LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN PEMULA

Transkripsi

1 LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOSEN PEMULA OPTIMASI KUALITAS PEMBAKARAN BRIKET CHAR PRODUK PYROLYSIS LIMBAH PLASTIK MELALUI PENGKAJIAN ULTIMATE DAN EFEK POROSITAS Tahun ke 1 dari rencana 1 tahun KETUA : Sutoyo, S.Pd.T, M.Eng. NIDN : ANGGOTA : M. Imron Rosyidi, ST.M.Si NIDN : Dibiayai oleh : Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan Sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Penugasan Penelitian Dosen Pemula Bagi Dosen Perguruan Tinggi Swasta Antara Ditjen Dikti dengan Kopertis Wlayah VI Nomor : 054/SP2H/PL/DIT.LITABMAS/VI/2014, tanggal 26 April 2014 Antara Kopertis Wilayah VI dengan Universitas Muhammadiyah Magelang Nomor : 003/SP2H/KL/PENELITIAN/VI/2014, tanggal 6 Juni 2014 UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG NOVEMBER 2014

2

3 ABSTRAK Pengolahan limbah pastik menjadi bahan bakar dalam konsep Waste to Energy merupakan teknologi yang mulai memasyarakat dengan metode pirolisis. Selain bahan bakar cair sebagai produk utama, yang dihasilkan dari metode di atas adalah padatan dan non-condensable gas. Secara umum gas sisa tersebut langsung dibakar, sedangkan padatan dapat diolah menjadi bahan bakar padat (briket char). Untuk mengolah padatan menjadi char (fixed carbon+ash) maka harus dilakukan proses awal untuk menghilangkan moisture dan mereduksi kadar volatile matter. Meskipun volatile merupakan bahan bakar tetapi kadar yang besar mengindikasikan proses pirolisis yang belum baik, selain itu dalam aplikasi pembakaran akan menimbulkan jelaga. Penelitian awal telah menghasilkan data pengujian kualitas pembakaran 8 sampel briket dari 13 sampel char yang diperoleh melalui pyrolysis bahan plastik polyethylene dengan variasi temperatur operasi antara C, serta variasi massa dan jenis katalis Zeolite Y dan Natural Zeolite. Selain itu variasi juga dilakukan dengan pencampuran bahan PE tersebut dengan jenis Polystyrene, Polypropylene, Polyethylene Terephthalate, dan Other. Karakteristik char diketahui melalui proximate test meliputi moisture content, ash, volatile matter, dan fixed carbon, nilai kalor diuji melalui bomb calorimeter. Kualitas pembakaran diuji dalam furnace dengan temperatur dinding ± 230 C dan aliran udara konstan 0,7 m/s, serta diukur kadar emisinya. Permasalahannya adalah dalam aplikasi diketahui bahwa pembakaran briket tidak optimal, ditandai periode pemanasan yang lama, serta kadar CO yang bervariasi. Oleh karena itu perlu dilakukan upaya optimasi kualitas pembakaran yang akan dianalisa melalui pengujian ultimate dan efek porositas. Kata kunci : pirolisis, char, ultimate, proximate, porosity iii

4 Abstract Recycling process of the plastic waste into fuel in the concept of Waste to Energy is a technology that began to popularize the pyrolysis method. In addition to liquid fuels as the main product, which is produced from the above method is solid and non - condensable gases. Generaly, the residual gas is burned directly, while the solids can be processed into solid fuel (char briquettes). To process the solids into a char ( fixed carbon + ash ) then it should be the beginning of a process to remove moisture and reduce levels of volatile matter. Despite a volatile fuel but large levels indicate that the pyrolysis process has not been good, besides the burning application will cause soot. Initial research has resulted in the burning of 8 quality test data sample of 13 samples char briquettes obtained by pyrolysis of polyethylene plastic material with an operating temperature variation between C, as well as mass variations and types of catalysts Zeolite Y and Natural Zeolite. In addition, the variation was also performed by mixing the PE material with the type of Polystyrene, Polypropylene, Polyethylene Terephthalate, and Other. Char characteristics are known through the proximate test include moisture content, ash, volatile matter and fixed carbon, calorific value is tested through the bomb calorimeter. Combustion quality tested in the furnace at a temperature of 230 C ± walls and constant air flow of 0.7 m / s, and the measured emission levels.the problem is in the application note that burning briquettes are not optimized, long heating periods indicated, as well as varying levels of CO. Therefore, it is necessary to the optimization of combustion quality will be analyzed through the ultimate test and the effect of porosity. Keywords : pirolisis, char, ultimate, proximate, porosity iv

5 PRAKATA Penelitian tentang Optimasi Kualitas Pembakaran Briket Char Produk Pyrolysis Limbah Plastik Melalui Pengkajian Ultimate Dan Efek Porositas ini merupakan salah satu kontribusi dalam pelaksanaan Tri Dharma Perguruan Tinggi. Peneliti sebagai seorang dosen dari Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Magelang terdorong untuk memberikan perhatian tentang produk sisa pegolahan limbah plastik, dalam hal ini produk tersebut berupa padatan diolah dan dianalisa menjadi bahan bakar briket. Laporan ini dibuat untuk menunjukkan hasil penelitian berupa data-data yang telah diperoleh. Penelitian ini terkait dengan salah satu metode pengolahan limbah plastik melalui pirolisis, dimana produk utama berupa bahan bakar cair dengan sisa proses berupa padatan yang berpotensi diolah sebagai bahan bakar briket. Potensi sebagai bahan bakar padat itu perlu untuk dikaji melalui uji yang sesuai diantaranya ultimate test, uji nilai kalor, dan proximate test sehingga kelayakannya akan diketahui. Disamping itu penelitian ini juga mencoba melakukan eksperimen terkait efek porositas terhadap kinerja pembakaran. Peneliti menyadari banyak kekurangan dalam penyusunan laporan ini, sehingga saran dan masukan yang konstruktif sangat peneliti harapkan. Magelang, November 2014 Tim Peneliti, v

6 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN SAMPUL HALAMAN PENGESAHAN ABSTRAK ABSTRACT PRAKATA DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR i ii iii iv v vii viii ix BAB 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Perumusan Masalah Batasan Masalah 4 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kajian Pustaka Landasan Teori Char Sebagai Produk Pyrolysis Limbah Plastik Analisa Proximate dan Ultimate Teknologi Briket Karakteristik Pembakaran Briket 15 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian BAB 4. METODE PENELITIAN Lokasi Penelitian Tahapan Penelitian Diagram Alir Penelitian BAB 5. HASIL YANG DICAPAI 5.1 Karakter Char Berdasarkan Proximate Test 24 vi

7 Porositas Dan Sifat Ketahanan Fisik Briket Char Karakteristik Pembakaran Briket Optimasi Pembakaran Briket BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA 47 vii

8 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Kondisi Temperatur Operasi Tabel 2.2. Keseimbangan Massa Produk Pirolisis Tabel 2.3. Hubungan dimensi briket dengan kekuatan briket Tabel 2.4. Karakteristik Biobriquette Tabel 4.1. Variasi perlakuan pada proses pirolisis sampah plastik Tabel 5.1. Data dimensi briket dan nilai Impact Resistance Index Tabel 5.2. Data karakteristik pembakaran briket (char 100% PE) Tabel 5.3. Data karakteristik pembakaran briket (bahan char campuran) viii

9 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Penggunaan plastik di dunia tahun 2007dalam Million tones Gambar 1.2. Bentuk molekul beracun dari Dioxin dan Furan Gambar 2.1. Pengaruh cracking temperature terhadap proporsi produk Gambar 2.2. Sampel char berdasarkan variasi temperature pirolisis Gambar 2.3. Skema batch reactor untuk pirolisis plastik Gambar 2.4. Polimerisasi ethylene Gambar 2.5. Struktur Molekul Polymer Gambar 2.6. Rantai Alkana Gambar 2.7. Rantai alkuna dan alkena Gambar 2.8. Rantai aromatic hydrocarbon Gambar 2.9. Skema alat uji pembakaran briket biomassa Gambar 4.1. Skema batch reactor Gambar 4.2. Langkah pengujian volatile matter Gambar 4.3. Langkah pengujian kadar abu Gambar 4.4. Flow Chart Penelitian Gambar 5.1. Grafik data proximate test untuk bahan PE 100% dengan Gambar 5.2. Grafik pengaruh temperatur reaktor pirolisis terhadap komposisi char yang diukur melalui proximate analysis Gambar 5.3. Grafik pengaruh temperatur reaktor terhadap nilai kalor Char Gambar 5.4. Data proximate test Char dari pirolisis PE berdasarkan treatment Katalis Natural Zeolite Gambar 5.5. Data proximate test Char dari pirolisis PE berdasarkan treatment Katalis Y Zeolite dan Tanpa Katalis Gambar 5.6. Nilai kalor char dari pirolisis 100% PE pada 450 C Gambar 5.7. Data proximate dari char hasil pirolisis bahan campuran Gambar 5.8. Nilai kalor char hasil pirolisis bahan campuran Gambar 5.9. Briket dari Char yang lunak meleleh dalam furnace alat uji Gambar Kondisi uji pembakaran briket dari Char kering ix

