BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bio-oil Salah satu hasil pengolahan minyak nabati yang merupakan bahan bakar alternatif adalah Bio-oil. Bio-oil adalah bahan bakar cair berwarna gelap, beraroma seperti asap, dan diproduksi dari biomassa seperti kayu, kulit kayu, kertas atau biomassa lainnya melalui teknologi pirolisis ( pyrolysis ) atau pirolisis cepat (fast pyrolysis ). Fast Pyrolysis (pirolisis cepat) adalah dekomposisi thermal dari komponen organik tanpa kehadiran oksigen dengan cara mengalirkan N 2 dalam prosesnya untuk menghasilkan cairan, gas dan arang. Cairan yang dihasilkan ini lebih lanjut kita kenal sebagai Bio-oil. Produk yang dihasilkan dalam proses pirolisis cepat tergantung dari komposisi biomassa yang digunakan sebagai bahan baku, kecepatan serta lama pemanasan. Rendemen cairan tertinggi yang dapat dihasilkan dari proses pirolisis cepat berkisar 78 % dengan lama pemanasan 0,5 2 detik, pada suhu o C dan proses pendinginan yang cepat pada akhir proses. Pendinginan yang cepat sangat penting untuk memperoleh produk dengan berat molekul tinggi sebelum akhirnya terkonversi menjadi senyawa gas yang memiliki berat molekul rendah. Produksi bio oil sangat menguntungkan karena dengan pengorvensian bio oil maka akan didapatkan produk berupa bahan bakar minyak bio, misalnya: biokerosene, biodiesel dan lain-lain (Hambali, 2007). Produk yang dihasilkan dalam proses fast pyrolisis tergantung dari komposisi biomassa yang digunakan sebagai bahan baku, kecepatan, serta lama pemanasan. Gambar 2.1 dibawah ini merupakan struktur kimia Bio oil. Gambar 2.1 Struktur Kimia Bio Oil ( Hambali, 2007)

2 2.2 Spesifikasi Bio Oil Untuk Bahan Bakar Bio oil terdiri dari karbon, hidrogen, dan oksigen dengan sedikit kandungan nitrogen dan sulfur. Hanya saja kandungan sulfur dan nitrogen dalam Bio oil dapat ditiadakan ( tidak begitu berarti ). Komponen organik terbesar dalam Bio oil adalah lignin, alkohol, asam organik, dan karbonil. Karakteristik Bio oil tersebut menjadikan bio oil sebagai bahan bakar yang ramah lingkungan. Selain itu, Bio oil memiliki nilai bakar yang lebih besar dibandingkan dengan bahan bakar oksigen lainnya ( seperti metanol ) dan nilainya hanya lebih rendah sedikit dibandingkan dengan diesel dan light fuel oil lainnya ( Hambali dkk, 2007). Tabel 2.1 dibawah ini merupakan spesifikasi bio-oil untuk bahan bakar. Tabel 2.1 Spesifikasi bio oil untuk bahan bakar Properties Spesifikasi Keterangan HHV > BTU / gal Metode DINS Kandungan Air < 25 % Titrasi Karl Fisher berdasarkan ASTM D 1744 Kandungan padatan < 1 % Dihitung berdasarkan kandungan etanol yang insoluble dengan Metode Filtrasi Viskositas Cst pada 50 ASTM D445 0 C Spesifik 1,2 ( pada 15 0 C ) ASTM D405 Grafity(densitas) Karbon 51,5 % - 58,3 % 54,5 % Hidrogen 0,1 % - 0,4 % 0,4 % Nitrogen 0,07 % - 0,40 % 0,2 % Sulfur 0,00 % - 0,07 % 0,0005 % Debu 0,13 % - 0,21 % 0,16 %

