Model Laju Kinetik Dekomposisi Biomasa Untuk Pembentukan Tar Pada Proses Pirolisis

Transkripsi

1 Model Laju Kinetik Dekomposisi Biomasa Untuk Pembentukan Tar Pada Proses Pirolisis Widya Wijayantia* dan Mega Nur Sasongkob Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jl. Mayjend Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesia a widya_dinata@ub.ac.id, bmegasasongko@ub.ac.id Abstrak Pada proses pirolisis, dekomposisi reaksi biomasa untuk pembentukan produk char telah banyak diteliti. Tetapi penelitian tentang mekanisme pembentukan tar belum banyak dilakukan. Oleh karena itu, penelitian kali ini mengamati tentang laju kinetik dekomposisi biomasa menjadi tar dengan menggunakan 2 model. Selanjutnya, kedua model ini akan divalidasi dengan menggunakan data eksperimen dilakukan pada penelitian ini. Eksperimen dilakukan pada proses pirolisis dengan variasi temperatur antara 250 C hingga 800 C. Adapun mekanisme pembetukan tar diamati dengan melihat laju kinetik perubahan masa tar terbentuk. Sedangkan biomasa dipirolisis adalah kayu mahoni dengan ukuran 150 gram dan berbentuk serbuk. Tar dikondensasi dari furnace pirolisis setelah melalui ice cold trap. Selama proses berlangsung, yaitu selama 3 jam proses pirolisis, perubahan masa dan volume tar terbentuk diukur. Hasil penelitian juga menghasilkan distribusi temperatur pirolisis. Selanjutnya dengan menggunakan persamaan similar dengan persamaan Arrhenius, data-data tersebut digunakan untuk menghitung besarnya konstanta laju kinetik tar (k) kemudian dirumuskan dengan menggunakan 2 model. Dari validasi dilakukan, model laju kinetik tar menjelaskan mekanisme pembentukan tar adalah model laju kinetik kedua. Sehingga dari penelitian ini dapat ditunjukkan bahwa pembentukan tar pada proses pirolisis terjadi melalui 2 tahap, yaitu tahap pertama berada pada range temperatur C dan tahap kedua pada C. Kata kunci : model, laju kinetik, tar, pirolisis cat, plastik, parfum, sabun dan shampo digunakan untuk mengatasi berbagai masalah seperti ketombe, luka kulit, dan psoriasis. Salah satu kendala produksi tar adalah sulitnya mengatur variabel mempengaruhi tar agar lebih efisien serta efektif, sehingga biaya produksi dapat ditekan dan memperoleh kualitas dan kuantitas tar diharapkan. Salah satu variabel mempengaruhi produksi tar itu sendiri adalah temperatur pirolisis sehingga dapat diketahui seberapa besar panas dibutuhkan agar tidak terjadi kekurangan atau kelebihan energi dalam proses pirolisis ini. Selanjutnya, temperatur digunakan dapat digunakan untuk memprediksi seberapa besar jumlah tar dihasilkan. Parameter menghubungkan antara temperatur digunakan dan kecepatan produksi tar akibat Pendahuluan Tar merupakan salah satu produk pirolisis berwujud cair dihasilkan dari pemanasan biomasa terdekomposisi menjadi uap (volatile). Uap ini kemudian dikondensasikan sehingga terjadi perubahan fase dari uap menjadi cair. Pada dasarnya, tar mengandung air dan bio-oil. Adapun nama lain dari tar adalah pyrolisis oil (pyro-oil), bio-crude oil, wood oil, wood liquids atau liquid smoke. Tar terbentuk dari depolimerisasi dari selulosa, hemiselulosa dan lignin merupakan senyawa biomasa dipirolisis [1]. Selain sebagai bahan dasar bio-oil, tar juga memiliki berbagai kegunaan di sektor industri, mulai dari sebagai insulator bangunan, membuat bangunan tahan air, hingga produksi berbagai macam produk seperti pewarna tekstil, bahan