10 Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (char 100% PE) Gambar Grafik laju pembakaran (Briket char 100% PE) Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (char,pe-other) Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (char,pe-pp-pet-ps-other) Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (sampel 9 dan 12) Gambar Grafik laju pembakaran (briket dari char pirolisis bahan campuran) Gambar Grafik kadar CO pada emisi pembakaran briket (Char-100%PE) Gambar Grafik kadar SO2 pada emisi pembakaran briket (Char-100%PE) Gambar Grafik kadar CO pada emisi pembakaran briket (Char-Mixed) x

11 BAB 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Limbah plastik merupakan permasalahan serius karena sifatnya nonbiodegradable tidak terurai secara alami oleh mikro organisme serta unsurunsur kimia yang terkandung akan berdampak negatif bagi lingkungan dan makhluk hidup. Selain itu penumpukan limbah yang disebabkan minimalnya sumber daya untuk daur ulang (recycle), keterbatasan tempat pembuangan (landfill), dan perilaku masyarakat untuk membakar limbah plastik secara langsung yang akan menimbulkan emisi berbahaya di udara perlu mendapat perhatian. Gambar 1.1 menunjukkan sebuah data dari Plastics Europe Market Research Group (PEMRG) yang menunjukkan besarnya konsumsi plastik dunia pada tahun 2007 yang lalu. Eropa merupakan pengguna plastik terbesar yaitu mencapai 65 juta ton sedangkan Asia termasuk Indonesia merupakan ketiga yang terbesar yaitu mencapai 42,9 juta ton. Gambar 1.1. Penggunaan plastik di dunia tahun 2007dalam Million tones Sebuah pemikiran yang positif adalah bagaimana cara menangani melimpahnya limbah plastik tersebut secara tepat. Cara-cara konvensional semacam landfilling dan pembakaran (incineration) hanya menimbulkan polusi udara, kontaminasi tanah, serta mahalnya lahan dan biaya pembuangan (Lee, 2012). Kontaminasi di udara (Hester dan Harrison, 1994) 1

12 dapat terbentuk pada berbagai cara tergantung dari jenis perlakuan terhadap sampah. Pembakaran langsung akan menghasilkan kontaminan diantaranya abu terbang (fly-ashes), evaporasi bahan logam, senyawa dari gabungan Chlorin (Cl), Nitrogen (N), Fosfor (F) dan Sulfur (S) serta produk lain dari pembakaran yang tidak sempurna. Beberapa produk berbahaya dari kondisi pembakaran limbah plastik adalah polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated dibenzodioxins (PCDDs), dan polychlorinated dibenzofurans (PCDFs) (Garcia dkk, 2003). Dalam sebuah report yang dikeluarkan oleh Environmental and Safety Services for Environment Australia, Commonwealth (1999) bahwa PCDDs dan PCDFs terbentuk dengan ikatan chlorine pada senyawa aromatik yang memiliki dua rantai benzene. Struktur dari bentuk beracun molekul dioxin dan furan dapat dilihat pada Gambar 1.2, molekul dioxin terikat pada dua atom oksigen sedangkan molekul furan terikat pada satu atom oksigen. Women in Europe for a Common Future (WECF) menyatakan bahwa dioxin bersifat menyebabkan kanker (carcinogenic), mengganggu hormon, menumpuk dan terakumulasi dalam lemak tubuh serta dapat diturunkan oleh ibu secara langsung kepada bayinya melalui placenta. Dioxin juga dapat terkandung dalam tanaman, hasil pertanian, binatang, maupun saluran air yang selanjutnya dikonsumsi oleh manusia. Gambar 1.2. Bentuk molekul beracun dari Dioxin dan Furan Konsep daur ulang plastik (recycling of plastic wastes) selanjutnya merupakan metode yang banyak dipilih oleh karena limbah plastik dianggap 2

13 bahan baku yang murah dan melimpah. Pengolahan menjadi minyak sebagai bahan bakar cair merupakan salah satu cara yang menarik untuk menghasilkan sumber energi sekaligus meningkatkan kualitas penanganan limbah plastik tersebut. Teknik recycle yang populer dalam pengolahan plastik menjadi bahan bakar cair adalah dengan cara pirolisis. Pirolisis merupakan chemical decomposition dan thermal decomposition dari molekul pada kondisi tanpa oksigen (Sharobem, 2010). Produk pirolisis plastik sebenarnya tidak hanya menghasilkan minyak, ada hasil lain yaitu berupa gas yang tak terkondensasi (non-condensable gas), beberapa persen endapan lunak (wax), dan sisanya adalah arang (char). Persentase dari masing-masing produk pirolisis tersebut tergantung oleh beberapa faktor diantaranya temperatur dari reaktor, penggunaan reformer dan jenis katalis. Pemanfaatan pirolisis plastik sampai saat ini lebih diutamakan pada penggunaan produk bahan bakar cairnya untuk diproses lanjut menjadi beberapa jenis bahan bakar minyak (BBM). Pada umumnya hasil sampingan berupa non-condensable gas dan char belum diolah untuk dimanfaatkan dengan baik. Gas-gas tak terkondensasi tersebut sebenarnya masih dapat dimanfaatkan misalnya untuk membantu memanaskan reaktor, atau diproses untuk mendapatkan senyawa-senyawa yang bermanfaat. Begitu juga char yang memiliki kadar karbon tinggi memungkinkan diolah menjadi bahan bakar selain dapat juga digunakan sebagai pupuk (biochar). Jika dibandingkan dengan produk berupa gas, maka char adalah produk yang lebih mudah diolah serta disimpan sebagai cadangan bahan bakar. Dalam proses pirolisis plastik seperti disebutkan pada uraian sebelumnya terdapat beberapa faktor yang berpengaruh terhadap produk yang dihasilkan. Variasi pada pengaturan temperatur reaktor dapat berpengaruh terhadap volume char, gas, dan bahan bakar cair yang dihasilkan. Semakin tinggi temperatur reaktor maka berakibat semakin banyak minyak yang dihasilkan dan sedikit char, tetapi jika temperatur terlalu tinggi maka minyak akan berkurang dan produk gas semakin meningkat. Sebaliknya persentase char dan padatan akan lebih banyak pada temperatur operasi reaktor yang lebih rendah. 3

14 Begitu pula penggunaan katalis yang mempengaruhi karakter dari jenis-jenis senyawa yang terbentuk selama proses. Aplikasi teknik pirolisis ini tentu saja tidak semata-mata ditujukan pada produksi bahan bakar cair yang lebih banyak, akan tetapi potensi yang terkandung pada hasil sampingan juga perlu mendapatkan perhatian. Char adalah hasil yang mudah diproses daripada produk yang berupa gas, meskipun merupakan jumlah yang sangat kecil akan tetapi memiliki potensi untuk diolah lebih lanjut menjadi sumber energi. Kandungan unsur kimia di dalamnya sebagian besar adalah karbon (solid carbon) sehingga sangat memungkinkan untuk mengolahnya ke dalam bentuk bahan bakar padat (briket). Sesuatu yang akan menjadi pertanyaan adalah mengenai performa briket tersebut jika digunakan sebagai bahan bakar. Permasalahannya proses pirolisis yang mungkin dibedakan menurut variasi temperatur dan jenis bahan baku plastiknya yaitu tunggal atau campuran belum diketahui secara jelas pengaruhnya terhadap karakteristik char itu sendiri. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian untuk meneliti karakteristiknya, membuat dan menguji briket char sehingga akan didapatkan data-data yang berguna untuk optimasi pemanfaatan hasil pirolisis terhadap limbah plastik Rumusan Masalah Berdasarkan uraian dari latar belakang penelitian maka yang menjadi rumusan masalah pada penelitian ini adalah; a. Bagaimanakah karakteristik dan porositas dari briket char yang diperoleh dari pirolisis limbah plastik? b. Bagaimanakah cara untuk optimasi kualitas pembakaran dari briket char pada pemanfaatan sebagai bahan bakar? 1.3. Batasan Masalah Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan sehingga briket char yang diuji adalah sesuai dengan bahan baku dari kondisi dan batasan proses pirolisis limbah plastik yang telah dilakukan. 4

