CATALITYC CONVERTER JENIS KATALIS STAINLESS STEEL BERBENTUK SARANG LABA-LABA UNTUK MENGURANGI EMISI KENDARAAN BERMOTOR Ali Mokhtar 1, Trenyu Wibowo 2 Universitas Muhammadiyah Malang Kontak Person : Ir. Ali Mokhtar MT, Jl. Tlogosari No. 37i Tlogomas Malang Telp. 0811360358, Email alimokhtar011@gmail.com, ABSTRAK Meningkatnya jumlah kendaraan bermotor berdampak langsung pada polusi udara oleh gas buang kendaraan tersebut, polusi udara di daerah perkotaan didominasi oleh polusi dari emisi kendaraan bermotor, seiring dengan permasalahan polusi maka penelitian ini selain bertujuan mendapatkan desain catalytic converter berbahan katalis kawat stainless steel berbentuk sarang laba-laba juga untuk menguji emisi gas buang pada catalytic converter tersebut. Katalis kawat stainless stell berbentuk sarang laba-laba sangat baik untuk bahan katalis catalityc converter, katalis tersebut selain mudah didapat dan murah harganya, juga mampu mereduksi dan mengoksidasi emisi kendaraan bermotor, sehingga cocok sebagai bahan katalis. Metode yang dipergunakan pada penelitian ini adalah metode experimental, mulai dari perancangan rumah katalityc converter, jenis katalis sampai proses pembuatan catalityc converter jenis katalis sarang laba-laba berbahan stainless steel, selanjutnya dilakukan pengujian untuk mengetahui emisi gas buang kendaraan bermotor yang menggunakan catalytic converter dan tanpa menggunakan catalityc converter,dari hasil pengujian emisi didapatkan bahwa pemakaian catalytic converter berbahan katalis stainless steel berbetuk sarang laba - laba dapat mengurangi emisi gas HC dan CO. Hasil emisi gas HC sebesar 64,84 ppm, penurunan emisinya sebesar 35,2 % dibanding tanpa menggunakan catalytic converter. Hasil Emisi gas CO sebesar 73,1 %, penurunan emisinya sebesar 26,9 %. dibanding tanpa menggunakan catalytic converter. Kata kunci: catalytic converter Kawat Stainless stell sarang laba-laba. Pendahuluan Catalytic converter adalah suatu alat yang dipasang di mobil-mobil yang berfungsi untuk mengurangi emisi gas buang pada kendaraan tersebut. Untuk mengetahui fenomena aliran didalam saluran cukup sulit, tetapi dengan menggunakan perangkat lunak Fluent atau ansys, simulasi dapat dilakukan untuk menentukan pola aliran yang terbentuk di dalam saluran. Semakin merata gas buang mengenai permukaan catalytic converter maka semakin besar terjadinya proses reduksi emisi (Krisnanil, Ali Mokhtar 2005), Peningkatan jumlah kendaraan bermotor akan meningkatkan pemakaian bahan bakar minyak, terutama pada kendaraan 2 tak dimana pada kendaraan ini proses pembakarannya tidak dapat sempurna dibanding kendaraan 4 tak hal ini akan membawa risiko pada penambahan gas beracun di udara terutama CO, HC, SO2. (Sudomo 2002). Catalytic converter telah menjadi peralatan standar bagi semua kendaraaan bermotor di belahan bumi yang telah maju. Katalisator akan efektif bekerja jika gas asap dapat mengenai semua permukaan kalatalis dan bekerja antara temperatur 250 o C sampai 300 o C. (Prasetyo, Joni 2006). Aliran gas asap melewati katalisator lubang horizontal tanpa sekat menunjukkan hasil distribusi aliran yang baik (Ali Mokhtar 2009), Catalityc converter dengan bahan katalis almunium menunjukkan hasil kurang baik untuk mengurangi emisi (Rengki 2009), Oleh karena itu dari kekurangan dan kelebihan penelitian SENTRA II - 1
