BAB II. PENELUSURAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
Pirolisis atau devolatilisasi adalah proses fraksinasi material oleh suhu. Proses pirolisis dimulai pada temperatur sekitar 230 °C, ketika komponen yang tidak stabil secara termal, dan volatilematters pada sampah akan pecah dan menguap bersamaan dengan komponenlainnya. Produk cair yang menguap mengandung tar dan polyaromatic hydrocarbon. Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas (H 2, CO, CO2, H2O, dan CH 4), tar (pyrolitic oil), dan arang. Parameter yang berpengaruh pada kecepatan reaksi pirolisis mempunyai hubungan yang sangat kompleks, sehingga model matematis persamaan kecepatan reaksi pirolisis yang diformulasikan oleh setiap peneliti selalu menunjukkan rumusan empiris yang berbeda (Trianna dan Rochimoellah, 2002). Selain itu, plastik merupakan polimer yang berat berat molekulnya tidak bisa ditentukan, ataupun dihitung. Karena itu, kecepatan reaksi dekomposisi didasarkan pada perubahan massa atau fraksi massa per satuan waktu. Produk pirolisis selain dipengruhi oleh suhu dan waktu, juga oleh laju pemanasan. Rodiansono dkk.,(2007) melakukan perengkahan sampah plastik jenis polipropilena dari kemasan air mineral dalam reaktor pirolisis terbuat dari stainless steel, dilakukan pada temperatur 475 OC dengan dialiri gas nitrogen (100 mL/menit). m L/menit).
Faktor-faktor atau kondisi yang mempengaruhi proses pirolisis adalah : 1. Waktu Waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan karena, semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung. produk yang dihasilkannya (residu padat, tar, dan gas) gas) makin makin naik. naik. Kenaikan Kenaikan itu sampai denga dengan n waktu tak hingga hingga ( ) yaitu waktu yang diperlukan sampai hasil padatan residu, tar, dan gas mencapai konstan. Nilai
dihitung sejak proses isotermal berlangsung. Tetapi jika melebihi
waktu optimal maka karbon akan teroksidasi oleh oksigen (terbakar), menjadi karbondioksida dan abu. Untuk itu pada proses pirolis is penentuan waktu optimal sangatlah penting.
2. Suhu Suhu sangat mempengaruhi produk yang dihasilkan karena sesuai dengan persamaan Arhenius, suhu makin tinggi tinggi nilai konstanta dekomposisi termal makin besar akibatnya laju pirolisis bertambah dan konversi naik. 3. Ukuran Partikel Ukuran partikel berpengaruh terhadap hasil,semakin besar ukuran partikel. Luas permukaan per satuan berat semakin kecil,sehingga proses akan menjadi lambat. (Wahyudi,2001) 4. Berat Partikel Semakin banyak bahan yang dimasukkan,menyebabkan hasil bahan bakar cair(ta r) dan arang meningkat.(Wahyudi,20 m eningkat.(Wahyudi,2001) 01) Plastik adalah polimer rantai panjang dari atom yang mengikat satu sama lain. Rantai ini membentuk me mbentuk banyak unit molekul berulang, atau "monomer".Istilah plastik mencakup produk polimerisasi polimerisasi sintetik, namun ada beberapa polimer alami yang termasuk plastik. Plastik terbentuk dari kondensasi organik atau penambahan polimer dan bisa juga terbentuk dengan menggunakan zat lain untuk menghasilkan plastik yang ekonomis Polyethylene(PE) Polyethylene(PE) berdensitas menengah dan tinggi, titik lelehnya berkisar 120oC hingga 135 oC.Titik leleh polietilena berdensitas rendah berkisar 105oC hingga115oC.HDPE memiliki derajat rendah dalam percabangannya dan memiliki kekuatan antar molekul dan kekuatan regang sangat tinggi. Kegunaannya adalah sebagai bahan pembuat botol susu,botol/kemasan deterjen, kemasan margarin, pipa air dan tempat t empat sampah. s ampah. LDPE dicirikan dicir ikan dengan den gan densitas 0,910-0,940 g/cm 3. LDPE memiliki derajat tinggi terhadap percabangan rantai panjang dan pendekyang berarti tidak akanberubah menjadi struktur kristal. Hal ini juga mengindikasikan
bahwa
LDPE
memiliki
kekuatan
regangan
yang
rendah.Kegunaannya adalah sebagai container yang agak kuat dan dalam aplikasi film plastik seperti sebagai kantongplastik dan plastik pembungkus. LLDPE dicirikan dengan densitas antara 0,915-0,925 g/cm 3. LLDPE adalahpolimer linier dengan percabangan rantai pendek dengan jumlah yang cukup signifikan, kegunaannya sebagai pembungkus kabel, mainan, tutup kemasan, ember,