3 2.3 Perbandingan karakteristik Bio oil dengan Diesel-oil Pengembangan Bio oil dapat menggantikan posisi bahan bakar hidrokarbon dalam industri, seperti untuk mesin pembakaran, boiler, mesin diesel statis, dan gas turbin. Bio oil sangat efektif digunakan sebagai pensubstitusi diesel, heavy fuel oil, light fuel oil, dan untuk berbagai macam boiler. Bio oil bersifat larut sempurna dalam alkohol, seperti dalam metanol dan etanol. Pencampuran Bio oil dalam alkohol dapat meningkatkan stabilitas dan menurunkan nilai viskositas bahan bakar. Bio oil bersifat tidak larut dalam diesel, tetapi dapat diemulsifikasi dengan diesel. Emulsifikasi % Bio - oil dalam diesel dapat memperbaiki stabilitas bahan bakar, memperbaiki viskositas, mengurangi tingkat korosifitas, dan meningkatkan nilai bilangan setana (Hambali, 2007). Tabel 2.2 merupakan perbandingan karakteristik Bio-oil dengan Diesel-oil Tabel 2.2 Perbandingan karakteristik Bio oil dengan Diesel-oil Parameter Bio Oil Diesel-oil Angka Setana Flash point >110 0 C >110 0 C Spesifik Grafity (20 0 C) 0,97 0,87 Sulfur (%) < 0,06 0,35 Densitas 1,2 0,84 Viskosity (cp) pada 50 0 C pada 40 0 C 2.4 Potensi Batang Jagung Menjadi Bio Oil Jagung termasuk ke dalam famili rumput rumputan. Tanaman jagung tumbuh tegak dengan tinggi bervariasi. Pada varietas tertentu, tinggi tanaman saat dewasa kurang dari 60 cm dan tipe yang lain dapat mencapai 6 m atau lebih. Batang jagung ( corn strover ) merupakan limbah jagung, setelah masa produktif jagung habis, limbah batang jagung yang dihasilkan cukup besar. Hampir setengah dari tanaman jagung terdiri dari corn stover. Selama ini, pemanfaatan limbah jagung hanya terbatas sebagai pakan ternak. Kandungan serat yang tinggi dalam batang jagung menjadikannya berpotensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku Bio oil ( Hambali, 2007). Tabel 2.4 merupakan komposisi organik batang jagung.

4 Tabel 2.3 Komposisi Organik Batang Jagung Komponen Kandungan ( % bk ) Batang Jagung Sellulosa 53 Hemisellulosa 15 Lignin 16 Impuritis 16 Sumber : (Hambali, 2007) Bahan yang mengandung selulosa berpotensi untuk dijadikan sebagai bahan baku Bio oil. Bahan bahan tersebut diantaranya kayu, kulit kayu, bagas, batang jagung dan biomassa lainnya. Tabel 2.5 memperlihatkan rendemen Bio oil yang dihasilkan dari beberapa jenis bahan baku Tabel 2.4 Rendemen Bio oil yang dihasilkan dari beberapa jenis bahan baku Bahan baku Kayu Kulit kayu Bagas batang jagung Kelobot kertas Limbah Rendemen Bio oil Arang Gas Sumber : (Hambali,2007). 2.5 Sifat sifat bahan baku dan Produk Bahan Baku yang digunakan Batang Jagung (Corn Stover) - Bentuk : Padat - Penampilan : Berwarna Hijau (basah) Berwarna kecoklatan (kering) - HHV (High Heating Value) : 19 MJ / kg - Kadar air : 76 % dari massa basah 23 % dari massa kering (Hambali, 2007)

5 2.5.2 Produk Utama Bio oil (C 3 H 8 O) - Bentuk : Cair - Hight Heating Valve (HHV) : 18 MJ / Kg - Flash Point : C - Pour Point : C - Dew Point : C - Viskosity : 50 cp (pada 40 0 C) - Kelembaban : Wt % - Kadar abu : 0 Wt % - Densitas : 1,2 Kg / L - Tegangan Permukaan : mn / m - Keasaman (ph) : 2,5 - Kandungan Padatan : < 1 % - Kemurnian : 96 % (Anonim,2010) Produk Samping 1. Karbon Aktif (C) - Bentuk : Padat - Penampilan : Berwarna hitam (grafit) - Massa Jenis : 2,267 g / cm 3 - Titik Lebur : K - Titik Didih : 4000 K - Kalor Peleburan : 100 kj / mol - Kalor Penguapan : 355,8 kj / mol - Kapasitas Kalor : 8,517 J / (mol K) pada 25 0 C - Elektronegatifitas : 2,55 (skala pauling) - Konduktivitas termal : W / m K (pada 300 K) (

6 2. Karbon Monoksida (CO) - Bentuk : Gas - Massa molar : 28,0101 g/mol - Penampilan : Gas tidak berwarna - Densitas : 1,250 g / L - Titik Leleh : C (68 K) - Titik Didih : C - Kelarutan dalam air : 0,0026 g / L - Momen dipol : 0,112 D (3,74 X C m) ( 3. Karbon dioksida (CO 2 ) - Bentuk : Gas - Massa molar : 44,0095 g/ mol - Penampilan : Gas tidak berwarna - Densitas : 1,98 g/ L - Titik Leleh : C - Titik Didih : C (menyublim) - Kelarutan dalam air : 1,4 g/ L - Keasaman (pka) : 6,35 dan 10,33 - Viskositas : 0,07 cp ( C) - Momen dipol : nol ( 2 ) 4. Metan (CH 4 ) - Bentuk : Gas - Massa molar : g/ mol - Penampilan : Gas tidak berwarna - Densitas : 0,717 kg/ m 3 - Titik Leleh : - 182,5 0 C - Titik Didih : - 161,6 0 C - Kelarutan dalam air : 3,5 mg/ 100 ml (pada 17 0 C) - Titik nyala : C ( 4 )

