sayang mereka, terutama kepada orang tua, Ir. Edward Wahab, MSi dan Rosdiana Rangkuti kepada nenek Rohana Oemar, serta adik-adikku Yudhistira Arya dan Laksmitha Auranda v

8 RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Erlangga Wicaksana NIM : Tempat/Tgl. Lahir : Jambi / 18 Oktober 1994 Nama orang tua : Ir. Edward Wahab, MSi Rosdiana Rangkuti Alamat orang tua : Jalan As-Shofa I Komp. Tirta Mas Blok B/10 Kota Pekanbaru - Riau Asal Sekolah SD Islam As-Shofa Pekanbaru, tahun SMP Islam As-Shofa Pekanbaru, tahun SMA Islam As-Shofa Pekanbaru, tahun Pengalaman Organisasi/Kerja : 1. Asisten Laboratorium Mikrobiologi Industri / Bioproses tahun modul Fermentasi Alkohol. 2. Wakil Bendahara Umum Covalen Study Group Periode Anggota Bidang Penelitian dan Pengembangan Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia Periode Anggota Departemen Riset dan Teknologi Pemerintahan Mahasiswa FT USU Periode Sekretaris Umum Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia Periode On Job Training Angkatan I Tahun 2015 di SRO (Smelter Reduction Operation) PT Inalum (Persero) Kuala Tanjung. 7. Anggota Ikatan Mahasiswa Pekanbaru USU Tahun sekarang vi

9 ABSTRAK Beberapa permasalahan besar yang muncul di beberapa negara akibat peningkatan jumlah penduduk yaitu peningkatan volume sampah dan peningkatan konsumsi energi. Penanggulangan sampah plastik dengan landfill dan insinerasi masih meninggalkan efek samping lain seperti polutan. Cadangan sumber energi tidak terbarukan juga sudah menipis untuk memenuhi kebutuhan energi. Proses pirolisis atau cracking sampah plastik dapat menjadi solusi permasalahan ini. Penelitian ini bertujuan untuk mengamati pengaruh suhu proses pirolisis dan jumlah katalis silika gel terhadap yield dan kualitas bahan bakar cair yang dihasilkan dari Plastik Bekas Kemasan Gelas (PBKG) jenis Polipropilena (PP). Suhu proses divariasikan yang dimulai dari suhu 200 C, 250 C, 300 C, dan 350 C. Rasio jumlah bahan baku : jumlah katalis divariasikan dari 10 : 0 (tanpa katalis), 10 : 1, 10 :1,5; 10 : 2, 10 : 2,5, dan 10 : 3. Pirolisis dilakukan selama 2 jam. Rangkaian alat pirolisis terdiri dari reaktor pirolisis, burner / kompor, dan kondensor. Analisis yang dilakukan yaitu analisis densitas / specific gravity / API gravity, viskositas kinematis, karakterisasi GC-MS dan FTIR, dan heating value. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan suhu proses dapat menaikkan yield bahan bakar cair, namun suhu yang sangat tinggi dapat menurunkan yield bahan bakar cair. Penambahan katalis juga dapat menambah yield bahan bakar cair namun dalam jumlah yang banyak akan menurunkan yield bahan bakar cair. Penambahan katalis silika gel memproduksi fraksi bahan bakar C8 C21 lebih banyak dibandingkan tanpa penggunaan katalis silika gel. Yield bahan bakar cair tertinggi didapatkan pada pirolisis suhu 350 C tanpa katalis yaitu 71,064 %. Namun kualitas bahan bakar terbaik didapatkan pada pirolisis suhu 300 C dengan perbandingan jumlah bahan baku dan katalis silika gel 10 : 3. Kata kunci : Sampah Plastik, Pirolisis, Cracking, Katalis Silika Gel, Suhu, Bahan Bakar Cair vii