container dan pipa (Aprian et al, 2011). Reaksi pirolisis pada temperatur 475 oC dalam reaktor yang terbuat dari stainless steel dan dialiri gas nitrogen(100 mL/menit) menghasilkan kecepatan reaksi dekomposisi perengkahan sampah plastik jenis polipropilena (PP).Agus Sapriyanto (2011) telah melakukan pengujian terhadap mesin pengubah sampah plastik menjadi BBM. Proses pengujian dilakukan pada 1 kg sampah plastik dengan suhu pemanasan 530 oC. Jenis plastik yangdimasukkan ialah semua jenis plastik. Kemudian dalam waktu 2 jam menghasilkan bahan bakar cair sebanyak 300 ml. Berdasarkan hasil pengujian didapat nilai kalor bahan bakar tersebut sampah plastik sebesar10.519 Cal/g atau 44.040,95 J/g, setara dengan nilai kalor premium yaitu 10.285 Cal/g atau 43061,24 J/g. Di tahun yang sama, Aprian dkk (2011) juga meneliti minyak yang diperoleh dari proses pirolisis pengolahan sampah plastik. 2.2. Pengenalan Plastik
Plastik adalah salah satu jenis senyawa makromolekul yang dibentuk dengan proses polimerisasi. Polimerisasi adalah proses penggabungan beberapa molekul sederhana (monomer) melalui proses kimia menjadi molekul besar ( makromolekul atau polimer). Plastik merupakan senyawa polimer yang unsur penyusun utamanya adalah karbondan hidrogen.Untuk membuat plastik,salah satu bahan baku yang sering digunakan adalah naphta,yaitu bahan yang dihasilkan dari penyulingan minyak bumi atau gas alam. Plastik dapat dikelompokkan menjadi dua macam yaitu thermoplastic dan termosetting .Thermoplastic adalah bahan plastik yang jika dipanaskan sampai temperatur tertentu, akan mencair dan dapat dibentuk kembali menjadi bentuk yang diinginkan, sedangkan thermosetting adalah plastik yang jika telah dibuat dalam bentuk padat, tidak dapat dicairkan kembali dengan cara dipanaskan. Berdasarkan sifat kedua kelompok plastik diatas, thermoplastic adalah jenis yang memungkinkan untuk didaur ulang. Jenis plastik yang dapat didaur ulang diberi kode berupa nomor untuk memudahkan dalam mengidentifikasi dalam penggunaannya seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.1 dan Tabel 2.1.
Sumber: UNEP,2009
Gambar 2.1 Nomor Kode Plastik
Tabel 2.1 Jenis plastik, kode dan penggunaannya No. Kode
Jenis Plastik
Penggunaan
1
PET ( polyethylene terephthalate)
botol kemasan air mineral, botol minyak goreng, jus, botol sambal, botol obat, dan botol kosmetik
2
HDPE (High-density Polyethylene)
botol obat, botol susu cair, jerigen pelumas, dan botol kosmetik
3
PVC (Polyvinyl Chloride)
pipa selang air, pipa bangunan, mainan, taplak meja dari plastik, botol shampo, dan botol sambal.
4
LDPE (Low-density Polyethylene)
kantong kresek, tutup plastik, plastik pembungkus daging beku, dan berbagai macam plastik tipis lainnya.
5
PP (Polypropylene atau Polypropene)
cup plastik, tutup botol dari plastik, mainan anak, dan margarine
6
PS (Polystyrene)
kotak CD, sendok dan garpu plastik, gelas plastik, atau tempat makanan dari styrofoam, dan tempat makan plastik transparan
7
Other (O), jenis plastik lainnya selain dari No.1 hingga 6
botol susu bayi, plastik kemasan, gallon air minum, suku cadang mobil, alat-alat rumah tangga, komputer, alat-alat elektronik, sikat gigi, dan mainan lego
2.3. Sifat Thermal Plastik
Pengetahuan sifat thermal dari berbagai jenis plastik sangat penting dalam proses pembuatan dan daur ulang plastik. Sifat-sifat thermal yang penting adalah titik lebur (Tm), temperatur transisi (Tg) dan temperatur dekomposisi. Temperatur transisi adalah temperatur di mana plastik mengalami perenggangan struktur sehingga terjadi perubahan dari kondisi kaku menjadi lebih fleksibel. Di atas titik lebur, plastik mengalami pembesaran volume sehingga molekul bergerak lebih
bebas yang ditandai dengan
peningkatan
kelenturannya. Temperatur lebur
adalah temperatur di mana plastik mulai melunak dan berubah menjadi cair. Temperatur dekomposisi merupakan batasan dari proses pencairan. Jika suhu dinaikkan di atas temperatur lebur, plastik akan mudah mengalir dan struktur akan mengalami dekomposisi. Dekomposisi terjadi karena energi thermal melampaui energi yang mengikat rantai molekul. Secara umum polimer akan mengalami dekomposisi pada suhu diatas 1,5 kali dari temperatur transisinya (Budiyantoro, 2010). Data sifat termal yang penting pada proses daur ulang plastik dapat dilihat pada Tabel 2.2. . Tabel 2.2. Data temperaturtransisidan temperaturleburplastik Jenis
PP HDP LDP PA PET ABS PS PMM PC PVC
Tm (oC)
Tg (oC)
168 133 330 260 250