sebelumnya maka dilakukan penelitian dengan membuat catalityc converter dengan bahan katalis dari kawat stainless stell berbentuk sarang laba-laba. Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui seberapa besar emisi yang dihasilkan oleh kendaraan bermotor jika tidak menngunakan catalityc converter dan jika menggunakan catalityc converter dengan bahan katalis dari kawat stainless stell berbentuk sarang laba-laba, adapun model desain katalis sarang lebah sebagai berikut. Input Rumah Output Gambar 1. Disain katalis sarang laba-laba Proses pembakaran yang tidak sempurna mengakibatkan emisi gas polutan seperti HC, CO, NO x yang dikeluarkan melalui saluran buang kendaraan bermotor, pada kenyataannya tidak mungkin pembakaran bisa sempurna 100%, maka perlu dipasang catalityc converter pada semua kendaraan bermotor. Studi Pustaka Reaksi pembakaran, baik bahan bakar bensin maupun bahan bakar gas merupakan reaksi oksidasi antara senyawa hidrokarbon dengan oksigen, sehingga dihasilkan produk berupa karbon dioksida, uap, air atau produk lainnya, tergantung kualitas pembakaran. Jumlah nitrogen dalam udara yang bergabung dengan oksigen akan membentuk nitrous okside (NO x ) yang merupakan polutan dalam udara. Emisi Gas Buang Emisi gas buang yang dihasilkan dari proses pembakaran dalam mesin kendaraan merupakan salah satu sumber polusi udara. Emisi gas buang yang dihasilkan berupa karbonmonoksida (CO), karbondioksida (CO 2 ), hydrokarbon (HC), dan oksida nitrogen (NO x ). Bahan bakar secara umum mengandung unsur-unsur karbon, hydrogen, oksigen, nitrogen dan belerang. Dalam pembakaran sempurna, gas buang hasil pembakaran berupa karbondioksida (CO 2 ) dan air (H 2 O) serta udara yang tidak terlibat pembakaran. Namun pembakaran sempurna sulit dicapai, sehingga terdapat gas buang hasil pembakaran lain seperti CO, HC, dan juga NO x, karena 79% udara untuk pembakaran terdiri dari nitrogen. Karbonmonoksida (CO) Banyaknya CO dari gas buang tergantung dari perbandingan bahan bakar dan udara. Hanya pada pembakaran sempurna nilai CO-nya kecil. Karbonmonoksida sebanyak 0,03% sudah merupakan racun yang berbahaya untuk manusia. Jumlah 0,03% selama setengah jam adalah mematikan, karbonmonoksida merupakan hasil reaksi antara kandungan karbon dalam bahan bakar, dengan oksigen. Reaksi yang terjadi adalah : 2C + O 2 2 CO. Apabila masih terdapat sisa oksigen dalam udara pembakar, maka CO akan bereaksi kembali : 2CO + O 2 CO 2. Hidrokarbon (HC) Penyebab utama yang mempengaruhi tingginya HC dalam gas buang adalah rasio campuran udara bahan bakar. Bila campuran gemuk maka akan semakin tinggi konsentrasi HC, hal ini diakibatkan oleh tidak cukupnya oksigen untuk membakar bahan bakar sehingga akan terdapat sisa hidrokarbon. Pada dinding silinder mempunyai temperatur yang lebih kecil dari temperatur pembakaran, sehingga akan menyerap kalor dari campuran udara dan bahan bakar. Sehingga saat katup exshaust terbuka ada kandungan bahan bakar yang keluar sebagai gas buang HC. II - 2 SENTRA
Catality Converter (CC) Cataliytic converter adalah salah satu alat untuk mempercepat terjadinya proses pembakaran sisa-sisa Hidrokarbon (HC), Karbon Monoksida (CO) dan Nitrogen Oksid (NO x ) yang masih terdapat pada gas buang kendaraan bermotor. Sewaktu melewati catalytic converter gas tersebut akan mengalami proses kimia secara oksidasi dan reduksi akibat adanya penambahan oksigen dan temperatur tinggi, proses pembakaran sisa hidrokarbon (HC), karbon monoksida (CO), dan nitrogen oksid (NO x ) yang masih terdapat pada gas buang sewaktu melewati katalisator, yang semula berbahaya berupa HC, CO dan NO x akan berubah menjadi senyawa yang stabil berupa CO 2, senyawa air H 2 O, senyawa N 2 dan O 2. (Gates 1992) Gas buang dari exhaust Rumah katalis Ke muffler Hc Co No H 2 o Co 2 N 2 o 2 Gambar 2. Skema konstruksi catalyst converter Dengan adanya catalytic converter pada saluran gas buang, emisi gas buang yang merupakan zat kimia yang berbahaya, seperti HC, CO dan NO x akan dikonversikan menjadi