15 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Kajian Pustaka Menurut Feng (2010) nilai dari cracking temperature dan residence time sangat signifikan terhadap kadar karbon dan jumlah pembentukan dari char. Cracking temperature adalah temperatur yang harus dicapai sampai plastik mulai pecah strukturnya, sedangkan residence time yaitu dalam metode slow pyrolysis diartikan sebagai durasi waktu dimana plastik mulai dipanaskan sampai dihasilkan produk. Selain itu dalam pirolisis dikenal heating rate yang merupakan laju kenaikan temperatur dari mulai plastik bersinggungan dengan permukaan panas sampai terdekomposisi dan menguap. Berdasarkan heating rate inilah akan diketahui proses yang digunakan termasuk kategori slow pyrolysis atau fast/flash pyrolysis. Gambar 2.1. memperlihatkan bahwa dengan ditambahnya cracking temperature sampai kira-kira 730 C proporsi produk pirolisis berupa gas akan naik, tetapi justru pada temperatur yang sangat tinggi tersebut produk berupa minyak akan menurun jumlahnya. Gambar 2.1. Pengaruh cracking temperature terhadap proporsi produk Faktor lain yang perlu diperhatikan dan dapat mempengaruhi jumlah produksi char adalah jenis plastik sebagai bahan bakunya. Ada sebuah data yang menarik disampaikan dalam sebuah penelitian Jung (2009) bahwa ada 5

16 perbedaan data kaitanya dengan variasi bahan baku terhadap proporsi produk. Berdasarkan kondisi temperatur operasi dan keseimbangan massa yang dapat dilihat pada Tabel 2.1 dan 2.2 maka dapat diketahui perbandingan massa produk akan berbeda-beda di setiap tahapan. Tabel 2.1. Kondisi Temperatur Operasi Tabel 2.2. Keseimbangan Massa Produk Pirolisis Penelitian yang lain tentang briket adalah mengenai hubungan dimensi dengan kekuatan briket. Kekuatan briket ini menjadi penting karena berkaitan dengan kemudahan dan ketahanan agar tidak mudah pecah dalam pengangkutan maupun penggunaannya. Dapat dilihat pada Tabel 2.3. di atas bahwa kekuatan briket dipengaruhi pula oleh rasio antara panjang (length) dan diameternya (dalam sampel jenis cylindrical briquettes). Pada tekanan pengepresan yang sama 310 kg/cm2 maka kekuatan tekanan permukaan 6

17 briket akan semakin naik dengan cara menurunkan rasio antara panjang dengan diameter (Rahman dkk, 1989). Tabel 2.3. Hubungan dimensi briket dengan kekuatan briket 2.2. Landasan Teori Char Sebagai Produk Pyrolysis Limbah Plastik Sebagai suatu bagian dari proses pirolisis plastik, maka sedikit atau banyak akan menyisakan arang pirolisis (char). Persentase jumlah char tersebut sangat ditentukan oleh temperatur dan waktu prosesnya di dalam reaktor. Sebagai contoh pada temperatur operasi 500 C maka jumlahnya akan sangat sedikit dan terlihat lebih kering (Gambar 2.2.a), berbeda jika temperatur diturunkan 400 C maka arang dan padatan akan semakin banyak dan bersifat lebih lunak (Gambar 2.2.b). Pada dasarnya karakteristik produk pirolisis plastik termasuk char dipengaruhi oleh beberapa faktor utama yaitu komposisi kimia dari bahan baku (tergantung jenis plastik yang akan diolah), cracking temperature dan heating rate, jenis reaktor yang digunakan, residence time, dan aplikasi katalis. 7

18 (a) (b) Gambar 2.2. Sampel char berdasarkan variasi temperatur Pada konsep slow pyrolysis dengan skema batch reactor seperti diperlihatkan Gambar 2.3 maka katalis tidak terlalu signifikan pengaruhnya terhadap unsur yang terkandung di dalam char. Katalis yang dimasukkan ke dalam reformer akan lebih berpengaruh pada kondisi minyak, gas, dan kadar wax. Padatan : - Char Bahan baku (PE,PS,PP,PET dll) Reaktor Penyetel Thermokopel Pemanas Listrik Katalis Sumber Listrik Reformer Kondenser Hasil : - Minyak - Gas Gambar 2.3. Skema batch reactor untuk pirolisis plastik Pada analisa bahan baku, plastik jenis PS (polystyrene), PP (polypropylene), dan PE (polyethylene) biasanya tersusun oleh polimer 8

19 hidrokarbon (polymeric hydrocarbon). Sebagai contoh PE terbentuk dari ethylene melalui rantai polimerisasi menjadi polyethylene seperti terlihat pada Gambar 2.4. nncccc 22 CCCC 22 [ CCCC 22 CCCC 22 ] nn Ethylene Polyethylene Gambar 2.4. Polimerisasi ethylene Plastik dapat diklasifikasikan menurut bentuk dari struktur molekul polimernya, yaitu linear, branched, atau cross-linked (Feng, 2010). Bentuk struktur polimer tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.5. Plastik jenis PS memiliki bentuk struktur molekul polimer linear, sedangkan PE lebih bervariasi yaitu ada yang memiliki lebih banyak cabang (branch) dalam strukturnya. Intensitas branch dari suatu polymer akan berpengaruh terhadap densitas dan terkait dengan pirolisis maka akan memberikan efek terhadap hasilnya. Semakin banyak branch maka densitas akan lebih rendah, oleh karena itu untuk branched polyethylene disebut LDPE (Low Density Polyethylene) sedangkan linear polyethylene disebut HDPE (High Density Polyethylene). Gambar 2.5. Struktur Molekul Polymer Selain struktur polimer maka faktor penting dalam analisa pengaruh bahan baku adalah kondisi sampah plastik yang sudah terkontaminasi atau 9

20 karena penambahan zat-zat dalam kemasan semacam pewarna akan menyebabkan unsur-unsur tambahan yang mempengaruhi produk pirolisis termasuk unsur kimia dalam char. Mekanisme pembentukan char pada pirolisis bahan-bahan dari polimer hidrokarbon secara prinsip tergantung kondisi reaksi kimia yang terjadi antara jumlah unsur karbon dengan unsur lainnya dalam bahan. Selama proses pirolisis maka karbon akan bereaksi dengan unsur lain tersebut menjadi senyawa yang baru. Senyawa dalam kategori hidrokarbon karakternya bermacam-macam menurut berat molekulnya sesuai jumlah unsur karbon yang dimiliki. Molekul dengan angka karbon yang tinggi dapat terkondensasi menjadi produk cair, sedangkan molekul dengan angka karbon rendah akan menjadi produk gas (non-condensable gas). Jika kondisi reaksi sudah mencapai jenuh atau tidak ada unsur lain yang cukup untuk bereaksi dengan karbon maka sisa unsur karbon akan terbentuk sebagai char Analisa Proximate dan Ultimate Mengacu pada analisa batubara (coal) maka diperlukan adanya metode untuk mengetahui karakteristik char sebagai bahan baku briket yaitu proximate analysis dan ultimate analysis. Proximate analysis digunakan untuk mengetahui karakter berdasarkan parameter fisik (physical parameters) meliputi moisture content, kadar volatile (berkaitan dengan aliphatic atau aromatic hydrocarbon), kadar abu (ash), fixed carbon, dan gross calorific value (diukur melalui alat uji bom kalorimeter). Selanjutnya ultimate analysis digunakan untuk mengetahui kandungan total unsur dalam sampel uji yang umumnya Carbon (C), Hydrogen (H), Oxygen (O), Nitrogen (N), dan Sulfur (S). Unsur-unsur tersebut disajikan dalam persentase (%) dan juga digunakan untuk menghitung nilai gross calorific value melalui pendekatan persamaan matematis. Nilai gross calorific value dari kedua metode tersebut digunakan untuk mengukur persentase tingkat kesalahan dari nilai yang didapatkan. 10

