PEMURNIAN BIOGAS DARI GAS PENGOTOR HIDROGEN SULFIDA (H2S) DENGAN MENGGUNAKAN LIMBAH GRAM BESI HASIL PEMBUBUTAN

Transkripsi

1 TESIS PEMURNIAN BIOGAS DARI GAS PENGOTOR HIDROGEN SULFIDA (H2S) DENGAN MENGGUNAKAN LIMBAH GRAM BESI HASIL PEMBUBUTAN KOMANG METTY TRISNA NEGARA PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2012

2 TESIS PEMURNIAN BIOGAS DARI GAS PENGOTOR HIDROGEN SULFIDA (H2S) DENGAN MENGGUNAKAN LIMBAH GRAM BESI HASIL PEMBUBUTAN KOMANG METTY TRISNA NEGARA NIM PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2012

3 PEMURNIAN BIOGAS DARI GAS PENGOTOR HIDROGEN SULFIDA (H2S) DENGAN MENGGUNAKAN GRAM BESI LIMBAH PEMBUBUTAN Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin Program Pasca Sarjana Universitas Udayana KOMANG METTY TRISNA NEGARA NIM PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2012

4 Lembar Persetujuan Pembimbing TESIS INI TELAH DISETUJUI TANGGAL : Senin/16 April 2012 Pembimbing I, Pembimbing II, Prof.Dr.Tjok.Gd.Tirta Nindhia,ST,MT Dr.Eng Made Sucipta,ST,MT NIP NIP Mengetahui Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pasca Sarjana Universitas Udayana Direktur Program Pasca Sarjana Universitas Udayana Prof.Dr.Ir.I Gusti Bagus Wijaya Kusuma Prof. Dr.dr. A.A. Raka Sudewi, Sp.S (K) NIP NIP

5 Tesis Ini Telah Diuji pada Tanggal : Senin, 16 April 2012 Panitia Penguji Tesis Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana, No : 0622/UN 14.4/HK/2012 Tanggal : 16 April 2012 Ketua : Prof.Dr.Tjok.Gd.Tirta Nindhia,ST,MT Anggota : 1. Dr.Eng Made Sucipta,ST,MT 2. Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kususma 3. I Nyoman Suprapta Winaya, ST.,MASc. PhD 4. I Made Widiyarta, ST.,MSc.,PhD

6 SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT NAMA : KOMANG METTY TRISNA NEGARA NIM : PROGRAM STUDI : PASCA SARJANA TEKNIK MESIN UNIVERSITAS UDAYANA JUDUL TESIS : PEMURNIAN BIOGAS DARI GAS PENGOTOR HIDROGEN SULFIDA (H2S) DENGAN MENGGUNAKAN LIMBAH GRAM BESI HASIL PEMBUBUTAN Dengan ini menyatakan bahwa karya ilmiah Tesis ini bebas plagiat. Apabila di kemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai peraturan Mendiknas RI No.17 Tahun 2010 dan Peraturan Perundang-undangan yang berlaku. Denpasar, 18 April 2011 Yang Membuat Pernyataan (Komang Metty Trisna Negara)

7 Ucapan Terimakasih Puja dan puji syukur penulis panjatkan kehadapan Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul Pemurnian Biogas dari Gas Pengotor Hidrogen Sulfida (H2S) Dengan Menggunakan Limbah Gram Besi Hasil Pembubutan Adapun tujuan dari penulisan tesis ini adalah untuk memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan studi Strata Dua (S2) di Program Pascasarjana Program Magister Teknik Mesin Universitas Udayana. Dalam penyusunan tesis ini, penulis mendapatkan banyak bimbingan, pengarahan dan bantuan dari berbagai pihak dan melalui kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan tesis ini. Dengan segala kerendahan hati penulis menyadari bahwa dalam tesis ini masih jauh dari sempurna, maka dari itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca untuk lebih menyempurnakan tesis ini. Semoga tesis ini dapat berguna bagi kemajuan teknologi khususnya di bidang energi baru dan terbarukan karena energi yang diperoleh dalam bentuk biogas merupakan salah satu energi yang dapat diperbaharui (Renewable Energy). Denpasar, April 2012 Penulis