10 ABSTRACT Several major issues that arise in some countries as a result of increasing population is increase in the volume of waste and energy consumption. Reduction of plastic waste in landfills and incineration are still leaving the other side effects such as pollutants. Non-renewable energy sources supply has also been low to meet energy needs. The process of pyrolysis or cracking plastic waste can be a solution to this problem. This study aims to observe the effect of temperature catalytic pyrolysis process and the amount of silica gel to yield and quality of liquid fuels produced from Polypropylene (PP) Used Plastic Packaging Glass. Temperatures varied process that starts from a temperature of 200 C, 250 C, 300 C and 350 C. Ratio of raw materials and the amount of catalyst was varied from 10: 0 (without catalyst), 10: 1, 10: 1.5; 10: 2, 10: 2.5 and 10: 3. Pyrolysis carried out for 2 hours. Pyrolysis apparatus consists of a pyrolysis reactor, burner, and a condenser. The analysis carried out by an analysis of density/specific gravity/api gravity, kinematic viscosity, characterization of GC-MS and FTIR, and heating value. Raise the temperature of the process can increase the yield of liquid fuels, but the very high temperatures can reduce the yield of liquid fuels. The addition of the silica gel catalyst can also increase the yield of liquid fuels, but in large amounts will decrease the yield of liquid fuel. The addition of silica gel catalysts produce fuel fraction C8 - C21 more than without using silica gel catalyst. The highest yield obtained at pyrolysis temperature of 350 C without a silica gel catalyst that is %. But the best fuel quality obtained at pyrolysis temperature of 300 C with a ratio of the amount of raw materials and silica gel catalyst 10: 3. Keywords: Waste Plastics, Pyrolysis, Cracking, Silica Gel Catalyst, Temperature, Liquid Fuels viii

11 DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i PENGESAHAN UNTUK UJIAN SKRIPSI ii PRAKATA iii DEDIKASI v RIWAYAT HIDUP PENULIS vi ABSTRAK vii ABSTRACT viii DAFTAR ISI ix DAFTAR GAMBAR xiii DAFTAR TABEL xv DAFTAR SINGKATAN xvii DAFTAR SIMBOL xviii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Plastik Pembuatan Plastik Daur Ulang Plastik Plastik Jenis Propilena (PP) Silika Silika Kristalin Silika Amorf Sifat Sifat Reaksi Silika Silika Gel 13 ix

12 2.3 Proses Pirolisis Thermal Cracking Catalytic Cracking Mekanisme Catalytic Cracking Hydro Cracking Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Pirolisis Temperatur Jumlah Katalis Waktu Jenis dan Komposisi Plastik Parameter Kualitas Bahan Bakar Densitas Viskositas Nilai Kalor / Heating Value 24 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Lokasi Penelitian Bahan dan Peralatan Bahan Peralatan Prosedur Penelitian Penyediaan Bahan Baku Utama Proses Pirolisis Polipropilena dari PBKG Penentuan Yield Proses Pirolisis Pengujian Kualitas Bahan Bakar Pirolisis Uji Densitas/ Specific Gravity/ API Gravity Uji Viskositas Kinematik Karakterisasi Fourier Transform Infra-Red (FTIR) Karakterisasi Gas Chromatography Mass Spectroscopy (GC-MS) Analisis Heating Value 31 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Bahan Baku PBKG Jenis PP 32 x

13 4.2 Pengaruh Jumlah Katalis Dan Suhu Pirolisis Terhadap Yield Bahan Bakar Cair Analisis Produk Bahan Bakar Cair Analisis Densitas / Specific Gravity / API Gravity Analisis Viskositas Kinematis Analisis GC-MS Produk Bahan Bakar Cair Analisis FTIR Produk Bahan Bakar Cair Analisis Heating Value Produk Bahan Bakar Cair 48 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 50 DAFTAR PUSTAKA 51 LAMPIRAN 1 DATA BAHAN BAKU 56 LAMPIRAN 2 DATA HASIL PENELITIAN 58 L2.1 Hasil Pirolisis PBKG Jenis PP Tanpa Katalis 58 L2.2 Hasil Pirolisis PBKG Jenis PP dengan Katalis Silika Gel 58 L2.3 Data Yield Produk Bahan Bakar Cair 59 L2.4 Data Hasil Analisis Densitas Bahan Bakar Cair 60 L2.5 Data Hasil Analisis Specific Gravity dan API Gravity 61 L2.6 Data Hasil Analisis Viskositas Kinematik Bahan Bakar Cair 62 LAMPIRAN 3 CONTOH PERHITUNGAN 63 L3.1 Perhitungan Densitas, Specific Gravity, dan API Gravity 63 L3.2 Perhitungan Viskositas Bahan Bakar Cair 63 L3.3 Perhitungan Yield Bahan Bakar Cair 64 LAMPIRAN 4 DOKUMENTASI PENELITIAN 65 L4.1 Bahan Baku PBKG Jenis Polipropilena 65 L4.2 Proses Pirolisis 65 L4.3 Hasil Pirolisis 66 L4.4 Penyaringan Katalis dan Pengotor 66 L4.5 Produk Akhir Bahan Bakar Cair 67 L4.6 Analisis Densitas 67 L4.7 Analisis Viskositas 68 xi