5 -110 -115 50 70 110 90 100 150 90
Temperatur kerja maks (oC) 80 82 260 100 100 85 70 85 246 71
Sumber:Budiyantoro,2010
Perbandingan energi yang terkandung dalam plastik dengan sumber- sumber energi lainnya dapat dilihat pada Table 2.3. Tabel 2.3 Nilai Kalor bahan plastik dan bahan lainnya Material
Nilai Kalor (MJ/kg)
Polyethylene
46,3
Polypropylene
46,4
Polyvinyl chloride
18,0
Polystyrene
41,4
Coal
24,3
Petrol
44,0
Diesel
43,0
Heavy fuel oil
41,1
Light fuel oil
41,9
LPG
46,1
Kerosene
43,4
Sumber: Das dan Pande, 2007
2.4. Polyprophylen (PP)
Polyprophylen (PP) merupakan polimer hidrokarbon yang termasuk ke dalam polimer termoplastik yang dapat diolah pada suhu tinggi. Polipropilena berasal dari monomer propilena yang diperoleh dari pemurnian minyak bumi. Struktur molekul propilena dapat dilihat pada gambar 2.1.1 berikut : CH2=CH-CH3
8
Secara industri, polimerisasi polipropilena dilakukan degan menggunakan katalis. Proses polimerisasi ini akan menghasilkan suatu rantai linear yang berbentuk – A-A-A-A-A-A-, dengan A merupakan propilena. Reaksi polimerisasi dari propilena dapat dilhat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Reaksi Polimerisasi propilena menjadi polipropilena
Dalam kehidupan sehari-hari polipropilena dapat dijumpai penggunaannya dalam bentuk kemasan botol minuman, alat tulis, peralatan laboratorium, serta komponen otomotif. Contoh plastik jenis polipropilena dalam kehidupan seharihari dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Jenis plastik polipropilena dalam kehidupan sehari-hari
2.4.1. Sifat-sifat Polipropilena
9
Polipropilena merupakan jenis bahan baku plastic yang ringan dengan densitas 0.90-0.92 gr/cm 3, memiliki kekerasan dan kerapuhan yang paling tinggi dan bersifat kurang stabil terhadap panas dikarenakan adanya hydrogen tersier. Penggunaan bahan additive memungkinkan polipropilena memiliki mutu kimia yang baik sebagai bahan polimer dan tahan terhadap pemecehan yang disebabkan oleh
tekanan
maupun
temeperatur
yang
tinggi.Polipropilena
memiliki
konduktivitas panas yang rendah 0.12 W/m sehingga banyak juga dimanfaatkan sebagai isolator. Polipropilena
memiliki
tingakat
kristalinitas
yang
rendah
sehingga
rentanterhadap laju pendinginan, contohnya dalam suatu proses pencetakan thermoplastik membentuk barang jadi yang tebal dan luas, maka bagian tengah akan menjadi dingin lebih lambat daripada bagian luar, yang bersentuhan langsung dengan dengan cetakan. Akibatnya akan terjadi perbedaan drajat kristalinitas pada bagian permukaan dengan bagian tengah.
Tabel 2.4 Sifat Fisika dan Kimia Polypropylene (PP)
Sifat Fisika
Sifat Kimia
Rumus Kimia
: (C3H6)n
Tidak Korosif
Bentuk
: Butiran padat
Pada suhu tinggi material akan mulai
Warna
: Tembus cahaya
membusuk menghasilkan asap yang
Bau
: Sedikit berbau
dapat berisi CO2, CO, Keton dan
Berat Molekul
: 42 kg/mol
aldehida
Densitas
: 0,880-0,913 g/cm3
Titik Lebur
: 150-170oC
Titik Nyala
: >300oC
Suhu dekomposisi : >300 oC
ΔGO (kjoule/mol OK) : 62,72
ΔHO (kjoule/mol OK) : 20,42
(sumber : Material Safety Data Sheet, polypropylene 2016) Berdasarkan Keputusan Direktur Jendral Minyak dan Gas Bumi tahun 2008, Kementerian Energi danSumber Daya Mineral Republik Indonesia. Standar dan mutu (spesifikasi) bahan bakar minyak jenis minyak bakaryang dipasarkan di dalam negeri adalah sebagai berikut (ESDM, 2008). Tabel 2.5 Spesifikasi bahan bakar minyak
(Sumber: SK Dirjen Minyak & Gas Bumi, ESDM, 2008)
2.5. Polystyrene (PS)
Polistirene adalah hasil polimerisasi dari monomer-monomer stirena, dimana monomer stirenanya didapat dari hasil proses dehidrogenisasi dari etil benzene (dengan bantuan katalissedangkan etil benzene-nya sendiri merupakan hasil reaksi antara etilena dengan benzene (dengan bantuan katalis). `
Polystyrene dibentuk dari moleku molekul styrene.Ikatan rangkap antara
bagian CH2 dan CH dari molekul disusun kembalihingga membentuk ikatan dengan molekul molekul styrene berikutnya danpada akhirnya membentuk polystyrene. Material ini diaplikasikan untukpembuatan furniture (pelapis kayu ), cashing monitor komputer ,cashing TV,utensil , lensa (optik dari plastik ). Bilamana polystyrene dipanaskan dan udaraditiupkan maka melal ui pencampuran tersebut akan terbentuk styrofoam.Styrofoam memiliki sifat sangat ringan , moldable dan merupakan insulatoryang baik.
