BAB II LANDASAN TEORI 2.1 TEORI DASAR Sampah dikategorikan menjadi dua golongan, yang pertama adalah sampah organik yang berupa makanan sisa, sayuran, dan lain-lain dapatdihancurkan oleh mikroorganisme dan sampah anorganik yang berupa plastik yang dapat dihancurkan dengan cara dibakar, namun selain abunya tidak dapat dicerna oleh tanah, asapnya ternyata dapat membangkitkan gas beracun yang berbahaya bagi makhuk hidup. Plastik adalah suatu produk kimiayang telah dikenal dan digunakan secara luas oleh seluruh lapisan masyarakat, baik yang tinggal di desa maupun didaerah perkotaan. Saat ini, sekitar 129 juta ton plastik setiap tahunnya diproduksi, dari jumlah itu diproduksi dari bahan minyak bumi. Secara umum, plastik memiliki densitas yang rendah, bersifat isolasi terhadap listrik, mempunyai kekuatan mekanik yang bervariasi, ketahanan suhu terbatas, serta ketahanan bahan kimia UNIVERSITAS MERCU BUANA 6
yang bervariasi.material plastik memiliki banyak kelebihan dibandingkan bahan lainnya, hal ini dikarenakan sifatnya ringan, transparan, tahan air serta harganya pun relatif lebih murah dan terjangkau oleh berbagai lapisan masyarakat.. Akibatnya, dengan ruang lingkup penggunaan plastik yang seakan tidak terbatas, pertumbuhan penggunaan plastik berlangsung dengan pesat Semakin bertambah pesat penggunaan plastik maka semakin banyak pula limbah yang akan kita hadapi, baik itu yang dihasilkan dari industri besar maupun industri rumah tangga, sehingga limbah plastik menjadi permasalahan lingkungan yang sampai saat ini belum dapat dipecahkan jalan keluarnya meskipun banyak pemanfaatan limbah plastik namun belum mampu mengurangi penumpukan sampah plastik di alam. Oleh karena itu, melihat permasalahan sampah khususnya sampah plastik pembungkus makanan dan kemasan minuman botol plastik (seperti bungkus gula, bungkus es dan sejenisnya) dan kantong plastik yang kian hari makin bertambah ditempat pembuangan sampah, maka banyak upaya yang telah dilakukan untuk mengkonversi material-material sampah plastik tersebut untuk menghasilkan bahan bakar karena melihat dari sifat penyusun sampah plastik yaitu berupa hidrokarbon. Teknik yang dapat digunakan untuk mengkonversi material-material tersebut adalah dengan teknik pirolisis. Pada senyawa yang berderajat polimerisasi tinggi, pirolisis merupakan reaksi depolimerisasi dan pada suhu tinggi mengikuti mekanisme radikal bebas. Reaksi ini melalui tiga tahap yaitu, tahap memulai, tahap perambatan dan tahap penghentian. Berdasarkan dari uraian di atas penelitian mengenai pirolisis sampah plastik yang berupa kantong plastik UNIVERSITAS MERCU BUANA 7
dan pembungkus makanan untuk mendapatkan asap cair sebagai bahan bakar alternatif sangat penting untuk dilakukan. 2.1.1 KONSEP DASAR ILMU POLIMER MAKROMOLEKUL adalah molekul raksasa (giant) dimana paling sedikit seribu atom terikat bersama oleh ikatan kovalen. Makromolekul ini mungkin rantai linear, bercabang, atau jaringan tiga dimensi. Makromolekul dibagi atas dua material yaitu 1. Material biologis (makromolekul alam) Contoh : karet alam, wool, selulosa, sutera dan asbes 2. Material non biologis (makromolekul sintetik) Contoh : plastik, serat sintetik, elastomer sintetik Material biologis dapat menunjang tersediaanya pangan dan dibahas dalam biokimia sedang material non biologis mencakup bahan sintetik. Banyak makromolekul sintetik memiliki struktur yang relatif sederhana, karena mereka terdiri dari unit ulangan yang identik (unit struktural). Inilah sebabnya mereka disebut polimer. Polimer sangat penting karena dapat menunjang tersedianya pangan, sandang, transportasi dan komunikasi (serat optik). Saat ini polimer telah berkembang pesat. Berdasarkan kegunaannya polimer digolongkan atas : UNIVERSITAS MERCU BUANA 8