2 dekomposisi biomasa pada proses pirolisis adalah laju kinetik (kinetic rate) dekomposisi biomasanya. Oleh karena itu kinetik rate perlu dihitung dengan membuat pemodelan dekomposisi biomasa untuk memprediksi produksi tar akibat pengaruh temperatur pirolisisnya. Dalam proses pirolisis, laju kinetik sangat penting untuk mengetahui secara rinci proses terjadi di dalam piroliser atau furnace. Hal ini digunakan untuk mengetahui kecepatan reaksi selama proses berlangsung. Selama proses pirolisis berlangsung terjadi reaksi kimia menjadi hasil reaksi, perubahan zat terjadi selama proses pirolisis dalam satuan waktu. Di dalam pirolisis, reaksi kimia terjadi yaitu diakibatkan dari peningkatan suhu dengan kondisi oksigen minimum sehingga tidak terjadi pembakaran selama proses berlangsung. Untuk mengetahui laju kinetik dari pembentukan tar dapat dirumuskan dengan: Selanjutnya, dilakukan eksperimen menjelaskan hubungan antara temperatur pirolisis dan produksi tar dihasilkan dalam proses pirolisis ini. Dari data eksperimen tersebut akan didapatkan k (konstanta laju kinetik dekomposisi biomasa) sehingga dapat diketahui model matematik pembentukan tar pada proses pirolisis. Dengan melihat proses dekomposisi biomasa, maka dapat dimodelkan laju kinetiknya selanjutnya model tersebut divalidasi kembali dengan data eksperimen. Metode Penelitian Data pada penelitian ini berupa distribusi temperatur pada proses pirolisis dan jumlah masa tar dihasilkan selama proses. Dari data tersebut akan dilakukan pemodelan matematik produksi tar dihasilkan, serta validasi hasil perhitungan model matematik dengan hasil produksi tar pada eksperimen. Adapun instalasi penelitian dapat dilihat pada Gambar 1. Bahan baku biomasa dipakai pada penelitian ini adalah serbuk kayu mahoni. Untuk pengambilan data eksperimen, mula-mula biomasa dimasukkan oven untuk mengurangi kadar air di serbuk kayu tersebut. Kadar air ini diukur dengan menggunakan moisture analyzer hingga kadar air tersisa sekitar 5%. Setelah itu, serbuk kayu dimasukkan ke dalam piroliser dengan berat 150 gram. Gas nitrogen (N2) selanjutnya dialirkan ke dalam piroliser untuk mencegah terjadinya pembakaran.... (1) Dimana f(x) merupakan perbandingan masa tar pada saat tertentu dibanding dengan masa tar awal/akhir proses pirolisis. Selanjutnya, f (X) disubstitusikan pada pers. (1) dan didapatkan... (2) untuk model 1 [1] dan... (3) untuk model 2. Karena dalam penelitian ini proses pirolisis dipengaruhi oleh temperaturnya, maka konstanta laju kinetik menggunakan persamaan similar dengan persamaan Arhenius [2-8] yaitu: Keterangan gambar : (1) Tabung Gas N2, (2) Pressure Gauge N2, (3) Flowmeter Gas N2, (4) Katub Gas N2, (5) Heater, (6) Piroliser, (7) Thermocouple, (8) Pengontrol temperatur, (9) Gelas ukur, (10) Katub gas hasil pirolisis, dan (11) Flow meter hasil gas buang. Gambar 1. Instalasi Penelitian... (4)

3 Setelah tahap persiapan selesai dilakukan, proses pirolisis dijalankan dengan mengatur temperatur pirolisis sebesar 250 C, 350 C, 400 C, 450 C, 500 C, 600 C, 700 C dan 800 C berlangsung selama 3 jam pada setiap variasi temperatur pirolisis. Pengaturan temperatur pirolisis tersebut dilakukan dengan menggunakan pengontrol temperatur. Selama proses, pembentukan tar terkondensasi pada gelas ukur diamati dengan mencatat perubahan volume tar dihasilkan. Adapun massa tar terbentuk diukur dengan menimbang gelas ukur setelah proses selesai. Perubahan masa selama proses dilakukan dengan mempertimbangkan densitas pada setiap perubahan temperatur dan volume dihasilkan. Produksi masa tar inilah nanti digunakan untuk mencari nilai konstanta laju kinetik berikut pemodelan matematiknya. Gambar 3. Distribusi temperatur pada temperature pirolisis 700 C Gambar 2 menjelaskan hubungan dirumuskan pada pers. (1). Karena proses pirolisis sangat dipengaruhi oleh temperaturnya, maka dengn menggunakan persamaan similar dengan persamaan Arrhenius yaitu pers. (4), maka hubungan antara k (konstanta laju kinetik dekomposisi biomasa) dan T (temperatur pirolisis) dapat dinyatakan dengan Arrhenius plot pada Gambar 4 dan 5. Pada Gambar 4, Arrhenius plot menjelaskan model pertama yaitu laju kinetik dekomposisi dinyatakan dengan satu tahap, artinya dekomposisi biomasa menjadi tar berjalan dengan satu tahap. Sehingga, hanya ada satu konstanta laju kinetik (k) pada persamaan pembentukan tar sepanjang proses. Selain itu, perbandingan f(x) dinyatakan dengan perbandingan masa saat tertentu dengan masa awal pembentukan tar. Hasil dan Pembahasan Hasil didapatkan pada penelitian ini adalah distribusi temperatur pada tiap-tiap variasi temperatur pirolisis ditunjukkan oleh Gambar 2. Bersamaan dengan distribusi temperatur dimonitor sepanjang proses, pembentukan tar juga diukur dan digrafikkan pada Gambar 3. Gambar 2. Masa tar yield pada temperatur pirolisis T = 700 C Gambar 4. Arrhenius plot model 1 Adapun model kedua dijelaskan oleh Gambar 5, dekomposisi biomasa dilakukan dengan didasarkan pada dekomposisi masingmasing senyawa penyusun biomasanya. Pada