7 5. Hidrogen (H 2 ) - Bentuk : Gas - Struktur kristal : Heksagonal - Densitas : 0,08988 g/l (pada 0 0 C) - Titik Leleh : - 259,14 0 C - Titik Didih : - 252,87 0 C - Titik Tripel : 13,8033 K - Titik Kritis : 32,97 K - Bahan beku : 0,117 kj mol -1 - Bahan penguapan : 0,904 k J mol -1 - Kapasitas bahan : 28,836 J mol -1 K -1 (pada 25 0 C) - Elektronegativitas : 2,20 (skala pauling) - Energi ionisasi : 1312,0 Kj mol -1 - Kondukrivitas termal : 180,5 m W m -1 K -1 (pada 300 K) ( 6. H 2 O - Berat molekul : 18,015 - Densitas : 0,917 gr/cm 3 - Titik Lebur : 0 0 C - Titik Didih : C - Viskositas : 8,949 Mp - Spesifik gravitas : 32,97 K - Kapasitas panas : 75,291 J mol -1 K -1 ) - Elektronegativitas : 2,20 (skala pauling) ( 2 O). 7. Nitrogen (N 2 ) - Bentuk : Gas - Berat molekulbbb : 28,02 g/mol - Titik Lebur : - 209,86 0 C - Titik Didih : - 195,8 0 C - Tekanan kritis : 13,8033 K - Titik Kritis : 126 K (

8 2.6 Proses Pembuatan Bio Oil Proses yang ada pada pembuatan Bio Oil adalah Fast Pyrolisis yang merupakan dekomposisi termal dari komponen organik tanpa kehadiran oksigen dalam prosesnya untuk menghasilkan cairan, gas, dan arang. Cairan yang dihasilkan ini lebih lanjut dikenal sebagai Bio oil. Produk yang dihasilkan dalam proses Fast Pyrolisis tergantung dari komposisi biomassa yang digunakan sebagai bahan baku, kecepatan, serta lama pemanasan. Rendemen cairan tertinggi yang dapat dihasilkan dari prose Fast Pyrolisis berkisar 78 % dengan lama pemanasan 2 detik, suhu C, dan proses kondensasi yang cepat pada akhir proses. Kondensasi yang cepat sangat penting untuk memperoleh produk dengan berat molekul tinggi sebelum akhirnya terkonversi menjadi senyawa gas yang memiliki berat molekul rendah. Proses pyrolisis yang cepat (Fast Pyrolisis ) dilakukan di dalam reaktor pyrolisis, awalnya lignoselulosa yang sudah diperoses secara fisis diumpankan ke reaktor dan akan mengalami proses pemanasan sampai temperatur reaksi yaitu C. Kecuali bahan pengotor, lignoselulosa terkonversi menjadi Bio oil, karbon, hidrogen, karbon monoksida, karbon dioksida dan metana. Proses pyrolisis lignoselulosa berdasarkan sistem reaksinya dapat dibagi menjadi tiga macam, yaitu : Circulating fluid bed, Fluidized bed dan vacum pyrolizer ( Hambali, 2007) Tipe Circulating Fluid Bed Circulating Fluid Bed, dimana serbuk lignoselulosa berukuran antara 3 30 mm diumpankan dari atas reaktor dan akan menumpuk karena gaya beratnya. Gas CO 2 dihembuskan dari bawah berlawanan dengan memasukan lignoselulosa akan bereaksi membentuk gas. Hal ini menyebabkan lignoselulosa turun secara berlahan selama proses hingga waktu tinggal ( residence time ) lignoselulosa adalah lama, yaitu sekitar 1 jam serta menghasilkan produk sisa berupa abu ( Brown, 2003 dalam Hambali 2007 ).

9 Gambar 2.2 Tipe Reaktor Circulating Fluid Bed (Brown, 2003). Reaktor model ini beroperasi pada C untuk mendekomposisi lignoselulosa, maka lignoselulosa yang akan dipirolisis harus memiliki ( char fusion temperatur ) yang tinggi. Hal ini dimaksudkan agar arang tidak meleleh yang akhirnya mengumpul di bagian bawah alat sehingga dapat menyumbat bagian tersebut. Produk utama proses ini adalah Bio oil, Arang (C) dan gas sintetis. Reaktor Circulating Fluid Bed sesuai untuk produksi uap, karbon, dan gas sistesis dengan tingkat konversi karbon pada tipe Circulating Fluid Bed maksimum mencapai 12 % (Brown, 2003 dalam Hambali 2007) Tipe Fluidized Bed (Unggun Terfluidisasi) Tipe Fluidized Bed, dimana pemasukan batang jagung dari samping ( side feeding ), gas N 2 dari bagian bawah. Gaya dorong dari gas N 2 akan setimbang dengan gaya gravitasi sehingga serbuk batang jagung dalam keadaan mengambang pada saat terjadi proses pyrolisis. Serbuk batang jagung yang digunakan lebih halus dan berukuran kurang dari 1mm. Tekanan Operasi pada proses ini kurang lebih 5 atm (Brown, 2003 dalam Hambali 2007).