21 a. Moisture content. Kadar air yang terdapat pada suatu material dapat terjadi dengan bermacam-macam kondisi. Air dapat menempel pada permukaan partikel (surface moisture), tertahan pada retakan di dalam struktur mikro (microfracture) partikelnya, atau bahkan dalam bentuk struktur kristal dari hydrous silicates. Air yang tertahan di dalam partikel disebut sebagai inherent moisture, dan inilah moisture yang akan diukur kadarnya. Inherent moisture tidak akan menguap dengan pengeringan udara pada temperatur lingkungan (ambient temperature) sehingga memerlukan temperatur di atas 100 C. b. Volatile matter. Komponen penyusun volatile matter umumnya terdiri dari senyawa hidrokarbon alifatik dalam short dan long chain hydrocarbon, atau mungkin juga dalam senyawa aromatik. Senyawa hidrokarbon alifatik memiliki rantai karbon yang terbuka sehingga memungkinkan bercabang, dibedakan dalam alifatik jenuh dan alifatik tak jenuh. Senyawa alifatik jenuh jika rantai karbon hanya berisi ikatan tunggal dan disebut alkana (Gambar 2.6). Gambar 2.6. Rantai Alkana Senyawa alifatik tak jenuh (Gambar 2.7) adalah senyawa yang pada rantai karbonnya terdapat ikatan rangkap dua (alkena) dan ikatan rangkap tiga (alkuna). Berbeda dengan senyawa aromatik yang merupakan bentuk dari senyawa siklik (rantai karbon melingkar). Senyawa hidrokarbon aromatik terdiri dari 6 atom karbon dan membentuk rantai benzene (gambar 2.8.). Gambar 2.7. Rantai alkuna dan alkena 11

22 Gambar 2.8. Rantai aromatic hydrocarbon Seperti yang telah disebutkan di atas bahwa volatile matter terdiri dari senyawa hidrokarbon dan bersifat mudah terbakar. Oleh karena itu dengan semakin tinggi kadarnya maka material akan mudah terbakar. Pada pengukuran nilai volatile matter maka sampel 1 gram dipanaskan pada 950±20 C (ASTM untuk batubara) dan dikondisikan tanpa oksigen supaya tidak terbakar selama proses tersebut. Biasanya dialirkan gas inert sejenis nitrogen atau helium yang bersifat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan sampel pada temperature pengujian. c. Kadar abu (ash). Secara umum ash adalah residu yang bersifat noncombustible dan terbentuk setelah sampel mengalami pembakaran. Sebagian besar dari kadar ash tersebut merupakan mineral matter yang jenisnya tergantung komposisi dari sampel yang akan dianalisa. Karena bersifat non-combustible maka semakin sedikit jumlahnya dalam sampel menunjukkan kualitas material akan semakin baik. Pada pengukurannya sampel 1 gram dipanaskan pada 750 C dengan laju pemanasan 3,3 C/menit (ASTM untuk batubara) dan dikondisikan dengan udara. d. Fixed carbon. Pengertiannya adalah karbon yang tidak hilang dalam bentuk hidrokarbon selama temperatur penetapan volatile matter. Hal ini berbeda dengan penentuan karbon dalam uji ultimate yang merupakan karbon total baik yang termasuk dalam volatile matter ataupun fixed carbon. Nilai fixed carbon adalah 100% dikurangi dengan penjumlahan persentase dari volatile matter, ash, dan moisture content. e. Calorific value. Nilai kalor bahan bakar padat yang akan diukur adalah nilai kalori kotor (gross calorific value) atau higher heating value (HHV) yang didefinisikan sejumlah energi kalor yang dilepaskan selama sejumlah 12

23 massa sampel terbakar seluruhnya termasuk kalor laten dari sejumlah air yang terbentuk selama pembakaran. Pembakaran yang dimaksud berada pada kondisi udara normal dengan tekanan 101,3 kpa dan temperatur 25 C. Nilainya dapat diperoleh melalui percobaan Bom Kalorimeter menurut ASTM D 2015 dan dinyatakan dalam satuan Btu/lb atau kj/kg. Selain HHV dikenal net calorific value atau lower heating value (LHV) yang dapat diperoleh dengan Persamaan 2.1 (Houck dan Clark, 2009). LHV = HHV h vap *(H c )*(molar ratio of H 2 O to H) (2.1) f. Keterangan dari Persamaan 2.1 yaitu h vap adalah kalor untuk evaporasi air pada 25 C (J/mol), H c adalah hydrogen content diluar moisture (wt.%). Ultimate analysis. Seperti dijelaskan sebelumnya bahwa analisa ini digunakan untuk mengetahui kadar C, H, O, N, dan S dalam sampel uji. Unsur-unsur tersebut dinyatakan dalam persentase weight (wt.%) yang selanjutnya dimasukkan dalam suatu persamaan untuk menghitung pendekatan nilai gross calorific value atau higher heating value (HHV). Banyak sekali persamaan terkait diantaranya yang digunakan oleh Demirbas (1997) seperti pada Persamaan 2.2, atau persamaan Dulong yang diperlihatkan pada Persamaan 2.3. HHV = 0,196 (F c ) + 14,119 (2.2) HHV = 0,335 (C c ) + 1,423 (H c ) 0,154 (O c ) 0,145 (N c ) (2.3) Keterangan dari Persamaan 2.2 dan 2.3 yaitu F c adalah fixed carbon content (wt.%), C c adalah carbon content (wt.%), H c adalah hydrogen content (wt.%), O c adalah oxygen content (wt.%), dan N c adalah Nitrogen content (wt.%). 13

24 Teknologi Briket Briket merupakan bentuk dari densifikasi bahan bakar sebagai salah satu cara untuk peningkatan kualitasnya sebagai sumber energi. Bahan bakar yang dibuat briket dapat berasal diantaranya biomassa murni, biomassa dengan karbonisasi, batubara, dan arang (char) hasil pirolisis polimer. Dalam sebuah penelitian biomassa oleh Bhattacharya (Syamsiro dan Saptoadi, 2007) dikemukakan bahwa secara umum densifikasi mempunyai beberapa keuntungan yaitu untuk menaikkan nilai kalori per unit volume, mudah disimpan dan diangkut, serta mempunyai ukuran dan kualitas yang seragam. Densitas merupakan faktor yang berpengaruh terhadap sifat fisik dari suatu briket. Densitas yang tinggi akan meningkatkan kekuatan briket yang diperlukan pada keperluan transportasi, penyimpanan, dan penanganan. Dalam pembuatan briket maka tekanan pengepresan yang tinggi akan meningkatkan densitasnya. Sebuah penelitian (Kers dkk, 2010) menunjukkan hasil bahwa briket yang dibuat pada tekanan rendah diantara MPa bersifat mudah pecah, sedangkan sifat briket yang dibuat pada tekanan tinggi ( MPa) lebih konsisten dan padat. Biasanya pembuatan pada tekanan rendah memerlukan tambahan bahan pengikat (binder) misalnya tepung kanji, tetes, dan aspal (Syamsiro dan Saptoadi, 2007). Pada teknik pembuatan briket dikenal bermacam-macam bentuk dan ukuran diantaranya rectangular, ovoid, cylindrical, tetrahedral, dan pillow. Faktor lain yang mempengaruhi kekuatan briket adalah dimensinya. Dalam dimensi briket silindris dapat maka kekuatan tekanan permukaan briket akan semakin naik dengan cara menurunkan rasio antara panjang dengan diameter (Rahman dkk, 1989). IRI = (100 N) /n (2.4) Salah satu pengujian kekuatan briket adalah seperti yang dilakukan Saikia (2013) dengan tes Impact Resistace Index (IRI). Pengujian tersebut berdasarkan ASTM D yaitu dengan metode menjatuhkan dua kali sebuah briket ke lantai beton dari ketinggian 1,83 meter. Nilai IRI dapat 14

25 dihitung menggunakan Persamaan 2.4, dimana N adalah angka briket dijatuhkan dan n merupakan banyaknya pecahan briket setelah dijatuhkan. Tabel 2.4. Karakteristik Biobriquette Selain dimensi dan densitas yang mempengaruhi kekuatan fisik briket, maka dalam teknologi pembuatan briket ukuran partikel dapat berpengaruh pada sifat pembakarannya. Ukuran pertikel umumnya dinyatakan dalam micron yang diukur menggunakan saringan dengan ukuran mesh. Dari penelitian Saptoadi (2008) tentang biobriquette menunjukkan data yang menarik kaitanya dengan ukuran partikel dengan karakteristik pembakaran briket seperti tersaji dalam Tabel 2.4. Data penelitian dalam tersebut adalah mengenai briket biomassa dari bahan sekam padi tanpa karbonisasi. Tekanan pengepresan tidak diukur secara pasti, tetapi dapat diperhatikan data menarik bahwa untuk briket dengan partikel kecil akan memiliki densitas yang tinggi dibandingkan dengan partikel yang lebih besar. Akan tetapi dalam reaksi pembakaran briket dengan partikel besar menyisakan massa tak terbakar (unburned mass) lebih rendah yaitu ± 16 %, sedangkan massa tak terbakar partikel kecil ± 33 % Karakteristik Pembakaran Briket Metode untuk pengujian karakteristik pembakaran briket adalah seperti yang dilakukan Saptoadi (2008). Dalam hal ini pengujian ditujukan untuk 15

