PROPERTIES ALUMINIUM DARI SAMPAH PLASTIK DENGAN PROSES PIROLISIS SEBAGAI BUILDING MATERIAL

Transkripsi

1 PROPERTIES ALUMINIUM DARI SAMPAH PLASTIK DENGAN PROSES PIROLISIS SEBAGAI BUILDING MATERIAL Rinny Jelita 1, Chairul Irawan 2*, Iryanti Fatyasari Nata 3 1,2,3 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Lambung Mangkurat Jl. A. Yani Km 34 Banjarbaru * chairawan_ftunlam@yahoo.com Abstrak Pirolisis dapat digunakan untuk mengambil kembali aluminium pada sampah kemasan plastik sekaligus mengurangi permasalahan sampah plastik. Penelitian ini bertujuan untuk memisahkan logam aluminium pada sampah plastik yang terlapisi aluminium sehingga diketahui karakteristik aluminium yang didapatkan, mempelajari pengaruh suhu terhadap yield pan dan aluminium serta mendapatkan parameter kinetika yang menggambarkan pengaruh suhu terhadap laju proses pirolisis. Sampah plastik dibersihkan, dijemur, dipotong dengan ukuran 4x4 cm dan ditimbang sebanyak 1 gram. Pirolisis berlangsung sejak suhu ruangan hingga 2 jam setelah suhu pirolisis tercapai, yaitu 45 o C. Asap yang terbentuk dikondensasikan dan ditimbang setiap 1 menit sejak tetesan pertama hingga waktu pirolisis selesai. Pan yang tersisa dalam reaktor diambil setelah pirolisis selesai dan suhu reaktor mencapai suhu ruangan. Aluminium kotor selanjutnya dileburkan, dicetak dan didinginkan. Percobaan diulang untuk berbagai variasi suhu pirolisis (5 o C, 55 o C, 6 o C, 65 o C). Hasil penelitian menunjukkan bahwa kenaikan suhu pirolisis akan menurunkan yield pan, sedangkan yield aluminium tetap. Logam aluminium yang diperoleh sebesar 5,3% terhadap massa plastik awal dengan kemurnian 95,8%. Berdasarkan penelitian juga diketahui bahwa peningkatan suhu akan meningkatkan laju proses pirolisis. Model kinetika yang mewakili proses pirolisis plastik adalah model reaksi tunggal dengan nilai parameter kinetika pre-exponential factor (A) 18,2689 menit - 1 dan nilai energi aktivasi (E) 4,231 kj/mol. Kata kunci: aluminium, pirolisis, plastik, suhu 1. PENDAHULUAN Peningkatan populasi dunia menuntut berbagai peningkatan kebutuhan termasuk kebutuhan pangan dan plastik sebagai kemasannya sehingga berimbas pula pada sampah yang ditimbulkan. Sebagai material yang dapat didaur ulang, sampah plastik dapat ditanggulangi dengan proses yang lebih ramah lingkungan untuk mengurangi dampak negatif dari proses penanggulangan limbah plastik konvensional. Salah satu alternatif proses tersebut adalah pirolisis. Pirolisis memungkinkan daur ulang plastik, termasuk kemasan plastik multilayer seperti plastik berlapis aluminium. Penelitian yang dilakukan bertujuan memisahkan logam aluminium pada sampah plastik yang terlapisi aluminium sehingga diketahui karakteristik aluminium yang didapatkan, mempelajari pengaruh suhu pirolisis terhadap yield pan dan aluminium serta mendapatkan parameter kinetika yang menggambarkan pengaruh suhu terhadap laju proses pirolisis. Kemasan plastik berlapis aluminium merupakan jenis kemasan yang paling banyak digunakan dalam pengemasan makanan ringan. Melalui pirolisis, aluminium pada kemasan plastik dapat diambil dan permasalahan sampah plastik dapat dikurangi. Logam aluminium banyak dimanfaatkan dalam berbagai bidang karena bersifat ringan tapi kuat, tidak bersifat magnet dan tidak beracun. Selain itu, aluminium juga bersifat tahan korosi, murah dan dapat