4 model kedua ini, dekomposisi pada proses pirolisis terjadi dengan 2 tahap, yaitu di tahap pertama, proses dekomposisi biomasa terjadi karena adanya proses evaporasi bersamaan dengan proses dekomposisi selulose dan hemicelulose (senyawa penyusun biomasa bersifat softwood), sedangkan tahap kedua adalah dekomposisi atas senyawa ligninnya (senyawa hardwood). Untuk model kedua ini, dekomposisi tahap pertama terjadi pada suhu rendah. Sedangkan dekomposisi pada tahap kedua terjadi pada suhu cukup tinggi, karena dibutuhkan temperatur cukup tinggi untuk dapat untuk dapat mendekomposisi lignin. Sedangkan perbandingan f(x)-nya dinyatakan dengan perbandingan antara masa tar pada saat tertentu denga masa tar di akhir proses. Setelah didapatkan nilai k pada masingmasing model, langkah selanjutnya adalah memvalidasi data ekperimen pembentukan tar yield dengan data pembentukan tar hasil perhitungan model matematik pada model 1 dan model 2. Pada Gambar 4, Arrhenius plot untuk model 1 mendapatkan nilai k tunggal sebesar k = exp( /t) sedangkan Arrhenius plot model 2 digrafikkan pada Gambar 5, nilai k dinyatakan dengan 2 (dua) konstanta laju kinetik pembentukan tar, yaitu k1= (5,77x10-5) exp4782,9/t dan k2=(2,377x10-5)exp5308,5/t menghasilkan 2 (dua) persamaan laju kinetik dekomposisi biomasa menjadi tar. Gambar 6. Pembentukan tar pada temperatur pirolisis 600 C Gambar 6-8 merupakan hasil validasi antara data eksperimen, hasil perhitungan produksi tar dengan menggunakan model 1 dan hasil perhitungan dengan menggunakan model 2, masing-masing pada temperatur pirolisis 600 C, 700 C, dan 800 C. Pada Gambar 6, grafik menunjukkan pembentukan tar pada temperatur pirolisis 600 C. Pada awal proses pirolisis, dari menit pertama hingga menit ke-30, antara data eksperimen pembentukan tar dan hasil perhitungan pembentukan tar dengan menggunakan model 1 menunjukkan hasil mendekati sama. Namun, setelah menit ke-30, hasil perhitungan untuk model 1 menunjukkan perbedaan sangat signifikan. Hal ini terjadi karena pada model 1, perbandingan f(x) ditunjukkan dengan perbandingan antara W(masa tar dicari) dan W0(masa tar pembentukan awal) masing-masing dikurangkan dengan Wmaks(masa tar akhir proses). Disamping itu, model 1 hanya menggunakan nilai k tunggal. Artinya, baik pada temperatur rendah ataupun tinggi, persamaan dekomposisi biomasa untuk menjadi tar dinyatakan dengan satu persamaan. Padahal, kecepatan pembentukan tar pada selang tertentu menunjukkan perbedaan signifikan. Sehingga, setelah menit ke-30, masa tar terbentuk jauh dibawah hasil sesungguhnya. Gambar 5. Arrhenius plot model 2