a. Polimer komersial (commodity polymers) Polimer ini dihasilkan di negara berkembang, harganya murah dan banyak dipakai dalam kehidupan sehari hari. Kegunaan sehari-hari dari polimer ini ditunjukkan dalam tabel 2.1 Contoh : Polietilen (PE), polipropilen (PP), polistirena (PS), polivinilklorida (PVC), melamin formaldehid Polimer komersial Polietilena massa jenis rendah(ldpe) Kegunaan atau manfaat Lapisan pengemas, isolasi kawat, dan kabel, barang mainan, botol yang lentur, bahan pelapis Polietilena massa jenis rendah(hdpe) Botol, drum, pipa, saluran, lembaran, film, isolasi kawat dan kabel Polipropilena (PP) Tali, anyaman, karpet, film Poli(vinil klorida) (PVC) Bahan bangunan, pipa tegar, bahan untuk lantaui, isolasi kawat dan kabel Polistirena (PS) Bahan pengemas (busa), perabotan rumah, barang mainan Tabel : 2.1 Sumber : modul material teknik polimer b. Polimer teknik (engineering polymers) UNIVERSITAS MERCU BUANA 9
Polimer ini sebagian dihasilkan di negara berkembang dan sebagian lagi di negara maju. Polimer ini cukup mahal dan canggih dengan sifat mekanik yang unggul dan daya tahan yang lebih baik. Polimer ini banyak dipakai dalam bidang transportasi (mobil, truk, kapal udara), bahan bangunan (pipa ledeng), barang-barang listrik dan elektronik (mesin bisnis, komputer), mesin-mesin industri dan barang-barang konsumsi Contoh : Nylon, polikarbonat, polisulfon, poliester c. Polimer fungsional (functional polymers) Polimer ini dihasilkan dan dikembangkan di negara maju dan dibuat untuk tujuan khusus dengan produksinya dalam skala kecil Contoh : kevlar, nomex, textura, polimer penghantar arus dan foton, polimer peka cahaya, membran, biopolimer Secara garis besar, plastik dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu : plastik thermoplast dan plastik thermoset. Plastik thermoplast adalah plastik yang dapat dicetak berulang-ulang dengan adanya panas. Yang termasuk plastik thermoplast antara lain : PE, PP, PS, ABS, SAN, nylon, PET, BPT, Polyacetal (POM), PC dll. Sedangkan palstik thermoset adalah plastik yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak dapat dicetak kembali karena bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi. Yang termasuk plastik thermoset adalah : PU (Poly Urethene), UF (Urea Formaldehyde), MF (Melamine Formaldehyde), polyester, epoksi dll. Untuk membuat barang-barang plastik agar mempunyai sifat-sifat seperti yang dikehendaki, maka dalam proses pembuatannya selain bahan baku utama diperlukan juga bahan tambahan atau UNIVERSITAS MERCU BUANA 10
aditif. Penggunaan bahan tambahan ini beraneka ragam tergantung pada bahan baku yang digunakan dan mutu produk yang akan dihasilkan. Berdasarkan fungsinya, maka bahan tambahan atau bahan pembantu proses dapat dikelompokkan menjadi : bahan pelunak (plasticizer), bahan penstabil (stabilizer), bahan pelumas (lubricant), bahan pengisi (filler), pewarna (colorant), antistatic agent, blowing agent, flame retardant dsb. Untuk mengerti karakteristik dari plastik, bisa dimulai dari struktur kimia penyusun plastik. Pengetahuan dasar kimia dibutuhkan untuk