didaur ulang. Logam aluminium hasil daur ulang yang dapat diambil sangat bermanfaat karena dapat diolah menjadi produk aluminium lain sehingga dapat membantu pemenuhan kebutuhan aluminium. Salah satu kegunaan aluminium adalah sebagai building material, dimana aluminium tersebut harus berupa aluminium paduan untuk perbaikan sifat mekanis dan struktur mikro dari aluminium. Sebagai bahan konstruksi, aluminium biasa dipadukan dengan seng (Zn) karena memiliki kekuatan tertinggi di antara paduan aluminium lainnya. Dalam keadaan murni aluminium terlalu lunak, terutama kekuatannya sangat rendah untuk dapat dipergunakan pada berbagai keperluan teknik. Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 5

2 Sesuai dengan SNI , aluminium yang digunakan untuk atap dan dinding adalah aluminium lembaran bergelombang dengan karakteristik kekuatan dan kekerasan sedang (kekerasan bahan 3 skala brinnel), tahan korosi, dan ringan. Pirolisis plastik dapat dilakukan pada suhu rendah (<4 o C), sedang (4-6 o C) atau suhu tinggi (>6 o C). Tekanan yang digunakan umumnya tekanan atmosfer. Dekomposisi termal polimer menghasilkan gas, distilat dan char, dalam jumlah relatif bervariasi. Hasil pirolisis dapat digunakan sebagai bahan bakar, petrokimia, dan monomer. Proses pirolisis melibatkan pemutusan ikatan dan endotermik, sehingga pasokan panas menjadi sangat penting dan umumnya menentukan tingkat keberhasilan. Proses ini ditandai dengan pemanasan tidak langsung bahan melalui dinding tungku atau pipa (Buekens, 26). Salah satu faktor yang mempengaruhi proses pirolisis adalah temperatur. Pada 4-6 o C, dihasilkan minyak yang komposisi utamanya berupa nafta, minyak berat, gasolin, minyak diesel dan kerosin. Peningkatan temperatur di atas 6 o C akan meningkatkan produk gas dan hidrokarbon ringan (C 1-C 4) dan menurunkan produk dengan jumlah karbon tinggi (C 21-C 3) (Xingzhong, 26). Pada suhu pirolisis yang rendah akan menghasilkan produk yang didominasi oleh wax dan char berkarbon yang tertinggal dalam reaktor, walaupun ada juga produk cair (paraffin oil) dan juga gas. Komposisi cair produk pirolisis dapat ditingkatkan dan komposisi wax pun dapat dikurangi dengan meningkatkan suhu pirolisis (Achilias et al., 27). Produk cair akan meningkat seiring dengan peningkatan temperatur, namun akan menurun setelah melewati temperatur tertentu dimana pada umumnya temperatur ±5 o C merupakan temperatur yang menghasilkan produk cair dengan jumlah maksimal. Parafin dan olefin adalah senyawa utama yang terdapat pada produk cair. Yield parafin menurun dengan peningkatan temperatur, sedangkan yield olefin akan meningkat dan berubah menjadi gas. Hal ini dikarenakan pada temperatur di atas 55 o C, akan terjadi secondary cracking pada senyawa dengan jumlah atom C18. Pada temperatur rendah, akan terbentuk fraksi-fraksi berat dengan jumlah atom C35 (Marcilla et al., 29). Untuk mendapatkan parameter kinetika yang mempengaruhi laju proses pirolisis, digunakan beberapa model mekanisme reaksi pirolisis. Model I merupakan mekanisme reaksi kimia tunggal yang paling sederhana, yaitu single step method. Mekanisme reaksi tunggal dianggap dapat mewakili mekanisme pirolisis sesuai persamaan reaksi kimia pada umumnya dengan asumsi laju pembentukan minyak, pan dan gas dari peruraian plastik adalah sama. Plastik k Minyak + Pan + Gas Gambar 1. Mekanisme Reaksi Single-Step Mechanism Pada penelitian ini akan dicoba yang merupakan mekanisme reaksi pirolisis lain yaitu three-step mechanism. Asumsi yang digunakan adalah laju pembentukan minyak, pan dan gas berbeda-beda. Plastik k1 k2 k3 Minyak Pan Gas Gambar 2. Mekanisme Reaksi Three-Step Mechanism Neraca Massa Plastik (p): Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 51