26 mengetahui karakteristik pembakaran briket biomassa yang tidak dikarbonisasi. Dalam metode ini briket ditempatkan pada landasan plat berlubang yang digantung ke timbangan digital. Dinding furnace silinder dipertahankan konstan pada temperatur kurang lebih 283 o C. Selama pengujian ini udara dialirkan secara alami ke dalam furnace, kemudian pengurangan massa briket dicatat setiap periode waktu yang ditentukan. Pengujian dianggap selesai jika dilihat sudah tidak ada penurunan massa briket. Skema alat pengujian tersebut ditunjukkan Gambar 2.9 berikut ini; Gambar 2.9. Skema alat uji pembakaran briket biomassa (Saptoadi, 2008) Keterangan dari Gambar 2.11 adalah; 1) Combustion furnace, 2) Timbangan Digital, 3) Digital Thermometer, 4) Thermocouple, 5) Heating torch, 6) Briket. Pengujian karakteristik pembakaran briket dapat juga dilakukan dengan cara seperti Himawanto dkk (2010), yaitu menggunakan metode thermogravimetri (TGA) untuk mengetahui karakteristik bahan bakar yang diuji, meliputi temperatur pembakaran di mana massa briket mulai berkurang (volatile matter initiation temperatur (ITVM)), temperatur ruang bakar di mana laju pengurangan massa meningkat selama proses awal pembakaran (fixed carbon initiation temperature (ITFC)), temperatur ruang bakar yang menghasilkan laju penurunan massa briket terbesar (peak temperature (PT)) dan temperatur ruang bakar di mana massa briket konstan pada akhir tahap pembakaran (burning temperature (BT)).Umumnya metode TGA tersebut digunakan untuk pengujian sampel dalam bentuk karbon. 16

27 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 3.1. Tujuan Penelitian Berdasarkan uraian dari rumusan penelitian pada bab pertama maka yang menjadi tujuan pada penelitian ini adalah; a. Mengetahui karakteristik dan porositas dari briket char yang diperoleh dari pirolisis limbah plastik? b. Mendapatkan cara untuk optimasi kualitas pembakaran dari briket char pada pemanfaatan sebagai bahan bakar? Secara umum ultimate test digunakan untuk menghitung nilai kalor yang dimiliki suatu material melalui persamaan matematis. Selain itu nilai kalor dapat diketahui melalui uji bomb calorimeter sehingga kepentingannya adalah untuk membandingkan nilai diantara kedua metode tersebut. Meskipun tidak tersirat dalam tujuan penelitian tetapi satu uji yang sangat penting adalah proximate test, karena data yang didapat dari uji tersebut sangat penting untuk menentukan pengolahan bahan bakar padat. Peneliti sengaja tidak menuliskan dalam tujuan dikarenakan proximate test merupakan suatu keharusan sehingga secara otomatis harus dilakukan. Berbagai penelitian telah dilakukan untuk mengetahui karakteristik pembakaran bahan bakar padat. Akan tetapi peneliti mengklaim bahwa belum ada penelitian khusus yang dilakukan untuk membuat briket dari char produk pirolisis limbah plastic. Penelitian ini juga ditujukan untuk mengetahui cara yang lebih optimal untuk mendapatkan kualitas pembakaran briket yang paling baik Manfaat Penelitian Kegiatan penelitian dilakukan dengan harapan dapat diraih beberapa manfaat yaitu; a. Didapatkan tambahan sumber data (database) terkait karakteristik dari produk pirolisis limbah plastik dengan beberapa kondisi perlakuan proses yang bervariasi. 17

28 b. Mampu mengoptimalkan nilai manfaat dari char sebagai produk pirolisis sehingga dapat digunakan sebagai sumber energi bentuk briket. c. Dapat diketahui efisiensi pembakaran briket dari beberapa jenis char serta dampaknya terhadap lingkungan. 18

29 BAB 4. METODE PENELITIAN 4.1. Lokasi Penelitian Penelitian ini mengambil tempat di laboratorium Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Magelang yang berlokasi di Kampus 2, dengna alamat Jl. Mayjend Bambang Sugeng Km 5 Mertoyudan Magelang, Jawa Tengah. Selain itu pengujian data akan dilakukan di Lab. Konversi Energi UGM, Lab. PSPG PAU UGM, dan Laboratorium/Bengkel yang mendukung kegiatan penelitian ini Tahapan Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah 13 sampel char hasil pirolisis sampah plastik dengan beberapa variasi perlakuan selama proses berlangsung. Variasi dalam proses meliputi temperatur reaktor, jenis dan komposisi bahan baku, serta penggunaan katalis (Tabel 4.1.) Tabel 4.1. Variasi perlakuan pada proses pirolisis sampah plastik No Sampel Bahan Komposisi (%) Temperatur Operasi (⁰C) Katalis Berat Katalis (gram) 1 PE Natural Zeolite PE Natural Zeolite PE+other Natural Zeolite PE Tanpa katalis 0 5 PE Zeolite Y PE+PS Natural Zeolite PE+PS+other Natural Zeolite PE Natural Zeolite PE+PP+PS Natural Zeolite PE+PP+PET+PS+other Natural Zeolite PE* Natural Zeolite PP+ PE Natural Zeolite PE Natural Zeolite 200 *) PE kantong plastik (bag) Perlu diketahui bahwa pada awalnya reaktor yang digunakan untuk proses pirolisis merupakan jenis batch reactor dengan konsep slow pyrolysis seperti diperlihatkan pada Gambar 4.1. Proses pirolisis yang dilakukan 19

30 ditujukan untuk menghasilkan produk utama bahan bakar cair, sehingga setiap proses akan dihentikan jika cairan sudah diketahui sangat sedikit terproduksi meskipun produk gas masih mungkin dihasilkan. Perilaku selama proses tersebut diprediksi akan mempengaruhi karakter char ⁰C 450⁰C 9 Non-condensable gas 3 8 Air pendingin Keterangan : 1. Retort dan ruang pemanas 2. Pressure gauge 3. Elemen pemanas 4. Thermokopel 5. Reformer 6. Penampung katalis 7. Penampung destilat 8. Condenser 9. Panel control temperatur Gambar 4.1. Skema batch reactor Reaktor pirolisis (Gambar 4.1) yang digunakan tersebut berada di laboratorium Konversi Energi Fakultas Teknik UGM. Pada pengujiannya char akan diuji proximate yang dilakukan di Laboratorium PSPG PAU UGM. Khusus untuk bahan PE bag telah didapatkan hasil pengujian char di Laboratorium Energi Biomassa UGM. a. Pengujian kadar air (moisture content) Dengan mengacu pada ASTM D maka sampel akan dipanaskan selama 1 jam dengan temperatur 107 C. Berdasarkan referensi FAO (1993) maka sampel awal (M1) dipanaskan dalam oven pengering sampai tidak ada lagi perubahan massa (M e ), selanjutnya moisture content (m) dapat dihitung dengan Persamaan 4.1. mm = MM 11 MM ee MM ee % (4.1) 20

31 b. Pengujian Volatile matter Pengujian volatile melalui tahapan proses seperti ditunjukkan Gambar 4.2 di bawah ini. Pada tahapan tersebut sampel 1 gram dipanaskan hingga mencapai temperatur 950±20 C dengan holding time 10 menit. Kondisi furnace tanpa oksigen, biasanya dialirkan gas nitrogen atau helium yang bersifat stabil dan tidak mudah bereaksi dengan sampel. Rumus perhitungannya sesuai standar ASTM D 3175 dapat dilihat pada Persamaan 4.2 dan 4.3 berikut ini. CC = [(AA BB)/AA] % (4.2) vvvvvvvvvvvvvvvv mmmmmmmmmmmm (%) = CC DD (4.3) Keterangan dari persamaan di atas, A adalah berat sampel dalam gram, B merupakan berat sampel setelah pemanasan dalam gram, dan C adalah berat yang hilang dalam persen (%). D merupakan moisture content dalam persen yang didapatkan pada pengujian sebelumnya. Penimbangan : Berat cawan (crucible) kosong Kalibrasi Berat sampel 1 gram Furnace : 950±20 C Holding time 10 menit Perhitungan : Sesuai ASTM D 3175 c. Gambar 4.2. Langkah pengujian volatile matter Pengujian abu (ash) Pengujian kadar abu ditunjukkan pada Gambar 4.3. Sampel 1 gram akan dipanaskan hingga mencapai temperatur 750 C dengan laju pemanasan 3,3 C/menit dan holding time 120 menit. Rumus perhitungannya sesuai standar ASTM D 3174 dapat dilihat pada Persamaan 4.4 berikut ini. aaaah (%) = [(A B)/C] 100% (4.4) Keterangan dari persamaan di atas, A adalah berat abu dan cawan dalam gram, B merupakan berat cawan kosong dalam gram, dan C adalah berat sampel awal dalam gram. 21