mengerti sifat-sifat dasar plastik. Ikatan kimia dalam struktur plastik adalah ikatan kovalen, yaitu ikatan antar atom dengan cara berbagi elektron diantara dua atom. Ikatan ini dapat terdiri dari beberapa elektron. Plastik merupakan bagian dari molekul hidrokarbon zat yang penyusun dasarnya adalah karbon dan hidrogen. Contoh dari ikatan kovalen diantaranya: Ikatan tunggal C-C, ikatan ganda C=C, atau ikatan rangkap 3. Karbon mempunyai kemampuan untuk berikatan membentuk rantai yang panjang seperti oktane: CH3-CH2-CH2-CH2- CH2-CH2-CH2-CH2-CH3. Plastik yang mempunyai struktur paling sederhana adalah polyethylene (PE). Umumnya susunan molekul dari PE terdiri dari sekitar 1000 atom karbon didalam tulang punggungnya. Molekul dari plastik sering disebut dengan macro molekul karena ukurannya sangat besar dilihat dari panjang rantai karbonnya. Untuk menyederhanakan struktur kimia dari macro molekul, maka digunakan penyingkatan. Bagian terkecil dari rantai karbon yang panjang disebut dengan mer atau monomer. Sering dituliskan seperti berikut. -[CH2-CH2]n7 UNIVERSITAS MERCU BUANA 11
dimana n adalah jumlah atau derajat dari polimerisasi. Polimerisasi berarti penggabungan bersama monomer. Sekarang ini ada ribuan jenis plastik, tapi pada dasarnya, atom-atom penyusun inti plastik adalah Karbon (C), Hidrogen (H) dan beberapa tambahan atom Oksigen (O), nitrogen (N), Klor (Cl), Fluor (F), dan belerang (S). 2.1.2 Simbol Plastik Polimer Sintetis Nomor kode Jenis plastik Keterangan PET, PETE (Polyethylene terephthalate) Bersifat jernih dan transparan, kuat, tahan pelarut, kedap gas dan air, melunak pada suhu 80 o C. Biasanya digunakan untuk botol minuman, minyak goreng, kecap, sambal, obat. Tidak untuk air hangat apalagi panas. Untuk jenis ini, disarankan hanya untuk satu kali penggunaan dan tidak untuk mewadahi pangan dengan suhu >60 o C. UNIVERSITAS MERCU BUANA 12
HDPE (High Density Polyethylene) PVC (Polyvinyl chloride) Bersifat keras hingga semifleksibel, tahan terhadap bahan kimia dan kelembaban, dapat ditembus gas, permukaan berlilin, buram, mudah diwarnai, diproses dan dibentuk, melunak pada suhu 75 o C. Biasanya digunakan untuk botol susu cair, jus, minuman, wadah es krim, kantong belanja, obat, tutup plastik. Disarankan hanya untuk satu kali penggunaan karena jika digunakan berulang kali dikhawatirkan bahan penyusunnya lebih mudah bermigrasi ke dalam pangan. Plastik ini sulit didaur ulang. Bersifat lebih tahan terhadap senyawa kimia. Biasanya digunakan untuk botol kecap, botol sambal, baki, plastik pembungkus. Plastik jenis ini sebaiknya tidak untuk mewadahi pangan yang mengandung UNIVERSITAS MERCU BUANA 13
lemak/minyak, alkohol dan dalam kondisi panas. LDPE (Low Density Polyethylene) Bahan mudah diproses, kuat, fleksibel, kedap air, tidak jernih tetapi tembus cahaya, melunak pada suhu 70oC. Biasanya digunakan untuk botol madu, wadah yogurt, kantong kresek, plastik tipis. Plastik ini sebaiknya tidak digunakan kontak langsung dengan pangan. PP (Polypropylene ) Ciri-ciri plastik jenis ini biasanya transparan tetapi tidak jernih atau berawan, keras tetapi fleksibel, kuat, permukaan berlilin, tahan terhadap bahan kimia, panas dan minyak, melunak pada suhu 140oC. Merupakan pilihan bahan plastik yang baik untuk kemasan pangan, tempat obat, botol susu, sedotan. UNIVERSITAS MERCU BUANA 14