3 dm dt p k m k m k m (1) 1 l 2 s 3 g Neraca Massa Minyak (l): dm l kmp 1 dt (2) Neraca Massa Pan (s): dm s kmp 2 dt Neraca Massa Gas (g): dmg km 3 p dt (3) (4) dengan: m p : massa plastik (gram) m l : massa minyak (gram) m s : massa pan (gram) m g : massa gas (gram) t : waktu (menit) k : konstanta laju reaksi overall (menit -1 ) k 1 : konstanta laju reaksi pembentukan minyak (menit -1 ) k 2 : konstanta laju reaksi pembentukan pan (menit -1 ) k 3 : konstanta laju reaksi pembentukan gas (menit -1 ) 2. METODE PENELITIAN 2.1 Bahan Bahan yang digunakan adalah sampah kota berupa plastik kemasan makanan (snack) berlapis aluminium. 2.2 Alat Alat yang digunakan antara lain stopwatch, gelas ukur, botol kaca, satu unit alat peleburan aluminium dan satu unit alat pirolisis sistem batch. 2.3 Prosedur Penelitian Persiapan Bahan Baku Sampah plastik berlapisi aluminium dicuci dan dibersihkan dari pengotor tanah. Kemudian sampah tersebut dijemur dan dipotong dengan ukuran seragam (4x4 cm) lalu ditimbang Pirolisis Plastik Sampah plastik yang telah bersih dan berukuran kecil dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis sebanyak 1 gram. Proses pirolisis berlangsung sejak suhu kamar hingga 2 jam setelah suhu tercapai, yaitu pada suhu 45 o C. Asap yang terbentuk dari proses pirolisis dikondensasikan dan ditampung sebagai plastic oil. Berat plastic oil yang dihasilkan dicatat setiap 1 menit sejak tetesan Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 52

4 pertama keluar hingga waktu pirolisis selesai. Pan (aluminium dan karbon) yang tersisa di dalam reaktor diambil setelah proses pirolisis selesai dan suhu reaktor mencapai suhu ruangan untuk diolah lebih lanjut. Percobaan diulang untuk variasi suhu 5 o C, 55 o C, 6 o C, dan 65 o C Foundry Pan hasil pirolisis di dalam reaktor diambil dan dipisahkan antara aluminium dengan karbon. Selanjutnya aluminium dileburkan, dicetak dan didinginkan. Aluminium kemudian dipotong menjadi beberapa spesimen untuk dianalisis. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Karakteristik Aluminium Pan hasil pirolisis plastik PE dan PE dengan coating aluminium terdiri dari aluminium dan karbon. Semakin tinggi suhu pirolisis, semakin sedikit karbon yang terdapat pada pan. Aluminium hasil pirolisis berupa lembaran-lembaran tipis berwarna keperakan. Sebelum diolah, karbon dipisahkan dari aluminium secara fisik agar tidak terlalu banyak pengotor pada logam yang akan dibentuk. Pan yang diperoleh dari pirolisis sebesar 26% terhadap massa plastik awal dan aluminium produk (aluminium costing) yang diperoleh sebesar 5,3%. Komposisi kimia sampah plastik sebagai bahan baku dan komposisi aluminium produk ditunjukkan Tabel 1. Tabel 1. Komposisi Kimia Plastik berlapis Aluminium dan Aluminium Produk No Parameter Hasil (%) Bahan Baku Produk 1 Al 77,57 95,8 2 Fe 2,38,719 3 Si 1,61 1,9 4 Cu,2,159 5 Lain-lain 18,24 1,722 Peningkatan kandungan aluminium pada produk yang ditunjukkan Tabel 5.1 dikarenakan