32 Penimbangan : Berat cawan (crucible) kosong Kalibrasi Berat sampel 1 gram Furnace : 950 C Holding time 120 menit Ash Perhitungan : Sesuai ASTM D 3174 Gambar 4.3. Langkah pengujian kadar abu d. Perhitungan fixed carbon Setelah kadar air, kadar abu, dan volatile matter diketahui maka dapat dihitung kandungan fixed carbon melalui standar ASTM D3172 seperti disajikan pada Persamaan 4.5 di bawah ini. ffffffffff cccccccccccc (%) = % [mmmmmmmmmmmmmmmm ccontent (%) + ash (%) + volatile matter (%)] (4.5) e. Nilai kalor Pengujian nilai kalor akan mengacu pada standar ASTM 2015, digunakan peralatan bomb calorimeter. f. Uji Ultimate Uji ultimate untuk mengetahui kadar C,H,O,N,dan S akan dilakukan di Lab PSPG PAU atau Lab Kimia lainnya yang mendukung. Jika pengujian nilai kalor melalui bomb calorimeter dianggap cukup maka tidak perlu dilakukan uji ultimate tersebut. g. Uji Porositas Untuk mengetahui porositas maka akan sebelumnya dilakukan pengujian ukuran partikel char dalam briket. Briket yang akan dibuat merupakan produk dengan bahan baku char hasil pirolis limbah plastik tanpa campuran dengan bahan karbon yang lain. Pada tahapan pembuatan akan ditentukan ukuran partikel char pada satu acuan penyaring yang memiliki ukuran direncanakan 100 mesh, dan variasi ukuran lain Tekanan pengepresan briket akan dicoba pada tekanan kira-kira 200 kg/cm 2 untuk diuji dengan konsep IRI, dan jika kekuatan produk briket tidak sesuai harapan maka akan dilakukan pengepresan tekanan rendah dengan penambahan pengikat (binder). Pengujian yang akan dilakukan selain 22

33 impact resistance index adalah karakteristik pembakaran dan emisi pembakarannya Diagram Alir Penelitian Mulai Studi Pustaka Mengumpulkan dan identifikasi Char (13 Sampel) Pembuatan briket (massa 4 gram char + 1 gram binder). Tekanan pengepresan 10 kg/cm² Pembersihan dan Penyaringan Pengeringan dengan sinar matahari 2 x 4 jam Pengujian sampel (particle size, Ultimate test, Proximate test) Pengujian awal porosity, impact resistance index Pengamatan fisik Apakah index kekuatan tercapai? Tidak Ya Pengujian Karakteristik Pembakaran Pengukuran kadar emisi Analisis dan Pembahasan Kesimpulan Selesai Gambar 4.4. Flowchart Penelitian 23

34 BAB 5. HASIL YANG DICAPAI 5.1. Karakter Char Berdasarkan Proximate Test Karakteristik char yang dapat diamati dari hasil uji proximate khusus untuk bahan 100% PE dengan perlakuan yang berbeda meliputi temperatur reaktor, jenis dan berat katalis adalah seperti terlihat pada Gambar 5.1. Sampel-sampel tersebut (sampel 1, 2, 4, 5, 8, 11, dan 13), detail perbedaan perlakuan selama proses pirolisis dapat dilihat kembali pada Tabel 4.1. Perbedaan sifat yang menarik untuk diamati adalah sampel berbahan asal pirolisis PE dengan temperatur reaktor 450⁰C(sampel 1, 4, 5, 8, 11, dan 13). Rata-rata kadar volatile pada sampel-sampel char tersebut masih lebih tinggi daripada kadar fixed carbon, kecuali sampel 8 yang memiliki fixed carbon lebih tinggi 6,18 % daripada volatile matter. Untuk sampel char nomor 2 yang didapatkan melalui pirolisis pada 500⁰C memiliki kadar fixed carbon 0,295 % lebih tinggi daripada volatile matter. Gambar 5.1. Grafik data proximate test untuk bahan PE 100% dengan perlakuan temperatur, jenis dan berat Katalis yang berbeda 24

35 Pengaruh temperatur reaktor selama proses pirolisis berlangsung dapat diamati melalui data proximate test untuk bahan 100% PE dengan NZ 100 gram (Sampel 2 dan 11). Temperatur reaktor yang diamati adalah pada 450 C, dan 500 C. Semakin tinggi temperatur reaksi menunjukkan bahwa persentase volatile akan semakin menurun seperti terlihat pada Gambar 5.2. Penurunan kadar volatile tersebut yaitu pada temperatur 450 C dengan volatile 64,594 % pada temperatur lebih tinggi 500 C menunjukan nilai yang semakin menurun yaitu mencapai 24,681 %. Meskipun demikian kondisi data tersebut terbatas pada temperatur yang digunakan selama penelitian sehingga pada temperatur yang lebih tinggi (>500 C) tidak diperoleh grafik data perubahan kadar volatile-nya. Gambar 5.2. Grafik pengaruh temperatur reaktor pirolisis terhadap komposisi char yang diukur melalui proximate analysis Perubahan kadar volatile seperti yang terlihat memiliki perbedaan trend dengan kadar fixed carbon yang sebaliknya akan naik sesuai penentuan temperatur reaktor yang semakin tinggi. Grafik menunjukkan kenaikan persentase fixed carbon tersebut, dengan pirolisis pada 450 C nilainya 13,637 % maka pada temperatur 500 C semakin tinggi menjadi 24,976 %. Berdasarkan grafik pada Gambar 5.2 dapat dibandingkan pengaruh temperatur reaktor pirolisis terhadap kadar volatile dan fixed carbon. Akan 25

36 tetapi jika melihat kadar moisture yang justru meningkat maka perlu ditinjau kembali kondisi penanganan dan penyimpanan char tersebut, sehingga kemungkinan ada pengaruh kelembaban udara lingkungan yang bersinggungan langsung dengan char. Selain itu pirolisis yang dilakukan menggunakan bahan baku limbah dengan kondisi yang berbeda, meskipun merupakan jenis yang sama dari PE tetapi jenis bahan tambah dan komposisi yang tak terkontrol sebagai feedstock memungkinkan data proximate yang berbeda. Perbedaan temperatur pirolisis menunjukkan pengaruh yang terjadi pada perubahan nilai kalor char, dimana pada temperatur 500 C terlihat justru mengalami penurunan. Grafik pada Gambar 5.3 menunjukkan perubahan nilai kalor tersebut, yaitu 7531,748 kal/gr dan pada temperatur 500 C menurun menjadi 3840,142 kal/gr. Gambar 5.3. Grafik pengaruh temperatur reaktor terhadap nilai kalor Char Mengamati data-data tersebut di atas maka yang menarik adalah kadar fixed carbon yang meningkat pada temperatur 500 C sedangkan nilai kalor justru mengalami penurunan. Secara teoritis besarnya nilai kalor akan naik sebanding dengan kadar karbon, oleh karena itu perlu diingat bahwa dalam 26

37 sebuah pengujian proximate test maka fixed carbon merupakan kadar yang tidak memperhitungkan kadar karbon dalam volatile matter. Perhitungan nilai kalor adalah menggunakan kadar karbon total yang diukur melalui ultimate test. Kondisi Sampel 11 yang justru memiliki nilai kalor tinggi disebabkan kadar volatile yang cukup besar yaitu 64,594 %, sedangkan Sampel 2 meskipun kadar fixed carbon lebih tinggi tetapi kadar volatile hanya 24,681 %. Selain itu kadar abu dan moisture Sampel 2 jauh lebih tinggi, sehingga menyebabkan nilai kalor per satuan massa lebih rendah daripada Sampel 11. Sampel 1-NZ 300 gr Sampel 8-NZ 400 gr Sampel 13-NZ 200 gr Gambar 5.4. Data proximate test Char dari pirolisis PE berdasarkan treatment Katalis Natural Zeolite Jenis char dari pirolisis PE dengan katalis Natural Zeolite selain Sampel 2 dan 11 yang telah dibahas sebelumnya memiliki karakter berdasar proximate test seperti data yang disajikan pada Gambar 5.4. Pada penelitian 27