Gambar 2.4 Reaksi Polimerisasi Styrene Menjadi Polystryrene
Sifat-sifat umum dari polistirena : 1. Sifat-sifat mekanis yang menonjol dari bahan ini adalah kaku, keras, mempunyai bunyi seperti metallic bila dijatuhkan. 2. Ketahanan terhadap bahan kimia PS terhadap bahan-bahan kimia umumnya tidak sebaik ketahanan yang dipunyai oleh PP atau PE. PS larut dalam eter, hidrokarbon aromatik dan chlorinated hydrocarbon. PS juga mempunyai daya serap air yang rendah yaitu dibawah 0,25%. 3. Abrasion resistance PS mempunyai kekuatan permukaan relative lebih keras dibandingkan dengan jenis termoplastik yang lain. Meskipun demikian, bahan ini mudah tergores. 4. Transparansi sifat optis dari PS adalah mempunyai derajat transparansi
yang tinggi, dapat melalui semua panjang gelombang cahaya (A 90%). Disamping itu dapat memberikan kilauan yang baik yang tidak dipunyai oleh jenis plastik lain, dimana bahan ini mempunyai indeks refraksi 1,592. 5. Sifat elektrikal karena mempunyai sifat daya serap air yang rendah maka PS digunakan untuk keperluan alat-alat listrik. PS foil digunakan untuk spacers, slot liners dan covering dari kapasitor, koil dan keperluan radar. 6. Ketahanan panas PS mempunyai softening point rendah (90 oC) sehingga PS tidak digunakan untuk pemakaian pada suhu tinggi, atau misalnya pada makanan yang panas. Suhu maksimum yang boleh dikenakan dalam pemakaian adalah 75oC. Disamping itu, PS mempunyai sifat konduktifitas panas yang rendah.
Gambar 2.5 Jenis plastik polistirene dalam kehidupan sehari-hari
2.6. Polyethylene Terephtalate (PET)
Polyethylene terephtalate yang sering disebut PET dibuat dari glikol (EG) dan terephtalic acid(TPA) atau dimetyl ester atau asam terepthalat (DMT). Material ini dihasilkan darikondensasi antara ethylene glycol dengan asam terepthalic dan termasuk padatipe thermoplastik. PET ini dapat dibentuk menjadi fiber seperti dacron danFilm seperti mylar. Material PET ini merupakan plastik utama untukpembuatan kantong kemasan makanan.
Gambar 2.6 Rumus bangun polyethylene terephtalate
PET merupakan keluarga polyester seperti halnya PC. Polymer PET dapat diberi penguat fiber glass, atau filler mineral. PET film bersifat jernih, kuat, liat, dimensinya stabil, tahan nyala api, tidak beracun, permeabilitas terhadap gas, aroma maupun air rendah. PET engineer resin mempunyai kombinasi sifat-sifat: kekuatannya tinggi, kaku ( stiffness), dimensinya stabil, tahan bahan kimia dan panas, serta mempunyai sifat elektrikal yang baik. PET memiliki daya serap uap air yang rendah, demikian juga daya serap terhadap air. PET dapat diproses dengan proses ekstrusi pada suhu tinggi 518- 608 oF, selain itu juga dapat diproses dengan tehnik cetak injeksi maupun cetak tiup. Sebelum dicetak sebaiknya resin PET dikeringkan lebih dahulu (maksimum kandungan uap air 0,02 %) untuk mencegah terjadinya proses hidrolisa selama pencetakan. Penggunaan PET sangat luas antara lainbotol-botol untuk air mineral, soft drink , kemasan sirup, saus, selai, minyak makan.
Gambar 2.7 Jenis plastik polyethylene terephtalate dalam kehidupan sehari-hari
2.7. Polyetylene (PE) Polyethylene (LDPE dan HDPE) : Polimer yang paling umum dalam plastik mialah polyethylene yang dihasilkan (dibuat) dari monomer monomer ethylene (CH2=CH). Pertama kali dibuat ialah LDPE (low density polyethylene) ,material ini mengambang pada larutan campuran air dan alkohol. Karakteristik LDPE ialah lunak dan fleksibel sehingga pertamakali diaplikasikan sebagai isolator kawat listrik, namun saat ini aplikasinya telah berkembang
diantaranya untuk
pembuatan film , wraps (pembungkus makanan) ,botol ,kantong sampah , dan sarung tangan yang sekali pakai buang. HDPE (high density polyethylene) dibuat melalui polimerisasi ethylene dengan penambahan berbagai metal,dan dihasilkan polimer polyethylene yang tersusun hampir sebagaian besar polimer polimer linier. Bentuknya yang linier menghasilkan sifat bahan yang bersifat kuat ,rapat dan strukturnya mudah diatur .Plastik HDPE ini keras dan memiliki titik lebur tinggi dibandingkan LDPE selain itu tenggelam dalam larutan campuran air
dengan alkohol. Material ini
diaplikasikan untuk pembuatan hula hoop dan kontainer. Titik leleh LDPE berkisar 105oC hingga115 oC. LDPE dicirikan dengan densitas 0,910-0,940 g/cm 3. LDPE memiliki derajat tinggi terhadap percabangan rantai panjang dan pendek yang berarti tidak akanberubah menjadi struktur kristal.
2.8. Konversi Sampah Plastik Menjadi Bahan Bakar
Mengkonversi sampah plastik menjadi bahan bakar minyak termasuk daur ulang tersier. Merubah sampah plastic menjadi bahan bakar minyak dapat dilakukan dengan proses cracking (perekahan). Cracking adalah proses memecah rantai polimer menjadi senyawa dengan berat molekul yang lebih rendah. Hasil dari proses cracking plastik ini dapat digunakan sebagai bahan kimia atau bahan bakar. Ada tiga macam proses cracking yaitu hidrocracking , thermalcracking dan catalytic cracking (Panda, 2011).
1.