14 LAMPIRAN 5 HASIL ANALISIS PRODUK BAHAN BAKAR CAIR 69 L5.1 Hasil Analisis GC-MS 69 L5.2 Hasil Analisis FTIR 72 xii

15 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Struktur Kristalin dari Sebuah Kristal Silika Tunggal 11 Gambar 2.2 Sketsa Skema Susunan Amorf dalam (a) Padatan Kristalin, (b) Padatan Amorf, dan (c) Gas 12 Gambar 2.3 Struktur Senyawa Silika Gel 13 Gambar 2.4 Perbandingan Yield Produk Cair yang Didapat dari Pemecahan Plastik HDPE secara termal dan dengan Katalis 16 Gambar 2.5 Tahap Pembentukan Ion Karbonium / Karbokation 18 Gambar 2.6 Tahap Interaksi Ion Karbonium dengan Reaktan 18 Gambar 2.7 Tahap Penataan Ion Karbonium Melalui Pemutusan Beta 19 Gambar 2.8 Tahap Pembentukan Katalis Kembali 19 Gambar 2.9 Pengaruh Temperatur dalam Pemecahan Termal Polietilen 20 Gambar 2.10 Yield Cairan, Padatan, dan Gas dari Cracking dengan Katalis FCC 22 Gambar 3.1 Flowchart Penyediaan Bahan Baku Pirolisis 26 Gambar 3.2 Flowchart Rangkaian Peralatan Pirolisis Limbah PBKG 27 Gambar 3.3 Flowchart Prosedur dalam Proses Pirolisis, Yaitu Polipropilena dari PBKG 28 Gambar 4.1 Karakterisasi FTIR PBKG dan PP Murni 32 Gambar 4.2 Struktur Polipropilena 33 Gambar 4.3 Pengaruh Suhu Pirolisis dan Jumlah Katalis terhadap Yield Bahan Bakar Cair pada Suhu Reaksi C 34 Gambar 4.4 Kromatogram Hasil Analisis GC-MS pada Sampel Bahan Bakar Cair (T = 300 C, Perbandingan Bahan Baku : Katalis 10 : 3) 42 Gambar 4.5 Kromatogram Hasil Analisis GC-MS pada Sampel Bahan Bakar Cair (T = 350 C, Tanpa Katalis) 43 Gambar 4.6 Pengaruh Penggunaan Katalis terhadap Distribusi Fraksi Bahan Bakar 45 Gambar 4.7 Spektrum Gelombang Analisis FTIR Produk Bahan Bakar Cair Yang Dihasilkan dari Suhu Pirolisis 350 C Tanpa Katalis 46 Gambar 4.8 Spektrum Gelombang Analisis FTIR Produk Bahan Bakar Cair xiii

16 Yang Dihasilkan dari Suhu Pirolisis 300 C dengan Perbandingan Bahan Baku : Katalis 10 : 3 47 Gambar L1.1 Hasil Spektofotometer FTIR pada PBKG Jenis PP 56 Gambar L4.1 Bahan Baku PBKG Jenis PP 65 Gambar L4.2 Proses Pirolisis 65 Gambar L4.3 Hasil Pirolisis 66 Gambar L4.4 Penyaringan Katalis 66 Gambar L4.5 Bahan Bakar Cair yang dihasilkan dan Penyimpanannya 67 Gambar L4.6 Analisis Densitas 67 Gambar L4.7 Analisis Viskositas 68 Gambar L5.1 Kromatogram Hasil Analisis GC-MS pada Sampel Bahan Bakar Cair (T = 350 C, Tanpa Katalis) 69 Gambar L5.2 Kromatogram Hasil Analisis GC-MS pada Sampel Bahan Bakar Cair (T = 300 C, Perbandingan Bahan Baku : Katalis 10 : 3) 71 Gambar L5.3 Spektrum Gelombang Analisis FTIR Produk Bahan Bakar Cair Yang Dihasilkan dari Suhu Pirolisis 350 C Tanpa Katalis 72 Gambar L5.4 Spektrum Gelombang Analisis FTIR Produk Bahan Bakar Cair Yang Dihasilkan dari Suhu Pirolisis 300 C dengan Perbandingan Bahan Baku : Katalis 10 : 3 73 xiv