unsur-unsur lain dalam bahan baku plastik telah terpisah menjadi produk lainnya, yaitu minyak, pan (karbon) dan gas. Komposisi kimia (kemurnian) aluminium sebesar 95,8% menunjukkan bahwa aluminium diklasifikasikan sebagai aluminium paduan (alloy), yaitu Al-Si. Aluminium alloy memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibandingan aluminium dengan kemurnian >99% karena adanya unsur-unsur lain seperti Si dan Cu yang dapat meningkatkan sifat mekanik aluminium tersebut. Aluminium yang dihasilkan berupa aluminium ingot yang dapat diolah menjadi berbagai produk. Dari hasil pengujian sifat mekaniknya, produk aluminium memiliki nilai kekerasan yang termasuk dalam kategori sedang (<7 HB). Dengan nilai kekerasan tersebut, aluminium dapat digunakan pada berbagai keperluan teknik termasuk sebagai building material. Struktur mikro dari produk aluminium pada Gambar 3 menunjukkan adanya unsur-unsur selain aluminium pada logam tersebut. Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 53

5 Yield (massa produk/massa plastik) PROSIDING SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI IV Gambar 3. Struktur Mikro Produk Aluminium 3.2 Pengaruh Suhu terhadap Produk Pan Pan merupakan residu plastik yang tertinggal dalam reaktor yang dapat diamati setelah selesainya proses pirolisis. Selama pirolisis berlangsung, plastik terurai menjadi produk minyak dan gas meninggalkan produk pan dimana terdapat aluminium di dalamnya. Yield pan dan aluminium pada berbagai suhu ditunjukkan pada Gambar 4.,8,6 pan aluminium,4, Suhu ( o C) Gambar 4. Hubungan Yield Pan dan Aluminium terhadap Suhu Pan hasil pirolisis pada penelitian ini terdiri dari aluminium dan karbon, kecuali pan hasil pirolisis pada suhu 45 o C dimana masih terdapat minyak yang membeku berbentuk lilin. Adanya lilin mengindikasikan bahwa suhu 45 o C masih belum cukup untuk menghasilkan produk pirolisis yang maksimal. Pada suhu ini, hanya sedikit minyak yang dapat menguap sehingga masih banyak yang terjebak dalam reaktor. Dari Gambar 4 dapat diketahui bahwa semakin tinggi suhu, yield pan akan semakin menurun, dengan yield aluminium yang cenderung konstan. Menurunnya produk pan seiring dengan peningkatan suhu dikarenakan lebih banyak produk pirolisis yang menjadi gas akibat lebih banyak pembentukan molekul kecil pada suhu yang lebih tinggi. Hal ini sesuai dengan pernyataan Klass (1998) yang menyatakan bahwa suhu berpengaruh terhadap proses pirolisis karena dengan bertambahnya suhu maka proses penguraian akan semakin sempurna. Menurut Scheirs (26), pirolisis pada suhu maksimum yang rendah akan memaksimalkan hasil dari pan (char). Marco et al. (27) menunjukkan hasil pan menurun seiring peningkatan suhu pirolisis. Korkmaz et al. (29) dan Undri et al. (214) juga menunjukkan bahwa jumlah pan akan menurun seiring peningkatan suhu dengan jumlah aluminium tetap. Aluminium merupakan salah satu produk pirolisis dan tidak memberikan pengaruh pada proses degradasi termal plastik. Pada pirolisis plastik berlapis aluminium, pan yang terbentuk adalah aluminium dan sisa-sisa plastik berupa karbon (char). Dengan jumlah aluminium yang tetap, maka berkurangnya jumlah pan seiring dengan kenaikan suhu pirolisis dapat diartikan dengan berkurangnya jumlah karbon pada yield pan. Berkurangnya jumlah karbon terjadi karena pada suhu yang tinggi, produk pirolisis