8 Abstrak Penelitian ini bertujuan memanfaatkan limbah gram besi dari proses pembubutan untuk digunakan memurnikan biogas dari pengotor gas hydrogen sulfida (H2S) dalam rangka mendukung promosi proses manufaktur dan industri tanpa limbah di dunia. Limbah gram besi dikumpulkan dan dipilih yang berbentuk spiral dan panjang. Karena gram besi tersebut masih memiliki tegangan sisa akibat pengerasan regang saat proses pembubutan maka proses pelunakan dilakukan terlebih dahulu sebelum dicetak menjadi billet. Setiap billet berukuran tebal 1 cm dan diameter 6 cm dengan berat 50 gram. Total billet yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebanyak 10 buah dengan berat 500gram. Proses pelunakan dilakukan dengan membakar gram besi sampai berwarna merah menyala dalam tungku. Selama proses ini besi akan beraksi dengan oksigen membentuk besi oksida (Fe2O3) dan jika saat proses oksidasi terdapat uap air maka akan terbentuk iron bog ore Fe(OH)3. Baik Fe2O3 dan Fe(OH)3 sangatlah reaktif terhadap H2S dengan demikian dapat bereaksi dengan H2S yang terdapat dalam biogas. Hasil penelitian menunjukkan limbah gram besi dapat digunakan untuk menurunkan kadar H2S dalam biogas. Gram besi yang sudah digunakan untuk menurunkan H2S dapat digunakan kembali dengan mereaksikan air (H2O) dan oksigen (O2). Tujuannya untuk membersihkan gas pengotor H2S yang menempel pada gram besi ketika proses pemurnian berlangsung. Hasil penelitian menunjukkan gram besi yang telah direaksikan dengan air (H2O) dan oksigen (O2) lebih reaktif digunakan untuk menyerap H2S. Kata kunci: Hidrogen sulfida, Gram besi, Biogas

9 Abstract This research is intended to utilize waste steel chips from the process of turning (process in which lathe machine is used) for purification of biogas from the gas of hydrogen sulfide (H2S) contaminant to support the promotion of zero waste industrial and manufacturing process in the world. The waste of Iron chips is collected and selected. Only long and spiral like of iron chips that are useful for this purpose. Since the chips having residual stress due to strain hardening during turning process, then the annealing process should be done before compacting to form a billet.thethickness of the billet was 1 cm and 6 cm in diameter with weight 500 gram. The annealing proces was carried out by burning the iron chip until reach the red color of fire. During the annealing process the iron inside the steel will react with oxygen to form iron oxide (Fe2O3) and if during oxidation there is a water vapor in the air then the iron bog ore Fe(OH)3 will be formed. Both of Fe2O3 and Fe(OH)3 are very reactive to H2S and therefore able to eliminate the H2S contaminant inside the Biogas. The billet is used as a filter and to be installed in the line of biogas distribution. The result indicate that the the iron chips is potential to be utilized to reduce the H2S contaminant in the biogas. The iron chips which was used to lower the H2S can be reused by reacting water (H2O) and oxygen (O2). The purpose for clean gas polluter H2S that stick to the iron chips when the process of purification lasting. The results showed of iron chips which has reacted with water (H2O) and oxygen (O2) used absorbing more reactive to H2S. Keywords: Hydrogen sulfide, Chips iron, Biogas.