38 ini jenis char tersebut tidak dianalisa untuk dibandingkan satu sama lain meskipun memiliki persamaan perlakuan yaitu temperatur pirolisis pada 450 C. Hal itu disebabkan karena berdasarkan pada skema reaktor pirolisis yang digunakan maka perlakuan katalis terletak pada reformer yaitu bagian setelah unit reaktor (Gambar 2.5). Dengan demikian dapat diperkirakan bahwa katalis tidak memberikan pengaruh terhadap komposisi char. Namun demikian dari sampel yang diperoleh didapatkan data yang berbeda, kemungkinan perbedaan tersebut terkait pada jumlah bahan baku dan durasi waktu pirolisis yang digunakan. Gambar 5.5 memperlihatkan data untuk char yang diperoleh dari proses tanpa katalis dan dengan jenis Y Zeolite. Sampel 4 dan 5 tersebut masih merupakan char yang diperoleh dari pirolisis PE pada 450 C. Tanpa katalis Y Zeolite 100 gr Gambar 5.5. Data proximate test Char dari pirolisis PE berdasarkan treatment Katalis Y Zeolite dan Tanpa Katalis Secara umum data proximate dari sampel-sampel char yang diperoleh dari pirolisis PE dengan temperatur reaksi 450 C menunjukkan ciri yang sama yaitu nilai kalor yang tinggi dengan persentase volatile yang tinggi pula. Sampel 8 merupakan char dengan nilai kalor yang lebih rendah diantara sampel-sampel tersebut, akan tetapi kadar karbon dalam hitungan fixed carbon lebih tinggi dibandingkan yang lain. 28

39 Nilai kalor dari semua sampel char hasil pirolisi 100% PE 450 C dapat dilihat pada Gambar 5.6, dimana nilai kalor tertinggi dimiliki sampel nomor 5 (PE, 450⁰C, 100gr Zeolite Y) senilai 7583,171 kalori/gr. Jika dibandingkan maka nilai kalor terendah dimiliki sampel nomor 8 (PE, 450⁰C, 400gr Natural Zeolite) senilai 4128,476 kalori/gr. Dari data proximate dapat diketahui untuk sampel char nomor 8 tersebut juga memiliki kadar abu yang tinggi daripada sampel lain. Gambar 5.6. Nilai kalor char dari pirolisis 100% PE pada 450 C Identifikasi terhadap char dari pirolisis bahan plastik campuran telah diketahui dan diberi kode dengan Sampel 3 (PE+Other), Sampel 6 (PE+PS), Sampel 7 (PE+PS+Other), Sampel 9 (PE+PP+PS), Sampel 10 (PE+PP+PS+PET+Other), dan Sampel 12 (PE+PP). Karakteristik untuk char dalam kategori campuran ini dapat langsung dibandingkan melalui grafik data uji proximate seperti yang disajikan pada Gambar

40 Gambar 5.7. Data proximate dari char hasil pirolisis bahan campuran Grafik data proximate menunjukkan bahwa rerata sampel char dari pirolisis bahan campuran memiliki persentase fixed carbon yang tinggi. Diantara sampel-sampel tersebut kadar fixed carbon paling tinggi dimiliki Sampel 3 sedangkan yang terendah dimiliki Sampel 6 dengan nilai 9,896 %, akan tetapi nilai volatile Sampel 6 yang cukup besar 63,672 % sehingga nilai kalor merupakan yang tertinggi diantara sampel char dari bahan campuran. Gambar 5.8. Nilai kalor char hasil pirolisis bahan campuran 30

41 Nilai kalor char seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5.8 menunjukkan bahwa Sampel 6 (PE+PS) dan 7 (PE+PS+Other) memiliki nilai paling besar. Kedua sampel tersebut juga memiliki kadar ash yang hampir setara 22,033 % dan 22,550 %. Kadar volatile yang cukup tinggi biasanya akan sesuai dengan karakter fisik dari char. Hal itu terkait dengan fase depolimerisasi yang belum sempurna selama proses pirolisis. Namun demikian data menunjukkan bukti yang menarik, yaitu sebagian char dengan volatile tinggi memiliki karakter lebih kering. Penelitian ini tidak melakukan uji ultimate dan pengujian komposisi ash, sehingga data tentang unsur-unsur lain yang mungkin berpengaruh terhadap sifat fisik char tidak dapat disajikan. Sifat yang lunak atau mudah meleleh jika terkena panas saat dibakar tentu saja menjadikan char tidak layak untuk dibuat briket, meskipun memiliki nilai kalor yang tinggi. Selain itu pengaruh campuran terhadap karakter char sulit dianalisa oleh karena setiap sampel memiliki jenis bahan baku campuran yang berbeda. Dibutuhkan lebih dari satu sampel dengan bahan campuran yang sama dengan variasi pada persentase campuran untuk dapat mengetahui pengaruhnya Porositas Dan Sifat Ketahanan Fisik Briket Char Data yang tersaji dalam Tabel 5.1 dapat menunjukkan bahwa sejumlah 5 briket char meleleh saat dibakar dan menetes dalam alat uji seperti terlihat pada Gambar 5.9, sehingga hanya 8 sampel yang dapat diuji pembakarannya. Gambar 5.10 memperlihatkan char yang kering akan membuat briket dapat diuji karena sampai pembakaran selesai tidak ada lelehan, termasuk abunya akan tetap tertinggal pada alat penimbang. 31

42 Tabel 5.1 Data dimensi briket dan nilai Impact Resistance Index Briket char dibuat bentuk silindris berlubang yang bertujuan untuk mempermudah peletakan briket pada landasan yang dihubungkan dengan timbangan digital. Briket yang sudah jadi dan dikeringkan selanjutnya diuji kekuatannya menggunakan konsep impact resistance index (IRI). Lelehan char Gambar 5.9. Briket dari Char yang lunak meleleh dalam furnace alat uji 32

43 Gambar Kondisi uji pembakaran briket dari Char kering Pengujian kekuatan briket melalui impact resistance index menunjukkan nilai rata-rata IRI 200 yang berarti briket tidak mengalami kerusakan dan bersifat tidak mudah pecah. Dalam pengujian ini briket dijatuhkan dua kali dari jarak 1,83 meter ke lantai beton, selanjutnya briket akan tetap utuh ataupun mengalami pecah dihitung menggunakan Persamaan 2.4. Salah satu briket yaitu Sampel 1 memiliki index 100 karena mengalami pecah menjadi dua bagian. Meskipun demikian nilai uji kekuatan briket tersebut terbatas pada dimensi dan massa sampel yang dibuat dalam penelitian ini, hal itu dikarenakan jumlah char yang didapatkan sangat terbatas. Porositas briket adalah kondisi fisik yang tergantung oleh besarnya partikel penyusun briket. Pada penelitian sebelumnya diketahui bahwa semakin kecil ukuran partikel akan menyebabkan porositas semakin rendah, dan sebaliknya bahwa semakin besar ukuran partikel maka semakin tinggi pula nilai porositasnya. Pada penelitian ini diketahui bahwa semua partikel char lolos dengan penyaringan yang sangat lembut yaitu 100 mesh, oleh karena itu dapat dinyatakan bahwa char produk pirolisis limbah plastik ratarata berukuran lembut sehingga variasi porositas dalam pembuatan tidak perlu dilakukan. Pada peristiwa pembakaran maka partikel kecil yang 33

44 menyebabkan porositas rendah akan menghambat difusi oksigen ke dalam partikel briket. Sehingga untuk mendapatkan pembakaran yang lebih baik dimensi briket dibuat dalam ukuran yang kecil seperti sampel pada penelitian ini Karakteristik Pembakaran Briket Karakteristik pembakaran briket akan dianalisa melalui data grafik pengurangan massa dan grafik laju pembakaran. Grafik pengurangan massa akan memberikan gambaran kondisi masing-masing tahapan pembakaran briket tersebut. Tahapan yang dimaksud (Syamsiro dan Saptoadi, 2007) adalah fase saat pemanasan, fase devolatilisasi, dan fase pembakaran arang. Sedangkan grafik laju pembakaran akan memberikan gambaran nilai maksimal dari laju pembakaran pada kecepatan aliran udara tertentu, termasuk periode waktu pembakaran briket. Gambar 5.11 menunjukkan karakter dari grafik pengurangan massa pembakaran briket dari char pirolisis 100% PE. Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (char 100% PE) Dengan melihat grafik pada Gambar 5.11 dapat diketahui bahwa briket dari Sampel 2 dengan kadar moisture paling tinggi berdasar proximate test memiliki periode pengurangan massa pada fase pemanasan yang lebih lama. 34

