BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Emisi dari pembakaran bahan bakar fosil mengandung berbagai macam polutan yang dapat dikonversi menjadi komponen yang tidak berbahaya terhadap lingkungan dengan menggunakan katalis. Nitrogen Oksida (NO x ) merupakan salah satu jenis polutan yang sebagian besar dihasilkan dari proses pembakaran di dalam mesin diesel. Sekitar 75% total NO x yang dihasilkan oleh mesin diesel merupakan penyumbang utama total emisi di jalan raya (Brandenberger et al., 2008). Di dalam mesin diesel, oksidasi nitrogen berlangsung pada suhu sangat tinggi (di atas 1600 o C) yang menyebabkan terbentuknya NO x. Kerja mesin diesel membutuhkan bahan bakar yang lebih sedikit dibandingkan mesin-mesin jenis lain, namun karena mesin ini bekerja pada kondisi oksigen ekses (lean condition) sehingga menyebabkan sulitnya proses penurunan emisi NO x yang terbentuk (Corbos et al., 2009). Berdasarkan European emission standar, salah satu emisi kendaraan yang diatur adalah Nitrogen Oksida (NO x ) untuk heavy-duty diesel engines (truk dan bus) yang didasarkan pada energi output dari mesin (g/kwh). Batasan emisi yang diijinkan untuk mesin diesel dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Standar emisi EU untuk Heavy Duty Diesel Engines, g/kwh (smoke in m 1) Tingkat Tanggal berlaku CO HC NO x PM Smoke 1992 < 85 kw 4.5 1.1 8.0 0.612 - Euro I 1992 < 85 kw 4.5 1.1 8.0 0.36 - Oktober 1996 4.0 1.1 7.0 0.25 - Euro II Oktober 1998 4.0 1.1 7.0 0.15 - Oktober 1999 1.0 0.25 2.0 0.02 0.15 1
Euro III Oktober 2000 2.1 0.66 5.0 0.10 0.8 Euro IV Oktober 2005 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 Euro V Oktober 2008 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5 Euro VI 31 Desember 2013 1.5 0.13 0.4 0.01 - Sumber: European emission standars Berdasarkan standar Euro VI yang mulai diberlakukan pada 31 Desember 2013, batasan emisi NO x yang diijinkan semakin ketat. Emisi NO x yang dihasilkan dari proses pembakaran dalam mesin diesel meliputi gas NO, NO 2, dan N 2 O. Gas NO dan NO 2 yang bereaksi dengan H 2 O di udara dapat menyebabkan terjadinya hujan asam, sedangkan gas NO terlibat dalam reaksi terbentuknya ozon di troposfer, sementara gas N 2 O merupakan gas rumah kaca penyebab global warming. Teknologi terbaru yang efektif untuk mengurangi emisi NO x dari mesin diesel yaitu dengan mengaplikasikan Selective Catalytic Reduction dengan Amonia (NH 3 -SCR) pada sistem pembuangannya (exhaust system). Reaksi antara NH 3 dan NO x terjadi secara kontinyu pada permukaan katalis. Beberapa katalis yang telah diteliti untuk aplikasi pengurangan emisi NO x dengan sistem NH 3 -SCR diantaranya adalah katalis vanadia yang menggunakan titania sebagai material support dan beberapa tipe zeolit yang telah di-ion-exchange dengan ion-ion logam (Sjövall, 2009). Kelemahan dari sistem SCR menggunakan katalis vanadia terkait dengan sifat toksik dari vanadia, kecepatan reaksi oksidasi SO 2 menjadi SO 3 yang relatif tinggi, dan aktivitas katalis yang rendah pada suhu tinggi (Wilken et al., 2012). Katalis zeolit yang di-ion-exchange dengan ion-ion logam menjadi lebih populer untuk sistem NH 3 -SCR karena selektifitasnya terhadap reduksi NO x yang tinggi dan aktivitasnya pada range temperature yang lebih luas sampai maksimum pada suhu 600 o C (Sjövall, 2009). Beberapa katalis ion-exchanged zeolite yang telah diteliti aplikasinya pada sistem NH 3 -SCR antara lain Cu-zeolite dan Fe-zeolite. Kedua katalis tersebut menunjukkan 2
aktivitas reduksi NO x yang sama pada suhu 200 o C sampai 450 o C, namun pada suhu yang relatif rendah (150 o C), reduksi NO x oleh katalis Cu-zeolit lebih tinggi dibandingkan dengan Fe-zeolit. Sebaliknya pada suhu sangat tinggi (diatas 600 o C), katalis Fe-zeolit menunjukkan aktivitas yang lebih tinggi dalam mereduksi NO x dibandingkan katalis Cu-zeolit (Kröcher dan Elsener, 2008). Salah satu masalah pada sistem SCR untuk kendaraan adalah aktivitas katalisnya menurun pada suhu rendah, dimana NO x paling banyak terbentuk selama start-up kendaraan dan saat jarak tempuh kendaraan pendek (Sjövall et al., 2006 dan Colombo et al., 2012). Diantara katalis-katalis SCR tersebut, Cu-zeolite telah dipertimbangkan sebagai katalis yang prospektif untuk meningkatkan konversi NO x pada suhu rendah. Namun, aplikasi katalis Cu-Zeolit pada sistem NH 3 -SCR untuk mereduksi NO x masih memiliki banyak tantangan, diantaranya terkait dengan hidrotermal aging, rendahnya konversi NO x pada suhu rendah, dan terbentuknya produk samping yang tidak diinginkan seperti NH 4 NO 3 dan N 2 O. Beberapa studi di Grup Louise Olsson telah mempelajari katalis Cu-zeolit yang tahan terhadap hidrotermal aging. Permasalahan lain yang terkait dengan katalis Cu-zeolit adalah terbentuknya produk samping yang tidak diinginkan. Gas N 2 O merupakan salah satu gas rumah kaca yang dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon, sedangkan NH 4 NO 3 merupakan produk intermediate yang terbentuk pada suhu rendah pada sistem SCR dengan katalis Cu-zeolit dan dapat terurai menjadi N 2 O pada suhu yang lebih tinggi. Berdasarkan penelitian-penelitian di beberapa referensi, terbentuknya produk samping yang signifikan tersebut dipengaruhi oleh kandungan Cu dalam katalis zeolit. Selain itu, kandungan Cu yang tepat dalam katalis Cu-zeolit sehingga dapat meningkatkan konversi NO x dalam sistem SCR dengan produk samping yang minimal masih menjadi 3