10 RINGKASAN Pemurnian Biogas dari Gas Pengotor Hidrogen Sulfida (H2S) dengan Menggunakan Limbah Gram Besi Hasil Pembubutan. Komang Metty Trisna Negara, Prof.Dr.Tjok.Gd.Tirta Nindhia,ST,MT pembimbing I, dan Dr.Eng Made Sucipta,ST,MT, Pembimbing II. BAB I PENDAHULUAN, Membahas tentang kenapa pembuatan suatu mekanisme pemurnian biogas dari gas pengotr H2S perlu dilakukan dan sangat penting untuk meningkatkan kwalitas biogas. Didalam mekanisme pemurnian biogas ini metode yang akan digunakan adalah dengan memanfaatkan limbah gram besi hasil pembubutan yang digunakan sebagai penangkap gas H2S dalam biogas. Selain itu juga membahas tentang masalah-masalah yang dirumuskan dan tujuan dari penelitian ini dan manfaat dari penelitian ini. BAB II KAJIAN PUSTAKA, Pada bab ini akan dibahas beberapa penelitian terdahulu yang berkenaan dengan teknologi biogas dan adanya pengotor hidrogen sulfida dalam proses pemurnian biogas. Bab ini digunakan sebagai landasan berfikir dari mulai proses penelitian sampai analisa hasil eksperimen. BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN, Membahas tentang reaksi-reaksi yang digunakan untuk menghilangkan gas H2S dalam biogas dengan mempertimbangkan penggunaan reaksi penyerapan oleh gram besi atau dengan terlebih dahulu mereaksikan gram besi dengan oksigen sehingga terbentuk Fe2O3 atau Fe(OH)3. Konsep penelitian adalah terminologi teknis yang merupakan komponenkomponen dari kerangka teori yang digunakan untuk mengetahui gambaran secara umum tentang sistem pemurnian yang akan dilakukan, ditujukan untuk menjawab dan memecahkan persoalan yaitu penyusunan hipotesis penelitian. Sehingga dalam penelitian ini dapat dibuat suatu konsep penelitian. Berdasarkan kajian pustaka, kerangka, konsep berpikir hasil eksperimen dan analisis-analis yang akan dilakukan nantinya, maka dapat diambil hipotesis penelitian adalah gram besi dari limbah pembubutan yang mengandung besi (Fe) yang dapat dirubah menjadi oksida besi dapat digunakan untuk memurnikan biogas dari gas pengotor hidrogen sulfida (H2S). Serta proses oksidasi yang berasal dari gram besi yang telah menyerap hidrogen sulfida (H2S) dapat digunakan kembali apabila dilakukan proses pembilasan dengan mengalirkan oksigen (O2) yang direndam dalam air (H2O). BAB IV METODE PENELITIAN. Membahas metode penelitian yang dilakukan, yaitu bagaimana menentukan teknik pengambilan sampel. Dimana dalam proses pemurnian biogas ini yang diteliti sebagai langkah awal adalah dengan mengetahui kebutuhan biogas selama 1 bulan yaitu ±300 liter. Data ini diperoleh dari pengamatan langsung dilapangan diukur menggunakan alat volume meter selama 1 bulan yang setiap hari menggunakan biogas untuk mencukupi kebutuhan 1 kepala rumah tangga. Dari data yang diperoleh kemudian digunakan sebagai acuan untuk menghitung jumlah massa gram besi yang telah menjadi Fe2O3 dengan menggunakan teknik perhitungan stoikiometri yang divalidasi dengan pengambilan data secara eksperimental. Untuk mengetahui keefektivan

11 pemurnian biogas dari gas pengotor H2S dengan mengukur kandungan gas H2S sebelum dan sesudah memasuki filter penyaringan, alat yang digunakan untuk mengetahi kandungan gas H2S digunakan alat detektor yang disebut Detector P21 Gas. Setelah gram besi diuji untuk digunakan dalam pemurnian biogas selama ±300 liter kemudian dilakukan proses pembilasan pertama dan kedua dan diamati data efektivitasnya dengan alat ukur yang sama sebelum proses pembilasan yaitu menggunakan Detector P21 Gas. Penentuan berhasil atau tidaknya alat purifikasi ini ditentukan dengan gram besi oksida dapat mengurangi kandungan H2S dalam biogas sebanyak ±300 liter penelitian. Serta penentuan keberhasilan proses setelah pembilasan pertama dan kedua juga dilihat dari penurunan kandungan H2S dalam biogas setelah dipurifikasi. BAB V HASIL PENELITIAN, Membahas tentang proses pembilasan alat purifikasi, bagaimana hasil endapan alat purifikasi, kalibrasi alat ukurr yang digunakan untuk mengukur kandungan H2S dalam biogas serta perhitungan penelitian yang selanjutnya ditampilkan dalam lembar lampiran. BAB VI PEMBAHASAN, dari perhitungan hasil penelitian yang diperoleh selanjutnya dianalisa hasil penelitian berupa tampilan grafik dan pembahasannya. Sebelum proses pembilasan terlihat nilai tertinggi pada volume 80 liter terjadi penurunan 75,9 ppm atau dalam persentase 93,59 % dan penurunan terendah pada volume 250 liter yaitu 13,6 ppm atau dalam persentase 14,80 %. Setelah proses pembilasan pertama terlihat nilai tertinggi pada volume 40 liter terjadi penurunan 84,2 ppm atau dalam persentase 94 % dan penurunan terendah pada volume 300 liter yaitu 44,9 ppm atau dalam persentase 69 %. Dan proses pembilasan kedua terlihat nilai tertinggi pada volume 70 liter terjadi penurunan 79 ppm atau dalam persentase 88 % dan penurunan terendah pada volume 300 liter yaitu 26,7 ppm atau dalam persentase 29 %. BAB VI PENUTUP DAN SARAN, Gram besi dapat digunakan sebagai bahan yang efektif untuk memurnikan biogas dari pengotor gas H2S. Gram besi yang sudah digunakan untuk menangkap H2S dapat digunakan kembali dengan merendam dalam air (H2O) yang dialirkan oksigen (O2). Tujuannya untuk membersihkan gas pengotor H2S yang menempel pada gram besi ketika proses pemurnian berlangsung. Hasil penelitian menunjukkan gram besi yang telah direndam dengan air (H2O) dan dialirkan oksigen (O2) lebih reaktif digunakan untuk menyerap H2S. Namun setelah dilakukan proses pembilasan kedua dengan proses yang sama seperti pembilasan pertama hasilnya lebih rendah dibandingkan proses pembilasan pertama maupun sebelum dibilas. Untuk memenuhi kebutuhan masyarakat akan konsumsi bahan bakar biogas sebanyak 300 liter volume biogas membutuhkan 500 gram massa gram besi, dibuat dalam bentuk bilet yang telah diberi perlakuan. Adapun saran yang dibahas adalah perlu diteliti lebih lanjut perbedaan efektivitas alat purifikasi biogas apabila digunakan pada biogas dengan kotoran hewan yang berbeda misalnya babi karena pada penelitian ini menggunakan biogas dengan kotoran sapi. Sebagai penelitian selanjutnya diharapkan adanya penggunaan pemanfaatan alat purifikasi yang lebih beragam, penggunaan gram besi mampu seminimal mungkin misalnya kurang dari 500 gram massa gram besi yang digunakan. Sehingga kedepannyta alat purifikasi ini diharapkan akan sangat membantu masyarakat.