Hidrocracking Hidrocracking adalah proses cracking dengan mereaksikan plastik dengan
hidrogen di dalam wadah tertutup yang dilengkapi dengan pengaduk pada temperature antara 423 – 673 K dan tekanan hidrogen 3 – 10 MPa. Dalam proses hydrocracking ini dibantu dengan katalis. Untuk membantu pencapuran dan reaksi biasanya digunakan bahan pelarut 1-methyl naphtalene, tetralin dan decalin. Beberapa katalis yang sudah diteliti antara lain alumina, amorphous silica alumina, zeolite dan sulphate zirconia. Penelitian tentang proses hydrocracking ini antara lain telah dilakukan oleh Rodiansono (2005) yang melakukan penelitian hydrocracking sampah plastik polipropilena menjadi bensin (hidrokarbon C5-C12) menggunakan katalis NiMo/Zeolit dan NiMo/Zeolit-Nb2O5. Proses hydro cracking dilakukan dalam reaktor semi alir (semi flow-fixed bed reactor) pada temperature 300, 360, dan 400 °C; rasio katalis/umpan 0,17; 0,25; 0,5 dengan laju alir gas hydrogen 150 ml/jam. Uji aktivitas katalis NiMo/zeolite yang menghasilkan selektivitas produk C7-C8 tertinggi dicapai pada temperatur 360°C dan rasio katalis/umpan 0,5. Kinerja katalis NiMo/zeolit menurun setelah pemakaian beberapa kali, tetapi dengan proses regenerasi kinerjanya bisa dikembalikan la gi. Nurcahyo (2005), melakukan penelitian sama dengan penelitian Rodiansono (2005) tetapi dengan katalis NiPd/Zeolite. Uji aktivitas katalis NiPd/Zeolit untuk reaksi hydro cracking sampah plastik menjadi fraksi bensin telah dilakukan dengan variasi temperatur 300, 350, 400, 450 dan 500 °C dan variasi rasio berat katalis: umpan 1/2, 1/4, dan 1/6 dengan sistem semi alir. Hasil penelitian menunjukkan bahwa aktivitas katalis optimum dicapai pada temperatur 450°C dan rasio berat katalis : umpan = 1/2. 2.
Thermalcrackingatau Pirolisis Pirolisis adalah proses dekomposisi suatu bahan pada suhu tinggi tanpa
adanya udara atau dengan udara terbatas. Proses dekomposisi pada pirolisis ini juga sering disebut dengan devolatilisasi. Produk utama dari pirolisis yang dapat dihasilkan adalah arang (char), minyak, dan gas. Arang yang terbentuk dapat digunakan untuk bahan bakar ataupun digunakan sebagai karbon aktif. Sedangkan
minyak yang dihasilkan dapat digunakan sebagai zat additif atau campuran dalam bahan bakar. Sedangkan gas yang terbentuk dapat dibakar secara langsung (A.S Chaurasia., B.V Babu., 2005). Pirolisis plastik yang pernah dilakukan oleh Purwanti adalah dari 100 gram kantung plastik yang diolah pada suhu 400 oC dalam waktu dua jam, diperoleh cairan mirip minyak bumi sekitar 75 gram (Purwanti Ani dan Sumarni, 2008.). Adapun gas bakar yang didapat mencapai 116 ml per gram plastik bekas. Adanya kelemahan sistem batch, maka dikembangkan sistem "sinambung", dengan konstruksi agak berbeda. Pemanasan dilakukan dengan listrik, dibantu dengan nyala gas hasil pirolisis, dan sistem pendingin ditingkatkan. Pada proses ini, hasil cair yang diperoleh 79%-83% dari berat plastik yang dimasukkan ke dalam reaktor pirolisis, dengan panas dari luar yang dapat dikurangi 10%-15%. Berdasarkan analisa yang pernah dilakukan Lembaga Minyak dan Gas Bumi, minyak dari plastik bekas ini memiliki sifat tidak jenuh. Artinya, perbandingan antara karbon dan hidrogen tidak seimbang sehingga ada mata rantai yang tidak terisi. Minyak berwarna kuning kecokelatan, tetapi sudah bisa untuk bahan bakar kompor atau obor (Purwanti Ani dan Sumarni, 2008). Minyak hasil pirolisis ini mudah terbakar, mengeluarkan jelaga, dan baunya merangsang. Minyak pirolisis ini dapat diolah lagi supaya mempunyai sifat jenuh dan stabil (Boy Macklin Pareira, 2009). Pranata, J.(2008) meneliti tentang minyak pirolisis dari plastik polietilena, hasil penelitian menunjukkan bahwa minyak pirolisis dari plastik polietilena mempunyai densitas 939 kg/m3 atau lebih berat dari minyak tanah. Minyak bakar ini mempunyai ignition point 30,4 oC sehingga sangat mudah dinyalakan. Komponen utama minyak pirolisis dari plastik polietilena adalah styrene monomer yang kadarnya hampir 64%. Sedangkan lebih dari 80% minyak pirolisis ini terdiri dari styrene. Karakteristik bahan bakar sampah plastik khususnya plastik polietilena dapat dilihat di dalam tabel 2.4. Skodars,G.,et al. (2006) telah melakukan penelitian mengenai pengaruh temperatur dan waktu terhadap hasil char pada proses pirolisis, dimana semakin tinggi temperatur setelah melewati temperatur puncak, reaktifitas dari char akan