17 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Data Temperatur Transisi dan Temperatur Lebur Plastik 7 Tabel 2.2 Konsumsi Plastik Per kapita Beberapa Negara di Dunia 8 Tabel 2.3 Jenis-Jenis Limbah Plastik dan Tanda Daur Ulang 8 Tabel 2.4 Pemilihan Plastik 9 Tabel 2.5 Sifat Umum Polipropilena 10 Tabel 2.6 Reaksi Komponen Halogen dan Silika 13 Tabel 2.7 Perbandingan yield gas, cairan, dan residu dari pemecahan secara termal dan katalitik dari limbah HDPE pada 430 C 16 Tabel 2.8 Kualitas Bahan Bakar Diesel Komersil yang Diizinkan Pemerintah Indonesia 23 Tabel 4.1 Hasil Analisis Densitas, Specific Gravity, dan API Gravity Bahan Bakar Cair Hasil Pirolisis PBKG 38 Tabel 4.2 Hasil Analisis Viskositas Kinematik Bahan Bakar Cair 40 Tabel 4.3 Komponen Senyawa yang Terkandung pada Produk Bahan Bakar Cair (T = 300 C perbandingan PP : Katalis = 10 : 3) 42 Tabel 4.4 Komponen Senyawa yang Terkandung pada Produk Bahan Bakar Cair (T = 350 C Tanpa Katalis) 43 Tabel 4.5 Hasil Analisis FTIR pada Bahan Bakar Cair yang dihasilkan dengan Suhu Pirolisis 350 C Tanpa Katalis 46 Tabel 4.6 Hasil Analisis FTIR pada Bahan Bakar Cair yang dihasilkan dengan Suhu Pirolisis 300 C dengan Perbandingan Jumlah Bahan Baku : Katalis 10 : 3 47 Tabel L1.1 Komposisi Gugus Fungsi Senyawa pada PBKG Jenis PP 56 Tabel L2.1 Hasil Pirolisis PBKG Jenis PP 58 Tabel L2.2 Hasil Pirolisis PBKG Jenis PP dengan Katalis Silika Gel 58 Tabel L2.3 Hasil Yield Bahan Bakar Cair 59 Tabel L2.4 Hasil Analisa Densitas Bahan Bakar Cair 60 Tabel L2.5 Hasil Analisa Specific Gravity dan API Gravity Bahan Bakar Cair 61 Tabel L2.6 Hasil Analisa Viskositas Bahan Bakar Cair 62 xv

18 Tabel L5.1 Komponen Senyawa yang Terkandung pada Produk Bahan Bakar Cair (T = 350 C Tanpa Katalis) 69 Tabel L5.2 Komponen Senyawa yang Terkandung pada Produk Bahan Bakar Cair (T = 300 C perbandingan PP : Katalis = 10 : 3) 71 Tabel L5.3 Hasil Analisis FTIR pada Bahan Bakar Cair yang dihasilkan dengan Suhu Pirolisis 350 C Tanpa Katalis 72 Tabel L5.4 Hasil Analisis FTIR pada Bahan Bakar Cair yang dihasilkan dengan Suhu Pirolisis 300 C dengan Perbandingan Jumlah Bahan Baku : Katalis 10 : 3 73 xvi

19 DAFTAR SINGKATAN API ASTM FCC FTIR GC-MS HDPE LDPE LPG MCM-41 PBKG PET PP PS PVC spgr American Petrolium Institute American Standard Testing Method Fluid Cracking Catalyst Fourier Transform Infra-Red Gas Chromatography Mass Spectofotometry High Density Polyethylene Low Density Polyethylene Liquified Petrolium Gas Mobil Composition of Matter No.41 Plastik Bekas Kemasan Gelas Polyethylene Tereftalate Polypropilene Polystyrene Polyvinyl Chloride Specific Gravity xvii

20 DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Dimensi Derajat Celcius Ω Beban maksimum ohm β Beta - xviii