berupa gas dan minyak akan semakin banyak terbentuk. Jumlah karbon yang semakin sedikit pada yield pan menandakan jumlah pengotor pada aluminium yang juga semakin sedikit. Aluminium dengan sedikit pengotor akan memberikan kualitas aluminium yang lebih baik. Keberadaan pengotor pada logam aluminium akan mempengaruhi struktur mikro dan beberapa sifat mekanik dari aluminium yang dapat menurunkan kualitas dari aluminium itu sendiri Pengaruh Suhu terhadap Laju Proses Pirolisis Untuk mempelajari pengaruh suhu terhadap kinetika reaksi pirolisis digunakan dua model kinetika. Model I merupakan mekanisme reaksi tunggal dimana plastik akan terdekomposisi menjadi 3 produk yaitu minyak, pan dan gas dengan laju reaksi yang sama (Gambar 1). Sedangkan pada Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 54

6 Massa minyak (gram) Massa minyak (gram) Massa minyak (gram) Massa minyak (gram) Massa minyak (gram) PROSIDING SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI IV, plastik akan terdekomposisi menjadi minyak, pan dengan laju reaksi yang berbeda (Gambar 2). Referensi acuan adalah primer yang diperoleh dari percobaan laboratorium. Data tersebut adalah massa cairan (minyak) yang diambil secara berkala selama proses pirolisis berlangsung. Gambar 5 menunjukkan hubungan massa minyak yang diperoleh dari laboratorium pada berbagai waktu dibandingkan dengan massa minyak hasil perhitungan (simulasi) pada dan II (a) 45 o C (b) 5 o C (c) 55 o C (d) 6 o C (e) 65 o C Gambar 5. Hubungan Massa Minyak Data Percobaan dan Simulasi Model I dan Model II terhadap Waktu Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 55

7 k (menit -1 ) PROSIDING SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI IV Dari Gambar 5 dapat terlihat bahwa simulasi hampir mendekati percobaan, baik pada maupun. Namun memiliki trend yang paling dekat dengan percobaan sehingga dapat disimpulkan bahwa mewakili mekanisme reaksi pirolisis plastik berlapis aluminium. Berdasarkan diketahui bahwa plastik terdekomposisi langsung menjadi minyak, pan dan gas secara bersamaan dengan laju reaksi yang sama. Berdasarkan dan tinjauan terhadap mekanisme mekanisme thermal cracking dari plastik, dapat dikatakan bahwa pemotongan plastik telah membentuk ketiga produk tersebut secara bersamaan dikarenakan pemotongan rantai yang acak. Dengan kata lain, plastik terkonversi langsung menjadi fraksi cair, pan dan gas tanpa melewati fase intermediet sehingga pembentukan gas tidak melalui pemotongan rantai pada fraksi cair. Pada awal pemotongan molekul plastik di dalam reaktor telah terbentuk fraksi-fraksi gas (C1-C4), cair (C5-C24) dan juga fraksi padat. Fraksi cair akan menguap dan terkondensasi tanpa terjadi pemotongan rantai kembali. Dari model kinetika I, dapat diperoleh nilai konstanta laju reaksi (k) yang diasumsikan sama untuk setiap pembentukan produk pirolisis yaitu minyak, pan dan gas namun nilainya berbeda pada tiap suhunya. Selanjutnya hubungan konstanta laju reaksi dengan suhu tersebut ditunjukkan Gambar 6.,1,8,6,4, Suhu ( o C) Gambar 6. Hubungan Konstanta Laju Reaksi terhadap Suhu Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu maka semakin besar nilai konstanta laju reaksi (k). Konstanta laju reaksi dalam penelitian ini adalah konstanta laju reaksi overall yang diperoleh dari evaluasi model matematis mekanisme reaksi pirolisis. Kecepatan