menurun. Sedangkan komponen waktu tidak terlalu berpengaruh terhadap reaktifitas dari char . Oleh karena itu salah satu variasi pada penelitian yang akan dilakukan adalah variasi suhu. Tabel 2.6 Karakteristik bahan bakar dari sampah plastik polietilena No
Unsur
Satuan
Jumlah
1
Density (150 C)
g/cm3
0,939
2
Kinematic viscosity (300 C)
mm2/s
1,189
3
Ignition point
0
C
30,5
a. Styrene Monomer
%
63,9
b. Styrene dimmer
%
11,5
c.Styrene Trimer
%
5,7
d.Toulene
%
2,2
e. Ethyl Benzene
%
1,4
f. Alphamethyl styrene
%
2,2
g.Other
%
13,1
Komponen
4
3. Catalitikcracking
Cracking cara ini menggunakan katalis untuk melakukan reaksi perekahan. Dengan adanya katalis, dapat mengurangi temperatur dan waktu reaksi. Osueke dan Ofundu (2011) melakukan penelitian konversi plastik low density polyethylene (LDPE) menjadi minyak. Proses konversi dilakukan dengan dua metode, yaitu dengan thermal cracking dan catalys cracking. Pyrolisis dilakukan di dalam tabung stainless steel yang dipanaskan dengan elemen pemanas listrik dengan temperatur bervariasi antara 475 – 600 °C. Kondenser dengan temperatur 30 – 35°C, digunakan untuk mengembunkan gas yang terbentuk setelah plastik dipanaskan menjadi minyak. Katalis yang digunakan pada penelitian ini adalah silica alumina. Dari penelitian ini diketahui bahwa dengan temperatur pyrolisis 550 °C dan perbandingan katalis/sampah plastik 1:4 dihasilkan minyak dengan
jumlah paling banyak. Borsodi dkk., 2011, melakukan penelitian tentang pirolisis terhadap plastik yang terkontaminasi untuk memperoleh senyawa hidrokarbon. Pirolisis dilakukan di dalam reaktor tabung, dengan pemasukkan material plastik secara kontinyu. Plastik yang diproses ada dua macam, yaitu HDPE dalam kondisi bersih dan HDPE yang terkontaminasi minyak pelumas. Dalam penelitian ini temperatur pirolisis 500°C. Pirolisis dilakukan dengan katalis (thermo-catalytic pyrolysis) dan tanpa katalis (thermal pyrolysis). Katalis yang digunakan adalah Y- zeolite. Dari penelitian ini diketahui bahwa HDPE yang terkontaminasi produk volatilenya lebih tinggi dan densitasnya juga lebih tinggi. Pemakaian katalis mempengaruhi proses cracking pada HDPE yang tidak terkontaminasi, tetapi pada HDPE yang terkontaminasi pengaruh pemakaian katalis tidak signifikan. Pemakaian katalis menurunkan densitas dari minyak yang dihasilkan dari proses pirolisis.
2.9.
Pirolisis
Ada 3 cara yang sering dilakukan untuk mengekstrak energi dari biomassa yaitu: 1.
Pembakaran
Oksidasi bahan bakar yang biomassa dapat sepenuhnya teroksidasi dan ditransfer menjadi panas. Namun, efisiensi dari proses ini hanya sekitar10% dan dengan cara ini penggunaan merupakan sumber polusi yang cukup besar. 2. Gasifikasi
Gasifikasi adalah sebagian proses oksidasi yang mengubah bahan bakar padat menjadi bahan bakar gas.Proses gasifikasi dari limbah terjadi pada temperatur yang lebih tinggi dari pirolisis dan dengan penambahan oksigen yang terkontrol.Reaksi dasar gasifikasi adalah: CnHm + 0,55n O 2 nCO + 0,5 m H2 Proses gasifikasi pada hakikatnya mengoksidasi suplai hidrokarbon pada lingkungan yang terkontrol untuk memproduksi gas sintetis yang memiliki nilai
komersial yang signifikan. Perbedaan gasifikasi dengan pirolisis dan pembakaran: berdasarkan kebutuhan udara yang diperlukan selama proses. a.
Jika jumlah udara : bahan bakar (AFR, air fuel ratio) = 0, maka proses disebut pirolisis.
b.
Jika AFR <1,5 maka proses disebut gasifikasi.
c.
Jika AFR >1,5 maka disebut proses pembakaran
Gambar 2.9 Grafik perbedaan pembakaran, gasifikasi dan phyrolisis
3. Pirolisis Pirolisis adalah proses dekomposisi suatu bahan pada suhu tinggi tanpa adanya udara atau dengan udara terbatas.Proses pirolisis bahan organik sangat kompleks dan terdiri dari kedua simultan dan reaksi berturut ketika bahan organik dipanaskan dalam suasana non-reaktif. Dalam proses ini dekomposisi termal dari komponen organik dalam biomassa dimulai pada 350 °C-550 °C dan naik ke 700 °C-800 °C dalam ketiadaan udara atau oksigen. Rantai panjang karbon, hidrogen dan oksigen senyawa yang terkandung dalam biomassa terurai menjadi molekul yang lebih kecil dalam bentuk gas, uap terkondensasi (tar dan minyak) dan arang padat.Gambar 2.9 menunjukan jalur reaksi yang mungkin untuk pirolisis biomassa pada kayu.