5 mendekati satu jam proses (menit ke-60), hasil perhitungan pembentukan tar dengan menggunakan model ke-2 ini hampir menyamai hasil eksperimennya. Penyebabnya sama seperti telah dijelaskan pada hasil validasi pada T=600 C ditunjukkan pada Gambar 6, dan pada penelitian sebelumnya [9] dimana laju dekomposisi biomasa menjadi tar terjadi dengan 2 tahap. Selain tahap dekomposisi senyawa penyusun biomasa terjadi 2 tahap, juga adanya secondary reaction terjadi pada suhu tinggi. Hal inilah menjadi dasar, mengapa model ke-2 dinyatakan dengan 2 persamaan laju kinetik untuk dekomposisi biomasa. Gambar 7. Pembentukan tar pada temperatur pirolisis 700 C Sedangkan hasil perhitungan model 2, pembentukan tar terjadi tidak begitu coinside dari awal pirolisis hingga menit 50, tetapi setelah itu, pembentukan tar dihasilkan menunjukkan masa hampir sama. Hal ini disebabkan perbandingan f(x) ditunjukkan dengan perbandingan antara W(masa tar dicari) dan Wmaks (masa tar pembentukan akhir). Sehingga, saat awal proses, hasil validasi menunjukkan perbedaan, sedangkan pada hasil akhir menunjukkan hasil hampir sama. Ditambah lagi, pada model 2 ini, laju kinetik dekomposisi untuk membentuk tar terjadi pada dua tahap terbagi atas persamaan dengan menggunakan k1 pada temperatur rendah (250 C-500 C) dan persamaan dengan menggunakan k2 pada temperatur lanjut (500 C-800 C). Kecenderungan sama juga ditunjukkan pada Gambar 7 dan Gambar 8, mengilustrasikan pembentukan tar pada T=700 C dan T=800 C. Pada hasil perhitungan model 1, saat awal proses pirolisis, yaitu waktu antara menit ke-0 hingga menit ke-30, hasil eksperimen dengan hasil perhitungan menunjukkan produksi masa tar hampir sama. Perbedaan masa tar dihasikan terlihat pada menit-menit selanjutnya, dimana masa tar hasil perhitungan jauh dibawah masa tar hasil eksperimen. Namun, bila hasil produksi tar dihitung dengan menggunakan rumus matematik model ke-2, meskipun hasil tar yield awal pirolisis menunjukkan perbedaan pada masa tar dihasikan, namun saat Gambar 8. Pembentukan tar pada temperatur pirolisis 800 C Untuk Gambar 8, meskipun kecenderungan mempunyai kesamaan pada T=700 C dan T=800 C, namun hasil perhitungan dengan model 2 menunjukkan produk tar melebihi hasil eksperimennya setelah menit ke-60. Hal ini dapat diduga bahwa pada temperatur sangat tinggi (T>800 C), ada produk pirolisis lain, yaitu gas yields terbentuk selain dari dekomposisi biomasa, juga dihasilkan dari tar terdekomposisi menjadi gas, seperti telah diteliti pada penelitian sebelumnya [7], sehingga produksi tar eksperimen lebih kecil daripada hasil perhitungan. Kesimpulan Penelitian ini menghasilkan distribusi temperatur pirolisis dan pembentukan masa tar, didapatkan:

6 Persamaan similar dengan persamaan Arrhenius sehingga dapat dihitung besarnya konstanta laju kinetik dekomposisi biomasa menjadi tar (k) menentukan seberapa besar hasil perhitungan masa tar dihasilkan. dengan mempertimbangkan dekomposisi senyawa biomasa dan perbandingan pembentukan masa tar terhadap masa tar awal/akhir, maka model matematik laju dekomposisi biomasa menjadi tar dirumuskan dengan menggunakan 2 model, yaitu dengan k tunggal untuk model ke-1, dan k ganda (dua nilai k) pada model ke-2. dari validasi dilakukan, model laju kinetik tar menjelaskan mekanisme pembentukan tar serta kesamaan hasil pembentukan tar paling sesuai adalah model ke-2. ditunjukkan bahwa pembentukan tar pada proses pirolisis terjadi melalui 2 tahap. Tahap pertama berada pada range temperatur C dan tahap kedua pada C. Tahapan-tahapan tersebut dinyatakan dengan 2 konstanta laju kinetik pembentukan tar, yaitu k1=(5,77x10-5)exp4782,9/t dan k2=(2,377x10-5)exp5308,5/t menghasilkan 2 persamaan laju kinetik tar. [4] Garima Mishra, et al, Kinetic studies on the pyrolysis of pinewood, Bioresource Technology 182 (2015)Pages [5] Widya Wijayanti, The Physical Properties (Enthalpy and Thermal Conductivity) of Mahogany Wood Induced by Pyrolysis Temperatur Process, Applied Mechanics and Materials, 664 (2014) Pages 215 [7] Wijayanti W, et al, Rule of thumb for simulating biomass pyrolysis in packed bed reactor, 11AIChE AIChE Annual Meeting, Conference Proceedings, Minneapolis, MN; United States (2011) page 7 [8] Capart, R., et al, Assesment of various kinetic models for the pyrolysis of a microgranular cellulose, Thermo ACTA, 4171 (2004) Pages 79 [9] Widya Wijayanti, Char Formation and Gas Products of Woody Biomass Pyrolysis,Energy Procedia, Vol. 32 (2013) Pages Referensi [1] Tanoue K, Wijayanti W, et al, Numerical simulation of the thermal conduction of packed bed of woody biomass particles accompanying volume reduction induced by pyrolysi, Nihon Enerugi Gakkaishi/Journal of the Japan Institute of Energy, Volume 89, Issue 10 (2010) Pages [2] Dengyu Chen, et al, Effects of heating rate on slow pyrolysis behavior, kinetic parameters and products properties of moso bamboo, Bioresource Technology, 169 (2014) Pages [3] Fengtian Bai, et al, Kinetic study on the pyrolysis behavior of Huadian oil shale via non-isothermal thermogravimetric data, Fuel, 146 (2015) Pages