zat kimia yang tidak berbahaya. Diantara bahan katalis sebagai catalityc converter, jenis logam yang di ketahui efektif sebagai oxydation catalyst, yaitu : platinum, plutonium, palladium, (nobel metal), tembaga, vanadium, besi, kobal, nikel, mangan, chromium, dan okside dari logam-logam tersebut. (E.F. Obert) Reaksi reduksi catalytic, pada prinsipnya adalah untuk meningkatkan tempat penggiatan molekul NO, seperti pada nikel atau tembaga di dalam CO (tetapi tanpa O 2 yang mana akan menyebabkan oksidasi), untuk membentuk N 2 dan CO 2. NO bisa bereaksi dengan molekul logam untuk membentuk oksid yang kemudian dapat bereaksi dengan CO, untuk mengembalikan molekul logam yang dapat di pakai sebagai reducing catalyst adalah besi, nikel, tembaga, paduan dan oksida dari logam tersebut dan lainnya. (E.F Obert). Gambar 3. Saluran gas buang dengan katalis konverter (Heisler H, 1999) Metode Penelitian Desain katalisator pada catalityc converter memerlukan kecermatan tersendiri, agar didapatkan hasil yang maksimal terutama saat terjadinya aliran gas didalam katalisator, semakin merata aliran gas didalam katalisator akan semakin maksimal terjadinya proses reduksi sehingga emisi yang dikeluarkan semakin berkurang, (Krisnanil, Ali Mokhtar 2005). Metode penelitian yang dipakai disini adalah metode experimental, yaitu dengan melakukan uji emisi kendaraan bermotor tanpa menggunakan catalityc converter dan menggunakan catalityc converter berbahan stainless stell berbentuk sarang laba-laba, katalis ini telah direkomendasikan pada penelitian sebelumnya (Ali Mokhtar 2013). Sebelum bentuk katalisator di buat, maka desain katalisator dibuat lebih dahulu, baru dibuat bentuk asli katalisator tersebut, katalisator yang telah ditentukan lalu kita uji presisi dengan desain knalpot yang sudah ada, Prinsip uji presisi ini untuk menunjukkan bahwa desain katalisator tersebut apakah sudah sesuai (pas) dan cocok dengan disain dari knalpot yang digunakan. Setelah uji presisi maka catalityc converter kita pasang pada kendaraan SENTRA II - 3
lalu kita uji emisinya. Cara pembuatan katalis pertama-tama kawat dipotong potong sesuai ukuran, kemudian dirakit sesuai dengan jarak antar kawat yang telah ditentukan, kemudian baru dirakit secara keseluruhan seperti pada urutan gambar sebagai berikut Gambar 4 Urutan pembuatan katalis sarang laba-laba Analisa dan Pembahasan Pengukuran emisi dilakukan dengan menggunakan alat ukur emisi yang dinamakan gas analyzer, alat ini berfungsi untuk mengukur kadar emisi gas buang dengan cara lubang knalpot dimasuki pipa detector gas, pipa tersebut akan menyerap gas bekas kemudian inputan gas tadi akan ditansfer dalam bentuk angka-angka analog yang menunjukkan besarnya kandungan emisi dari gas tersebut, lalu di print out sesuai yang diinginkan. Dari hasil pengujian didapatkan data awal untuk catalityc converter dengan bahan katalis kawat stainless stell berbentuk sarang laba-laba dan data hasil pengujian tanpa menggunakan catalityc converter atau standart. Pembahasan. Pengambilan data dilakukan sebanyak lima kali pada tiap putaran lalu dirata-rata kemudian ditabelkan dan dibuat grafik, putaran diambil antara 1000 rpm sampai 3500 rpm, data putaran ini diambil dengan asumsi bahwa kendaraan beroperasi stasioner pada putaran 1000 rpm dan putaran mendekati maksimum adalah pada 3500 rpm. Gambar 5 Grafik Perbandingan emisi HC terhadap Putaran pada model standart atau tanpa CC, dengan Catalys sarang laba-laba II - 4 SENTRA