Gambar 2.10 Representasi reaksi pirolisis kayu
Gambar 2.11 Proporsi relatif dari produk akhir pirolisis biomassa
a. Reaksi Pirolisis menggunakan plastik polypropylene (PP) 29C3H5 3H2+CH4+C2H4+C3H6+C3H8+C4H10+C8H16+C16H32+C28H56+20C b. Klasifikasi Pirolisis Berdasarkan kondisi operasi operasi pirolisis diklasifikasikan menjadi 3: 1. Pirolisis Lambat 2. Pirolisis Cepat 3. Pirolisis Flash
Tabel 2.7 Parameter operasi dan produk hasil pirolisis
Waktu Proses
tinggal
Pirolisi
padata
s
n (s)
Laju
Ukuran
Pemanasa
Partikel
n (K/s)
(mm)
Temperatur
Yield Produk (%)
(°K) OIL
Ga Char
s
450Lambat
550
0.1-1
5.0-50
550-950
30
35
35
Cepat
0.5-10
10-200
<1
850-1250
50
20
30
Flash
<0.5
>1000
<0.2
1050-1300
75
12
13
Sumber: Prabir Basu (Biomassa Gassification and Pyrolisis Handbook.2010)
a.
Pirolisis Lambat Pirolisis lambat telah digunakan selama ribuan tahun untuk meningkatkan
produksi arang pada suhu rendah dan tingkat pemanasan yang rendah. Dalam proses ini, waktu tinggal uap terlalu tinggi (5 menit sampai 30 menit) dan komponen dalam fase uap terus bereaksi satu sama lain yang menghasilkan char padat dan cairan lainnya. Namun, pirolisis lambat memiliki beberapa keterbatasan teknologi yang membuat itu tidak mungkin cocok untuk produksi bio-minyak berkualitas baik. Produk utama dalam proses pirolisis lambat terjadi karena waktu tinggal yang tinggi dan dapat mempengaruhi bio-minyak hasil dan kualitas. Selain itu, waktu tinggal yang lama dan transfer panas yang rendah menuntut masukan energi ekstra. b.
Pirolisis Cepat Dalam proses pirolisis cepat, biomassa cepat dipanaskan sampai suhu tinggi
tanpa adanya oksigen. Biasanya secara berat, pirolisis cepat menghasilkan 60% 75% dari produk berminyak (minyak dan lainnya Cairan) dengan 15% -25% dari padatan (terutama biochar) dan 10% -20% dari fase gas tergantung pada bahan baku yang digunakan. Produksi cairan biasanya dihasilkan dari biomassa dalam suhu rendah, tinggi laju pemanasan dan waktu tinggal yang singkat . Karakteristik dasar dari proses pirolisis cepat ialah transfer panas tinggi dan tingkat pemanasan, sangat singkat waktu tinggal uap singkat, pendinginan uap cepat dan aerosol
untuk tinggi yield bio-oil. Teknologi pirolisis cepat menerima popularitas yang luar biasa dalam memproduksi bahan bakar cair dan berbagai khusus dan komoditas bahan kimia. Produk cair ini dapat dengan mudah dan ekonomis diangkut dan disimpan, sehingga de-coupling penanganan biomassa padat dari pemanfaatan. Ia juga memiliki potensial untuk memasok sejumlah bahan kimia yang berharga yang menawarkan daya tarik nilai tambah yang jauh lebih tinggi daripada bahan bakar. Teknologi pirolisis cepat dapat memiliki biaya investasi yang relatif rendah dan energi tinggi efisiensi dibandingkan dengan proses lainnya, terutama pada skala kecil. c.
Flash Pirolisis Flash pirolisis biomassa adalah proses yang menjanjikan untuk produksi
bahan bakar padat, cair, dan gas dari biomassa yang dapat mencapai hingga 75% dari hasil bio-oil. Hal ini ditandai dengan devolatilisasi cepat dalam suasana inert, tingkat pemanasan partikel yang tinggi, tinggi suhu reaksi antara 450 °C dan 1000 °C dan waktu tinggal gas yang sangat singkat (kurang dari1s). Namun proses ini memiliki beberapa keterbatasan teknologi, misalnya: stabilitas termal yang buruk dan korosif minyak, padatan dalam minyak, Peningkatan viskositas dari waktu ke waktu oleh aksi katalitik char, alkali terkonsentrasi di char larut dalam minyak dan produksi air pirolitik.
2.10.
Perancangan Alat Pirolisis
2.10.1. Perancangan Tangki
Tangki merupakan salah satu bagian terpenting dalam setiap alat proses. Pada sebagian besar alat proses, tangki dirancang dengan beberapa modifikasi sesuai keperluan yang memungkinkan alat beroperasi pada fungsi yang dikehendaki. Biasanya tahap awal dari perancangan tangki adalah pemilihan tipe/bentuk yang paling sesuai dengan konsisi operasi yang diinginkan. Faktor terpenting yang sesuai yang mempengaruhi pemilihan ini adalah: 1.
Fungsi dan lokasi tangki
2.
Sifat alamiah dari fluida yang akan digunakan
3.
Suhu dan tekanan operasi
4.
Volume yang dibutuhkan atau kapasitas untuk proses yang akan digunakan. Secara umum tangki dapat digolongkan kedalam beberapa jenis yang
dapat dilihat pada Gambar 2.4. (Setiawan. P. H., 2013) 1.
Tangki bentuk vertikal (vertical tank )
2.
Tangki bentuk horizontal (horizontal tank )
3.