PS (Polystyrene) Terdapat dua macam PS, yaitu yang kaku dan lunak/berbentuk foam. PS yang kaku biasanya jernih seperti kaca, kaku, getas, mudah terpengaruh lemak dan pelarut (seperti alkohol), mudah dibentuk, melunak pada suhu 95oC. Contoh : wadah plastik bening berbentuk kotak untuk wadah makanan. PS yang lunak berbentuk seperti busa, biasanya berwarna putih, lunak, getas, mudah terpengaruh lemak dan pelarut lain (seperti alkohol). Bahan ini dapat melepaskan styrene jika kontak dengan pangan. Contohnya yang sudah sangat terkenal styrofoam. Biasanya digunakan sebagai wadah makanan atau minuman sekali pakai, wadah CD, karton wadah telur, dll. Kemasan styrofoam sebaiknya tidak digunakan dalam UNIVERSITAS MERCU BUANA 15
microwave. Kemasan styrofoam yang rusak/berubah bentuk sebaiknya tidak digunakan untuk mewadahi makanan berlemak/berminya k terutama dalam keadaan panas. Other (Digunakan untuk jenis plastik selain pada nomor 1-6, termasuk Polycarbonat, bio-based plastic, copolyester, acrylic, polyamide, dan campuran plastik ) Melamin Bersifat keras, jernih dan secara termal sangat stabil. Bahan Polycarbonat dapat melepaskan Bisphenol-A (BPA) ke dalam pangan, yang dapat merusak sistem hormon. Biasanya digunakan untuk galon air minum, botol susu, peralatan makan bayi. Untuk mensterilkan botol susu, sebaiknya direndam saja dalam air mendidih dan tidak direbus. Botol yang sudah retak sebaiknya tidak digunakan lagi. Pilih galon air minum yang jernih, dan hindari yang berwarna tua atau hijau. Termasuk dalam golongan plastik UNIVERSITAS MERCU BUANA 16
termoset atau plastik yang tidak dapat didaur ulang. Bersifat keras, kuat, mudah diwarnai, bebas rasa dan bau, tahan terhadap pelarut dan noda, kurang tahan terhadap asam dan alkali. Terbuat dari resin (bahan pembuat plastik) dan formaldehid atau formalin. Kandungan formalin pada melamin dapat bermigrasi ke dalam pangan, terutama jika produk pangan dalam keadaan panas, asam dan mengandung minyak. Biasanya digunakan sebagai peralatan makan, misalnya piring, cangkir, sendok, garpu, sendok nasi, dll. Melamin yang tidak memenuhi syarat *) sebaiknya tidak digunakan untuk mewadahi pangan yang berair, mengandung asam, terlebih dalam kondisi panas. UNIVERSITAS MERCU BUANA 17
2.1.3 Pirolisis Sampah Plastik Pengambilan asap cair dilakukan dengan cara pirolisis, pertama-tama sampah plastik (sampah plastik pembungkus makanan dan kemasan botol plastik pada perlakuan awal dan sampah kantong plastik pada perlakuan kedua, sehingga dapat diketahui perbedaan kandungannya) yang telah kering dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis yang dilengkapi sistem pendingin (kondensor) dan penampung (gelas ukur), setelah semuanya siap furnace dihidupkan dan dibiarkan naik hingga temperatur optimal. Ketika temperatur tersebut tercapai, temperatur dijaga konstan selama tiga jam, asap cair yang mengalir dari kondensor ditampung dalam penampung destilat yang telah di sediakan. Asap cair dari masing-masing bahan yang dihasilkan diukur volumenya kemudian disimpan dalam botol bertutup rapat dan disimpan dalam lemari pendingin. Pirolisis merupakan suau reaksi dengan tiga tahap penting, yaitu tahap memulai, tahap perambatan dan tahap penghentian. Pada tahap memulai akan terjadi pemutusan rantai ikatan yang lemah karena adanya kenaikan suhu. Radikal bebas yang telah terbentuk pada tahap perambatan akan tepecah lagi membentuk radikal bebas baru yang lebih kecil, atau senyawa stabil. Sebelum proses pirolisis dilakukan, mula-mula