12 DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL LUAR.... LEMBAR JUDUL DALAM... LEMBAR PRASYARAT GELAR MAGISTER... LEMBAR PERSETUJUAN PEMBIMBING... LEMBAR PENETAPAN PANITIA PENGUJI... SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT... UCAPAN TERIMAKASIH... ABSTRAK... ABSTRACT... RINGKASAN... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR ARTI LAMBANG, SINGKATAN DAN ISTILAH... DAFTAR LAMPIRAN... i ii iii iv v vi vii viii ix x xii xv xviii xix xx BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Tujuan Umum Tujuan Khusus Manfaat Penelitian... 8

13 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Pengertian Biogas Proses Terbentuknya Biogas Jenis Reaktor Biogas Pemurnian dan Proses Penyimpanan Biogas Reaksi Oksidasi Besi Oksida dengan Oksigen dan Air Proses Terdahulu Pemurnian Gas Pada Biogas Pemurnian Dengan Mereaksikan Fe2O Pemurnian Dengan Mereaksikan O Pemurnian Dengan Melewatkan H2S Dalam Air Pemurnian Dengan Melarutkan NaOH BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP, DAN HIPOTESIS PENELITIAN 3.1 Kerangka Berpikir Konsep Penelitian Hipotesis Penelitian BAB IV METODE PENELITIAN 4.1 Rancangan Penelitian Lokasi dan Waktu Penelitian Penentuan Sumber Data Variabel Penelitian Bahan Penelitian... 40

14 4.6 Instrumen Penelitian Prosedur Penelitian Analisis Data Pengujian BAB V HASIL PENELITIAN 5.1 Proses Pembilasan Alat Purifikasi Hasil Endapan Alat Purifikasi Kalibrasi Alat Ukur Hasil Penelitian BAB VI PEMBAHASAN 6.1 Grafik Penurunan Kadar H2S Pada Proses Pemurnian Biogas Grafik Penurunan Kadar H2S Pada Proses Pengulangan Grafik Proses Penurunan Biogas dari Gas Pengotor H2S vs Proses Pengulangan Biogas dari Gas Pengotor H2S BAB VII SIMPULAN DAN SARAN 7.1 Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

15 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema reaktor biogas untuk kotoran hewan jenis fixed dome (kiri) dan floating dome (kanan) Gambar 2.2 Penampang potongan tipe fixed dome dan floating dome Gambar 2.3 Gambar nyata fixed and floating dome type serta kantong gas.. 17 Gambar 2.4 Teknik memurnikan gas dari H2S dengan mereaksikan dengan Fe2O Gambar 2.5 Mekanisme pemurnian gas dari pengotor H2S dengan media penyaring terbuat dari Fe2O3 dengan pengikat tanah diatom Gambar 2.6 Teknik memurnikan gas dari pengotor H2S dengan mereaksikan terlebih dahulu dengan O2, mereaksikan dengan SO2, selanjutnya mengendapkan belerang dalam air.. 24 Gambar 2.7 Pemurnian Gas dari pengotor H2S dengan mereaksikan langsung dengan SO Gambar 2.8 Pemurnian gas dari pengotor H2S dengan mereaksikan dengan O2, menggunakan karbon aktif untuk menyerap belerang hasil reaksi Gambar 2.9 Pemurnian air dari kandungan H2S.. 28 Gambar 2.10 Pemurnian gas dari kandungan pengotor H2S dan CO2 secara bersamaan dengan melarutkan dalan NaOH... 29