perhatian. Penelitian tentang pengaruh variasi kadar Cu pada aktivitas katalis Cu-BEA terhadap pembentukan produk samping yang tidak diinginkan dalam sistem NH 3 -SCR, seperti NH 4 NO 3 dan N 2 O telah menjadi fokus penelitian yang dilakukan Widyastuti (2012) di Grup Louise Olsson, Chalmers University of Technology. Mekanisme yang menjelaskan reaksi reduksi NO x pada sistem NH 3 -SCR belum diketahui secara pasti dan terdapat berbagai rute reaksi utama dan reaksi intermediate yang terjadi. Untuk reaksi SCR dengan katalis Cu-mordenite, Choi et al. (1996) mengusulkan dual site mechanism yang melibatkan reaksi permukaan antara NO dan NH 3 yang teradsorpsi pada dua sisi aktif yang berbeda. Dengan mempertimbangkan studi yang dilakukan oleh Choi et al. (1996), penelitian ini bertujuan untuk mempelajari mekanisme reaksi standar SCR dengan amonia menggunakan katalis zeolit Cu-BEA dan menentukan parameter-parameter kinetika terkait. 1.2 Rumusan Masalah Dari uraian latar belakang masalah di atas maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah mekanisme reaksi standar SCR untuk mereduksi NO x dengan NH 3 akan diprediksi dengan model reaksi Eley-Rideal dan Langmuir-Hinshelwood. 1.3 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari mekanisme reaksi standar SCR dan menentukan parameter-parameter kinetika terkait berdasarkan model reaksi Eley-Rideal dan Langmuir-Hinshelwood. 4
1.4 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah: 1. Memberikan alternatif pengurangan emisi NO x dari emisi gas buang yang dihasilkan dari mesin diesel, terutama dari heavy-duty diesel engines (seperti bus dan truk). 2. Memberikan kontribusi ilmu pengetahuan terutama yang berkaitan dengan teknologi Selective Catalytic Reduction untuk mereduksi NO x dengan NH 3. 3. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya mengenai teknologi Selective Catalytic Reduction untuk mereduksi NO x dengan NH 3. 4. Sebagai masukan bagi industri automotive agar menerapkan teknologi SCR ini untuk mengurangi emisi NO x yang dihasilkan dari kendaraan. 1.5 Keaslian Penelitian Penelitian mengenai pemodelan kinetika untuk reaksi standar Selective Catalytic Reduction (SCR) dengan Amonia untuk mereduksi NO x menggunakan katalis zeolit Cu- BEA sepengetahuan penulis belum pernah dilakukan, namun pemodelan kinetika untuk reaksi standar SCR dengan menggunakan jenis katalis lain sudah pernah dilakukan. Beberapa penelitian terdahulu mengenai pemodelan kinetika selective catalytic reduction of NO x dengan amonia yang sudah pernah dilakukan diantaranya dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Penelitian terdahulu No Judul Penelitian Tujuan Hasil 1 TPD study of Mordenite-Type of Zeolites for Selective catalytic Reduction of Mempelajari pengaruh acidity dan properti adsorpsi reaktan terhadap reaksi SCR untuk katalis Acidity pada permukaan katalis merupakan faktor dominan dalam sistem reaksi SCR. Sisi aktif katalis yang berperan 5
NO by NH 3 (Choi et al., 1996) 2 Detailed kinetic modeling of NH 3 SCR over Cu-ZSM-5 (Sjövall et al., 2009) 3 Modeling the selective catalytic reduction of NO x by ammonia over a Vanadia-based catalyst from heavy duty diesel exhaust gas (Yun dan Kim, 2013) tipe zeolite dengan melakukan TPD eksperimen untuk NO dan NH 3 Mengembangkan model kinetika amonia SCR dengan katalis Cu-ZSM-5 Menentukan parameterparameter yang dapat digunakan secara praktik untuk katalis komersial V 2 O 5 dan mempelajari pengaruh parameterparameter seperti space velocity, konsentrasi O 2 dan H 2 O, rasio NO 2 /NO x dan NH 3 /NO x pada efisiensi konversi NO x. adalah situs Bronsted acid dan situs logam. Diusulkan juga bahwa reaksi terjadi berdasarkan teori Langmuir-Hinshelwood dengan mekanisme katalisis dual-site. Mekanisme reaksi dalam sistem SCR diawali dengan reaksi antara NO 2 dan NH 3 yang teradsorpsi, diikuti dengan reaksi pembentukan HNO 2 atau HNO 3, yang selanjutnya bereaksi dengan NH 3 menghasilkan N 2 atau N 2 O dan H 2 O. Konversi NO x semakin besar dengan menurunkan space velocity, konsentrasi H 2 O, dan rasio NH 3 /NO x, dan meningkatkan konsentrasi O 2 dan rasio NO 2 /NO x. Formula matematika dan rute reaksi yang terkait didasarkan pada mekanisme Langmuir- Hinshelwood. 6