dilakukan penanganan sampel yang berupa sampah botol plastik kemasan minuman dan kantong plastik yang telah dikumpulkan. Setelah sampah-sampah plastik tersebut terkumpul, dilakukan pemisahan masing-masing jenis sampah yang ingin digunakan. Kemudian dibersihkan dari kotoran/sisa-sisa makanan yang masih terdapat pada sampel dan dijemur agar diperoleh berat kering dari sampel tersebut. Setelah kering, sampelsampel tersebut dipotong kecilkecil yang bertujuan untuk memperbesar luas permukaan dari sampel agar lebih UNIVERSITAS MERCU BUANA 18
mudah dalam proses penimbangan, pemasukkan ke dalam reaktor dan proses pembakaran. Sampel yang telah dikecilkan ditimbang dan dimasukkan ke dalam reaktor, reaktor dimasukkan ke dalam furnace yang sudah dirangkai dengan sistem pendingin dan penampung destilat. Kemudian furnace dihidupkan dan temperatur diatur. Temperatur optimum yang diperoleh untuk sampel plastik yaitu pada temperatur 200 o C, pada tmperatur ini sampel dapat terbakar habis dan menghasilkan asap cair. Sebelumnya telah dicoba penggunaan temperatur hingga mencapai 220 o C, sampel plastik tersebut dapat terbakar habis tetapi asap cair yang dihasilkan sangat sedikit. Sedangkan pada temperatur di bawah 200 o C, asap cair yang dihasilkan pun sangat sedikit dan sampel plastik di dalam reaktor masih banyak tersisah (tidak terbakar seluruhnya) yang dilakukan padarentang waktu yang sama (3-4 jam). Pada temperatur 200 o C, asap dari furnace mulai keluar melewati kondensor (sistem pendingin), untuk menjaga asap tersebut agar tidak keluar seluruhnya maka disini dilakukan pengaturan sirkulasi asap yang keluar dengan menutup saluran dengan penampung destilat agar asap yang dikeluarkan tidak terlalu banyak. Hal tersebut dimungkinkan dapat diminimalkan pengeluaran asap yang berpartikel lebih kecil dibandingkan dengan partikel asap yang dapatdikondensasikan denganmemperpanjang sistem pendingin dan menambahkan pada sistem pompa agar sistem lebih dingin sehingga asap tersebut dapat terkondensasi juga, hanya saja dengan keterbatasan ruangan yang kurang memungkinkan hal tersebut belum dapat dilakukan. Setelah dilakukan pengaturan sirkulasi asap yang dihasilkan, asap cair mulai keluar hingga pada suhu optimum tersebut asap cair yang dihasilkan semakin banyak. Furnace dijalankan hingga 3-4 UNIVERSITAS MERCU BUANA 19
jam sampai asap cair tidak lagi keluar dari kondensat. Asap cair yang dihasilkan dari proses pirolisis tersebut kemudian diukur volumenya menggunakan gelas ukur, kemudian dimasukkan ke dalam botol bahan yang ditutup rapat dan disimpan pada temperatur kamar. 2.2 PROSES PERANCANGAN ALAT 2.2.1 PERSIAPAN BAHAN DAN ALAT Dalam pembuatan alat reaktor pirolisis sederhana memerlukan beberapa peralatan yang harus disiapkan agar proses pirolisis dapat berjalan dengan lancar dan hasil yang sempurna, peralatan tersebut yaitu sebagai berikut. Alat kerja : 1. Alat las (las listrik dan las asetelyne) 2. Gergaji besi 3. Alat ukur (meteran, jangka sorong) 4. Kikir 5. Lem besi 6. Sealtape Bahan : 1. Tong atau tabung beserta tutup dan klem 2. Kompor masak 3. Tabung Gas elpiji 3kg 4. Selang dan klem selang 5. Regulator 6. Tabung kondensor UNIVERSITAS MERCU BUANA 20