Dari data uji emisi bahwa model standart atau model tanpa CC menunjukkan kadar HC yang cukup besar dengan rata-rata 1250,2 ppm, sedangkan untuk model Catalys sarang laba-laba mengalami penurunan kadar emisi HC dibanding model standart atau model tanpa CC, ini terjadi karena gas asap yang keluar melalui catalityc converter terjadi proses oksidasi dan reduksi dengan baik sehingga emisi HC bisa menurun, dengan kadar penurunan maksimum sebesar 35,2 %. Gambar 6 Grafik Perbandingan emisi CO terhadap Putaran pada model standart atau model tanpa CC, dengan Catalys sarang laba-laba Dari data uji emisi bahwa model dengan Catalys sarang laba-laba mengalami penurunan kadar emisi CO dibanding model standart atau model tanpa CC, hal ini terjadi karena gas asap yang keluar melalui catalityc converter terjadi proses reduksi dan oksidasi secara sempurna sehingga emisi CO mengalami penurunan, kadar penurunan maksimum sebesar 26,9 % dibanding model standart atau model tanpa CC. Kesimpulan dan Saran Dari hasil pembahasan dapat disimpulkan bahwa Catalityc Converter dengan bahan catalis kawat stainless stell berbentuk sarang laba-laba mampu menurunkan emisi yang signifikan dibandingkan dengan model standart atau model tanpa catalityc converter, Penurunan emisi paling signifikan terjadi pada CO dan HC masing masing sebesar 26,9 % dan 35,2 %, Sebagai saran untuk penelitian berikutnya hendaknya dilakukan penelitian dengan topik yang sama tetapi menggunakan catalityc converter dengan material katalis yang berbeda berbentk sama. Ucapan Terima Kasih Bersama ini kami sebagai peneliti tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada : a. Universitas Muhammadiyah Malang, melalui DPPM UMM dimana penelitian ini dapat berjalan dengan lancar. b. Fakultas Teknik UMM. yang telah memfasilitasi kegiatan penelitian ini sehingga berjalan dengan lancar. c. Jurusan Mesin khususnya Laboratorium Teknik Mesin yang telah banyak membantu dalam penyelesaian penelitian ini. Semua yang terlibat dalam pelaksanaan program ini sehingga bisa selesai tepat waktu. Referensi SENTRA II - 5
[1] Akhmad Indra S. Petunjuk pengoperasian Computational Fluid Dynamics (CFD), Ansys Flotran, Pusat Komputer FT-Universitas Indonesia, 2002. [2] Jurnal JF BINGHAM, BSc, PhD, AMIMechE Intake System design using a validated internal combustion engine computer model, National Enginering Laboratory, East Kilbride, Glasgow, Scotland. (C25/87) [3] Katalisator akan efektif bekerja jika gas asap dapat mengenai semua permukaan kalatalis dan bekerja antara temperatur 250 o C sampai 300 o C. (Jurnal Prasetyo, Joni ITS 2006) [4] Analisa penyebaran distribusi aliran pada catalityc converter dengan menggunakan empat macam model (Ali Mokhtar, Dwi kurniawan, 2009) [5] Analisa penggunaan catalityc converter berbahan katalis Almunium dan tembaga (Rengki, M. Reza, Ali Mokhtar 2010) [6] Penggunaan catalityc converter berbahan katalis Pipa Tembaga (Ali Mokhtar, Andin, Puji, sahrul 2011) [7] Penggunaan catalityc converter berbahan katalis Pipa kuningan (Ali Mokhtar, 2012) [8] Mathur, Sharma L. 1975, Internal Combustion Engine. Second Edition. McGraw-Hill Book Company, Inc, New York. [9] Bosch R, G. (1990). Emission Control for Gasoline Engines. Edition. Stuttgart. Germany. [10] Obert, E.F. 1983. Internal Combustion Engines and Air Pollution. New York : Harper and Row Publisher. [11] Chusnul. M 2005, Study Penggunaan Katalis CuO/yAL203 sebagai Catalytic Converter Untuk Mereduksi Emisi CO, ITS, Surabaya [12] Karvounis E, DN Assanis. 1992. The Effect of Inlet Flow Distribution on Catalytic Converter. Journal of Effecience Heat and Mass Transfer 36(6) 1495 1504. [13] Wardhana, W., A., (2004). Dampak Pencemaran Lingkungan. Penerbit Andi. Yogyakarta. [14] Irawan B., 2003, Rancang Bangun Catalytric Converter dengan Material Substrat Tembaga (Cu) untuk Mereduksi Emisi Gas CO, Tesis MIL UNDIP II - 6 SENTRA