reaksi overall merupakan fungsi dari berbagai parameter yang berbanding lurus dengan suhu sehingga nilai k meningkat seiring peningkatan suhu. Konstanta laju reaksi diasumsikan mengikuti Persamaan Arhenius, yaitu: E k Ae. RT (5) Parameter kinetika yang terlibat (pre-exponential factor dan energi aktivasi) dicari dengan melinierkan persamaan 5 dan diperoleh nilai parameter pre-exponential factor (A) sebesar 18,2689 menit -1 dan nilai energi aktivasi (E) sebesar 4,231 kj/mol.parameter kinetika yang didapatkan selanjutnya digunakan untuk menghitung massa minyak hasil simulasi sebagai perbandingan dengan minyak hasil percobaan yang ditunjukkan Gambar 7. Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 56

8 Yield Minyak (%) PROSIDING SEMINAR NASIONAL TEKNOLOGI IV _ 5_ 55_ 6_ 65_ 45_hit 5_hit 55_hit 6_hit 65_hit Gambar 7. Hubungan Yield Minyak Data dan Model terhadap Waktu pada berbagai Suhu Data hasil perhitungan yang ditunjukkan Gambar 7 menunjukkan trend yang mendekati laboratorium sehingga dapat dikatakan bahwa model kinetika mekanisme reaksi tunggal dianggap mampu menggambarkan mekanisme reaksi pirolisis plastik berlapis aluminium untuk keadaan proses dan alat yang digunakan dalam percobaan. KESIMPULAN 1. Logam aluminium yang diperoleh sebesar 5,3% terhadap massa plastik dengan komposisi kimia aluminium produk 95,8% dan kekerasan <7 HB. Aluminium yang dihasilkan merupakan aluminium paduan Al-Si yang dapat digunakan sebagai bahan baku building material dengan pengolahan lebih lanjut. 2. Kenaikan suhu pirolisis akan menurunkan yield pan dengan yield aluminium cenderung konstan. 3. Kenaikan suhu pirolisis akan meningkatkan laju proses pirolisis yang ditandai dengan meningkatnya nilai konstanta laju reaksi. Hubungan antara konstanta laju reaksi dengan suhu mengikuti persamaan: 4839 k 18,2689exp dengan T dalam Kelvin. T DAFTAR PUSTAKA Achilias, D.S., Roupakias, C., Megalokonomos, P., Lappas, A.A., and Antonakou, E.V., 27, Chemical Recycling of Plastic Wastes made from Polyethylene (LDPE and HDPE) and Polypropylene (PP), Journal of Hazardous Materials, Vol. 149 pp Buekens, A., 26, Introduction to Feedstock Recycling of Plastics, John Wiley & Sons Ltd, UK. Klass, D.L., 1998., Biomass for Renewable Energy, Fuels, and Chemicals, Academic Press, San Diego California. Korkmaz, A., Yanik, J., Brebu, M., and Vasile, C., 29, Pyrolysis of Tetra Pak, Journal of Waste Management, Vol. 29 pp Marcilla, A., Beltran, M.I., and Navarro, R., 29, Evolution of Products During the Dedradation of Polyethylene in a Batch Reactor, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Vol. 86 pp Marco, I., Caballero, B.M., Cabrero, M.A., Laresgoiti, M.F., Torres, A., and Chomon, M.J., 27, Recycling of Automobile Shredder Residues by Means of Pyrolysis, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Vol. 79 pp Scheirs, J., 26, Overview of Commercial Pyrolysis Processes for Waste Plastics, John Wiley & Sons Ltd, UK. Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 57

9 Undri, A., Rosi, L., Frediani, M., and Frediani, P., 214, Fuel From Microwave Assisted Pyrolysis of Waste Multilayer Packaging Beverage, Journal of Fuel, Vol. 133 pp Xingzhong, Y., 26, Converting Waste Plastics into Liquid Fuel by Pyrolysis: Developments in China, John Wiley & Sons Ltd, UK. Fakultas Teknik Universitas Mulawarman E 58