7. Pipa spiral 8. Keran dan sok drat 9. Pipa penyambung 10. Thermometer 11. Gelas ukur 12. Korek api 13. Corong minyak 2.2.2 TAHAPAN KERJA SELAMA PERANCANGAN 2.2.2.1 PROSES LAS Definisi las adalah suatu proses penyambungan plat atau logam menjadi satuakibat panas dengan atau tanpa tekanan. Yaitu dengan cara logam yang akandisambung dipanaskan terlebih dahulu hinga meleleh, kemudian baru disambungdengan bantuan perekat ( filler ). Selain itu las juga bisa didefinisikan sebagaiikatan metalurgi yang timbul akibat adanya gaya tarik antara atom. Dalam pembuatan alat pirolisis sederhana ini di perlukan 2 metode las yaitu: 1. Las listrik Pada pengelasan dengan las listrik, panas yang dihasikan berasal dari busurlistrik yang timbul dari menempelnya benda kerja dengan elektroda. Elekttrodapengisian dipanaskan mencapai titik cair dan diendapkan pada sambungan, hinggaterbentuk sambungan las. Panas yang dihasilkan oleh busur listrik mencapai5500 0 C.Pada saat pengelasan menggunakan las listrik, dilepaskan energi dalam jumlah yang sangat besar dalam bentuk panas dan cahaya ultraviolet. Agar matakita terlindungi dari sinar ultra violet ini, kita UNIVERSITAS MERCU BUANA 21
harus menggunakan kacamatapelindung yang mampu, menangkal cahaya tersebut demi keselamatan kerja. Las listrik di gunakan dalam pembuatan dudukan pada tabung reaktor dan kondensor. 2. Las asetelyne proses penyambungan logam dengan logam (pengelasan) yang menggunakan gas karbit (gas aseteline=c2h2) sebagai bahan bakar, prosesnya adalah membakar bahan bakar yang telah dibakar gas dengan O2 sehingga menimbulkan nyala api dengan suhu yang dapat mencairkan logam induk dan logam pengisi. Las asetelyne digunakan pada pemasangan komponen keran dan sok drat, dan juga pada sambungan pipa ke sok drat. UNIVERSITAS MERCU BUANA 22
Langkah kerja / tahapan pembuatan alat destilasi dapat diilustrasikan dalam flow chart sebagai berikut : Persiapan alat dan bahan Lubangi bagian dinding tabung reaktor dan tabung kondensor Las nipel pada bagian lubang dinding atas tabung reaktor yang sudah dilubangi. Kemudian sambung dengan pipa sambungan. Lubangi bagian dinding atas tabung reaktor, berlawanan dengan pipa kondensor, gunanya untuk lubang udara, lubangi bagian dinding tengah gunanya untuk thermostat Las lubang in pipa spiral dengan pipa sambungan pada lubang bagian atas tabung kondensor Las nipel pada bagian dinding bawah tabung kondensor Las nipel pada lubang bagian dinding tengah tabung reaktor Las lubang ex pipa spiral dengan nipel pada bagian bawah didalam tabung Gambar 2.1 Flow chart Proses perancangan alat destilasi UNIVERSITAS MERCU BUANA 23
2.2.2.2. PROSES PERAKITAN Pada tahapan ini semua bahan yang telah di kerjakan dan di bentuk sesuai dengan ukuran alat, maka akan di buat menjadi satu rangkaian utuh sehingga dapat menjadi alat pirolisis sederhana. Yang terdiri dari penggabungan semua komponen yang telah di rancang, 1. Tabung reaktor 2. Tabung kondensor 3. Pipa spiral 4. Pipa penghubung 5. Dudukan tabung 6. Kompor masak UNIVERSITAS MERCU BUANA 24
Pada tabung reator terdapapat 3 lubang: 1. Lubang untuk pemasangan sok drat untuk pemasangan termostat 2. Lubang untuk pemasangan sok drat untuk pemasanan keran yang tersambung pada pipa ke kondensor 3. Lubang untuk pemasangan sok drat untuk pemasangan keran bypass Penyambungan semua harus dilapisi sealtape agar terhindar dari kebocoran Penyambungan ke tabung kondensor melalui pipa sambungan yang terhubung ke kondensor, terfokus langsung pada bagian pipa spiral di dalam kondensor Gambar 2.2 proses perakitan UNIVERSITAS MERCU BUANA 25
Gambar 2.3 Alat Pirolisis Sederhana UNIVERSITAS MERCU BUANA 26