10 Gambar 2.3 Reaktor Pyrolisis Unggun Fluidisasi (Fluidized bed) (Brown, 2003). Biomassa yang akan diperoses pada reaktor pyrolisis, fluidized bed harus memiliki ( softening temperatur ) diatas suhu operasional tersebut, hal ini bertujuan agar arang yang dihasilkan selama proses tidak meleleh yang dapat mengakibatkan terganggunya kondisi lapisan mengambang dan karena suhu operasi yang relatif rendah maka reaktor ini banyak digunakan untuk memproses lignoselulosa yang memiliki sifat lebih reaktif (Brown, 2003 dalam Hambali 2007) Tipe Vacuum Pyrolizer Pyrolisis vacum menggunakan bahan yang dapat diperbaharui untuk dijadikan produk, yaitu bio oil dan carbon black, bio oil murni yang berharga tinggi di pasaran. Dekomposisi dari biomassa kompleks pada temperatur C, temperatur tersebut tidak berubah untuk membentuk produk minyak, karbon black dan gas. Karbon black sebagai produk dari reaktor menuju tangki penampungan. Tipe produk yang dihasilkan dari proses pirolisis vacuum ini adalah 55 % oil, 35 % karbon black dan 10 % gas. Tekanan operasi pada proses ini antara atm (Brown, 2003 dalam Hambali 2007).

11 Gambar 2.4 Vacuum Pyrolizer (Sumber : Brown, 2003) 2.8 Pemilihan Proses Berdasarkan keunggulan dan kelemahan jenis proses yang telah dijelaskan di atas maka proses yang dipilih pada produksi bio- oil melalui fast pirolisis ini adalah menggunakan reaktor unggun terfluidisasi (Fluidized Bed). Proses unggun terfluidisasi (Fluidized Bed) memiliki kapasitas paling besar per satuan volume dibandingkan kedua proses lainnya. Selain itu proses ini mampu menangani segala jenis biomassa yang mengandung lignoselulosa dan menghasilkan bio oil. Gas yang didorong menyebabkan partikel partikel terpyrolisis dengan cepat (±2 detik) sehingga tidak sempat menggumpal. (Hambali,2007). 2.9 Deskripsi Proses Pembuatan bio-oil dari batang jagung diawali dari penghalusan batang jagung menjadi berukuran kurang dari 1 mm, tujuannya agar mempercepat reaksi di dalam reaktor. Setelah ukuran batang jagung telah halus, maka akan di masukkan ke dalam reaktor dengan menggunakan belt-conveyor. Di dalam reaktor terjadi proses fast pyrolysis dengan kondisi operasi yaitu suhu C dan tekanan 4 atm. Reaksi yang terjadi adalah (C 10 H 12 O 4 ) 10 6,203C 3 H 8 O (l)+ 66,976C(s)+ (6,404CO 2 + 3,852CO +4,159CH 4 + 9,734H 2 ) (g) + 17,136 H 2 O (Simulation of Olive Pits Pyrolysis in a Rotary Kiln Plant thermal scienc, 2011). Keluaran dari reaktor pyrolysis yaitu berupa gas yang dapat dikondensasi, gas yang tidak dapat dikondensasi dan padatan arang selanjutnya akan diteruskan ke cooler tujuannya untuk menurunkan suhu dari C menjadi C dan tekanan dari 4 atm

12 menjadi 1,8 atm dengan bantuan air pendingin pada suhu 30 0 C dan tekanan 1 atm. Kemudian keluaran dari cooler akan di teruskan ke cyclone. Di cyclone arang di pisahkan dari gas yang dapat dikondensasi dan gas yang tidak dapat dikondensasi. Pemisahan tersebut terjadi karena pengaruh gaya gravitasi. Arang tersebut dikeluarkan dari bagian bawah cyclone dan di tampung di penampungan arang ( TK- 206) sedangkan gas yang dapat dikondensasi dan gas yang tidak dapat dikondensasi akan keluar dari atas dan di teruskan ke kondensor. Di dalam kondensor suhu di turunkan dari C menjadi 35 0 C dan gas yang dapat dikondensasi akan dikondensasikan menjadi bio-oil sedangkan gas yang tidak dapat dikondensasi akan diteruskan ke combuster yang berguna sebagai bahan bakar. Hasil kondensasi akan dipisahkan di dalam Knock Out Drum (KO-208). Bio-oil yang terbentuk akan keluar dari bawah dan di pompakan ke tangki penampungan Bio-oil (TK-302).

13