45 Devolatilisasi baru dimulai setelah pembakaran melewati detik ke 1500 atau kira-kira setelah menit ke 25, ditandai dengan pengurangan massa yang cepat. Pembakaran karbon yang ditandai dengan pengurangan massa yang kembali lambat dan berakhir pada detik ke 3010 atau 50,17 menit. Pada akhir pembakaran yang ditandai massa terukur pada timbangan relatif stabil menunjukkan massa ash 1,822 gram (40,82%) mendekati angka proximate bahwa kadar ash 41,06%. Kondisi berbeda terjadi pada briket dari Sampel 5, dimana kadar moisture yang lebih rendah memperlihatkan grafik pengurangan massa yang lebih cepat pada fase pemanasan, dengan demikian fase devolatilisasi cepat tercapai. Dengan kadar volatile menurut proximate test yang cukup besar 60,942 % terlihat bahwa pengurangan massa pada fase devolatilisasi relatif besar dan massa terlihat berkurang dengan cepat. Selanjutnya trend grafik pengurangan massa pembakaran briket dari Sampel 1 dan 8 dapat dianalisa sebagaimana Sampel 2 dan 5, termasuk menganalisa kesesuaian massa abu untuk dibandingkan dengan persentase pada proximate test. Pada pembahasan berikut ini Gambar 5.12 akan memperlihatkan grafik laju pembakaran sesaat dari briket char hasil pirolisis 100% PE. Dalam analisa laju pembakaran, meskipun merupakan briket dari asumsi bahan yang sama, akan tetapi diprediksi perbedaan kadar sesuai uji proximate merupakan sebab karakter grafik yang berbeda. Gambar Grafik laju pembakaran (Briket char 100% PE) 35

46 Grafik laju pembakaran juga dapat memperlihatkan perbedaan karakter pada kecepatan udara yang diatur pada 0,7 m/s. Briket Sampel 1 dan 2 memiliki nilai laju pembakaran yang lebih tinggi dibandingkan briket Sampel 5 dan 8. Briket dari Sampel 1 memiliki laju pembakaran tertinggi mencapai 0,183 gr/detik. Dengan kadar air dan fixed carbon yang lebih rendah, maka jika dibandingkan dengan briket Sampel 2 periode pembakaran briket Sampel 1 terjadi lebih pendek. Tabel 5.2 Data karakteristik pembakaran briket (char 100% PE) Laju Massa Periode Massa Nomor Pembakaran Kecepatan Awal Pembakaran Abu Briket Tertinggi Udara (m/detik) (gram) (menit) (gram) (gr/detik) 1 4,381 0,183 0,7 44,83 1,60 2 4,463 0,121 0,7 50,17 1,82 5 4,382 0,039 0,7 45,83 1,37 8 4,378 0,049 0,7 50,50 1,75 Berdasarkan data Tabel 5.2 dapat diketahui bahwa briket sampel 1 memiliki laju pembakaran tertinggi 183 miligram/detik pada menit ke 27,5 dari awal pengukuran, briket sampel 2 memiliki laju pembakaran tertinggi 121 miligram/detik pada menit ke 33. Laju pembakaran tertinggi pada briket sampel 5 adalah 39 miligram/detik terjadi pada menit ke 29,6, sedangkan laju pembakaran tertinggi yang dimiliki briket sampel 8 terjadi pada menit ke 30,2 senilai 49 miligram/detik. Periode pembakaran paling lama dimiliki briket Sampel 8 yaitu 50,5 menit dengan fixed carbon tertinggi 30,907 % (proximate). Pengaruh kecepatan aliran udara akan berpengaruh terhadap laju pembakaran. Sesuai dengan penelitian Saptoadi (2008) yang menyatakan bahwa jumlah udara yang sedikit akan menurunkan laju pembakaran oleh sebab keterbatasan oksigen. Tetapi perlu diperhatikan bahwa kelebihan udara 36

47 juga akan mereduksi laju pembakaran yang disebabkan terjadinya pendinginan berlebihan akibat konveksi. Briket char dari hasil pirolisis bahan campuran yang diuji pembakarannya adalah briket sampel 3 (PE+Other), sampel 9 (PE-PP-PS), sampel 10 (PE+PP+PET+PS+Other), dan sampel 12 (PE+PP). Karakteristik pembakaran briket akan dianalisa melalui data grafik pengurangan massa dan grafik laju pembakaran. Dalam analisa bagian ini maka masing-masing karakter pembakaran akan dibahas secara tersendiri untuk setiap sampel. Gambar 5.13 menunjukkan karakter dari grafik pengurangan massa pembakaran briket dari char pirolisis PE+Other. Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (char,pe-other) Dengan melihat grafik pengurangan massa pembakaran briket sampel 3 dapat diketahui bahwa tahapan pemanasan dan devolatilisasi terjadi dalam periode waktu yang cepat. Berdasarkan data proximate test maka briket dari sampel 3 memiliki kadar moisture dan volatile yang lebih rendah. Akan tetapi kadar fixed carbon merupakan yang tertinggi, sehingga pengaruhnya adalah pada tahapan pembakaran karbon terlihat periode yang lebih lama. Secara 37

48 total waktu pembakaran briket untuk sampel ini adalah 3950 detik atau kirakira 65,8 menit dengan massa abu 1,981 gram. Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (char,pe-pp-pet-ps-other) Perbedaan karakter pada briket sampel 10 yang dapat dilihat pada Gambar Kadar moisture yang lebih tinggi daripada briket sampel 3 menunjukkan tahapan pemanasan yang lebih lama, selain itu penurunan massa pada area devolatilisasi juga menunjukkan trend yang lebih cepat. Jika melihat total waktu pembakaran briket untuk sampel 10 memiliki waktu lebih lama dibandingkan briket sampel 3, yaitu 4680 detik atau kira-kira 78 menit dengan massa abu 1,924 gram. Pengurangan massa pembakaran briket untuk sampel 9 dan 12 akan ditampilkan pada satu grafik seperti diperlihatkan Gambar Kedua briket tersebut memiliki kadar moisture yang tinggi dan hampir sama yaitu pada briket sampel 9 sebesar 10,369 % dan 10,354 % untuk briket sampel

49 Gambar Grafik Pengurangan Massa Briket (sampel 9 dan 12) Melalui grafik terlihat trend garis grafik keduanya yang berhimpit pada tahap pemanasan. Total waktu pembakaran briket untuk sampel 9 adalah 5090 detik atau 84,8 menit dengan massa abu 1,272 gram. Perbedaan waktu dapat diketahui dimana briket sampel 12 memiliki periode pembakaran yang lebih pendek yaitu 4070 detik atau kira-kira 67,8 menit dengan massa abu 1,779 gram. Setelah diketahui karakter berdasarkan pengurangan massa pembakaran briket maka selanjutnya akan dibahas mengenai karakter briket tersebut menurut laju pembakaran. Grafik laju pembakaran untuk semua briket dari char pirolisis bahan campuran dapat dilihat pada Gambar Dari grafik tersebut terlihat bahwa briket sampel 10 memiliki laju pembakaran tertinggi sampai 112 miligram/detik terjadi pada detik ke 3320 atau menit ke 55,3. Untuk mempermudah mengamati nilai dari gafik maka dapat dilihat data pada Tabel 5.3. Tabel 5.3 Data karakteristik pembakaran briket (bahan char campuran) Nomor Briket Massa Awal (gram) Laju Pembakaran Tertinggi (gr/detik) Kecepatan Udara (m/detik) Periode Pembakaran (menit) Massa Abu (gram) 10 4,441 0,122 0,7 78,00 1, ,377 0,032 0,7 65,80 1, ,298 0,035 0,7 84,80 1, ,291 0,053 0,7 67,80 1,779 39

50 Berdasarkan data Tabel 5.3 dapat diketahui bahwa laju pembakaran tertinggi 122 miligram/detik dimiliki briket Sampel 10, dan yang terendah 32 miligram/detik dimiliki briket Sampel 3. Periode pembakaran paling lama dimiliki briket Sampel 9 yaitu 84,80 menit dengan kadar moisture tertinggi 10,369 % (proximate). Gambar Grafik laju pembakaran (briket dari char pirolisis bahan campuran) Secara umum telah diketahui unjuk kerja briket yang diamati berdasarkan nilai index kekuatannya, karakteristik pembakaran yang meliputi grafik pengurangan massa dan laju pembakaran. Dalam kepentingan pemanfaatan briket sebagai bahan bakar tentu saja ada beberapa hal yang perlu diperhatikan. Briket char pada umumnya merupakan bahan bakar padat dengan sifat pembakaran berupa bara api (glowing combustion). Kondisi pembakaran tersebut akan terjadi jika komposisi terbesar dari briket merupakan unsur karbon. Oleh karena itu akan menjadi berbeda jika briket yang dibakar memiliki kadar volatile yang masih tinggi, dengan komposisi yang sebagian besar merupakan hidrokarbon akan menyebabkan pembakaran berupa nyala api (flaming combustion) selain bara dari karbon yang terbakar. 40