16 Gambar 3.1 Reaksi berulang memanfaatkan besi (III) hidroksida dan besi (III) oksida untuk menyerap H2S. Udara dan air direaksikan untuk membersihkan dari sulfur yang ditangkap dalam biogas 31 Gambar 4.1 Gambar rangkaian yang digunakan untuk proses pemurnian biogas dari gas H2S dengan massa bilet besi oksida 500 gram dan proses pengulangan pemurnian gas H2S.. 39 Gambar 4.2. Diagram alir (flow chart) rancangan penelitian sistem pemurnian biogas. 50 Gambar 5.1 Proses Pembersihan Pertama Gambar 5.2 Proses Pembersihan Kedua Gambar 5.3 Proses Pembersihan Ketiga Gambar 5.4 Alat Penghasil Oksigen Gambar 5.5a. Endapan proses pembersihan pertama Gambar 5.5b. Endapan proses pembersihan kedua Gambar 5.6a. Endapan proses pembersihan pertama ketika ditimbang Gambar 5.6b. Endapan proses pembersihan kedua ketika ditimbang Gambar 5.7 Bilet gram besi setelah proses pembersihan ketika ditimbang Gambar 5.8 Lasser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Gambar 5.9 Hasil Endapan Seluruh Proses Pembilasan Be,Ca,Cr,Fe,S Gambar 5.10 Hasil Endapan Seluruh Proses Pembilasan H dan O Gambar 5.11 Pengukuran H2S dengan Alat Ukur Gas Alert Micro Clip XT dan PGas-21 Portable Gas Detector Gambar 5.12 Pengukuran H2S Kedua Gambar 5.13 Pengukuran H2S Ketiga Gambar 5.14 Pengukuran H2S Keempat... 60

17 Gambar 6.1 Grafik penurunan kadar H2S (inlet-outlet) sebelum proses pembilasan pada proses pemurnian biogas.. 62 Gambar 6.2. Grafik persentase penurunan kadar H2S (inlet-outlet) sebelum proses pembilasan pada proses pemurnian biogas Gambar 6.3. Grafik penurunan kadar H2S (inlet-outlet) setelah proses pembilasan pertama dan kedua pada proses pemurnian biogas.. 64 Gambar 6.4. Grafik persentase penurunan kadar H2S (inlet-outlet) setelah proses pembilasan pertama dan kedua pada proses pemurnian biogas Gambar 6.5 Bilet gram besi setelah proses pengulangan pemurnian biogas. 67 Gambar 6.6. Grafik penurunan kadar H2S (inlet-outlet) sebelum proses Pembilasan, setelah proses pembilasan pertama dan kedua pada proses pemurnian biogas Gambar 6.7. Grafik persentase penurunan kadar H2S (inlet-outlet) sebelum proses pembilasan, setelah proses pembilasan pertama dan kedua pada proses pemurnian biogas... 68

18 DAFTAR TABEL Tabel 1 Komposisi Biogas... 9 Tabel 2 Alokasi Waktu Penelitian Pemurnia Biogas Tabel 3 Desain Eksperimen Tabel 4 Instrumen Penelitian Tabel 5 Proses Pembuatan Bilet Gram Besi menjadi Besi Oksida Tabel 6 Komponen biogas di desa Penyabangan... 47

19 DAFTAR ARTI LAMBANG, SINGKATAN DAN ISTILAH Fe2O3 Fe(OH)3 Fe2S3 H2O O2 S Ppm = Besi Oksida = Besi Hidroksida = Besi Sulfida = Air = Oksigen = Sulphur = Satuan Gas Part Per Million

20 DAFTAR LAMPIRAN 1. Hasil penelitian proses pemurnian biogas dari gas H2S dengan massa bilet 500gram. 2. Hasil penelitian proses penurunan biogas dari Gas H2S pada proses pembilasan pertama dengan massa bilet besi oksida 500 gram. 3. Hasil penelitian proses penurunan biogas dari Gas H2S pada proses pembilasan kedua dengan massa bilet besi oksida 500 gram. 4. Hasil Perhitungan Proses penurunan biogas dari gas H2S dengan massa bilet besi oksida 500 gram. 5. Hasil Perhitungan Proses penurunan biogas dari Gas H2S pada proses pembilasan pertama dengan massa bilet besi oksida 500 gram. 6. Hasil Perhitungan Proses penurunan biogas dari Gas H2S pada proses pembilasan kedua dengan massa bilet besi oksida 500 gram 7. Lembar evaluasi sidang ujian akhir program magister 8. Daftar Pustaka 9. Publikasi