Tangki berbentuk bola (hemispherical tank )
Vertical Tank
Horizontal Tank
Hemispherical Tank
Gambar 2.4. Jenis-Jenis Tangki
Dalam perancangan ini, tangki yang digunakan adalah tangki vertikal berbentuk silinder. Pemilihan ini didasarkan pada tekanan yang diperlukan hingga 5 atm dan proses membutuhkan suhu yang tinggi.Dalam hal ini tangki berfungsi sebagai reaktor pirolisis untuk mengkonversi sampah plastik menjadi bahan bakar minyak. 1. Diamteter tangki (Dt)
Menghitung diameter tangki memerlukan data volume tangki, volume tangki terdiri dari volume silinder, volume ellipsoidal dan volume conical yang di peroleh dari rumus berikut. Vt
= Vs + Ve + Vc
Volume silinder dapat dihitung dengan rumus berrikut. Vs Maka,
=
2 × × 4
Hs = 1, 5 DD
Vs
=
1,5 4 ×
Volume ellipsoidal dapat dihitung dengan rumus berikut. Ve
=
2 × × 6
=
24 ×
He = ¼ DD
Maka, Ve
Volume conical dapat dihitung dengan rumus berikut. Vc Vc
2 6 × × = × tan30 12
=
Hc = ½ Dt tan 30°
Maka, Vc
,577 × 12
=
Sehingga diperoleh
(4 × ) + (24 × ) + ,577 12 ×
Vt
=
DD3
=
,9
Proses ekstraksi membutuhkan panas sehingga factor keamanan 20% dari volume larutan, sehingga diperoleh. Vl = 0,8 Vt Vt =
,8
Volume larutan dapat diperoleh dari rumus berikut. Vl =
2. Tinggi (Hs)
Tinggi silinder, Hs = 1,5 D D Tinggi ellipsoidal , He = ¼ DD Tinggi conical, Hc = ½ Dt tan 30° Tangki direncanakan diletakkan di atas kaki penyangga yang terbuat dari besi dengan tinggi 1 m. Tinggi total, Ht = tinggi silinder + tinggi ellipsoidal + tinggi conical + (tinggi kaki – tinggi ellipsoidal )
3. Tebal (t)
Rumus yang digunakan untuk menghitung tebal Ekstraktor yaitu. Tebal dinding , ts (walas, SM.,1990)
ts
=
+ −,6
2.10.2. Penutup (head) Head merupakan bagian tangki yang berfungsi sebagai penutup silinder ( shell), baik bagian atas tangki (head ) maupun bagian bawah tangki (bottom). Pada umumnya jenis penutup silinder dibagi menurut bentuk geometrisnya dan yang paling sering digunakan adalah bentuk (Setiawan. P. H., 2013) a. Tipe Flat Flanged Head jenis ini adalah yang paling ekonomis dalam pembuatannya, karena hanya membentuk flange dengan radius pada plat datar. Penggunaannya yang paling banyak adalah pada tangki bertekanan atmosferis. Head ini juga dapat digunakan sebagai dasar dari tangki silinder vertikal dengan diameter maksimal 20 ft. Head jenis ini diukur dengan basis diameter luar dan tersedia untuk ukuran 12-42 in dengan selisih 2 in, 42 -144 in dengan selisih 6 in, 144 - 240 in dengan selisih 12 in, juga tersedia untuk ukuran lebih dari 246 in. bentuk dari tipe flat flanged dapat dilihat pada Gambar 2.5.(Suratno, 2009)
Gambar 2.5. tipe flat flanged Sumber : Mc. Cabe,W.L, et. All , 1985
Untuk menentukan ketebalan head tipe flat flanged dapat menggunakan rumus. t
D 0.3
P S
C
b. Tipe Sphere dan Hemisphere
Untuk ketebalan yang sama, Head ini merupakan yang paling kuat. Head ini dapat menahan tekanan hingga 2 kali lipat dari elliptical head ataupun shell silinder dengan tebal dan diameter yang sama. Tetapi harga pembuatan dan biaya lain-lain dari head ini paling besar dibandingkan dengan yang lain. Ketersedian head ini juga terbatas dalam ukurannya, karena pembuatan dari plat tunggal lebih sulit. Bentuk dari tipe sphere dan hemisphere dapat dilihat pada Gambar 2.6. (Suratno, 2009)
Gambar. 2.6. Tutup Bejana Tipe Sphere
Sumber : Suratno, 2009 Untuk menentukan ketebalan head tipe Sphere dan Hemisphere dapat menggunakan rumus. t
PR
2SE - 0.2P
C
c. Tipe Ellipsoidal Head ini digunakan untuk tangki bertekanan antara 100 psig hingga lebih dari 200 psig. Jika rasio sumbu mayor : sumbu minor = 2:1 maka kekuatan head akan sama dengan kekuatan shell silinder dengan diameter dalam dan luar yang sama. Kedalaman bagian dalam dari lengkungan sama dengan setengah dari sumbu minor atau sama dengan 1/4 diameter dalam dari head. bentuk Dari tipe ellipsoidal dapat dilihat pada Gambar 2.7. (Suratno, 2009)
Gambar. 2.7. Tutup Bejana Tipe Ellipsoidal Sumber : Suratno, 2009
Untuk menentukan ketebalan head Ellipsoidal dapat menggunakan rumus. t
PD 2SE - 0,2P
C
d. Tipe Cone dan Conical Tutup bejana conical biasanya digunakan sebagai penutup atas pada tangki silinder tegak dengan laju alir yang rendah dan memiliki alas flat bottom yang beroperasi pada tekanatmosperik. Disamping itu juga digunakan sebagai tutup bawah pada alat-alat proses seperti: evaporator, spray dryer, crystallizer, bin, hopper , tangki pemisah dan lain-lain. Bentuk dari tipe conical dapat dilihat pada Gambar. 2.8. (Suratno, 2009).
Gambar. 2.8. Tutup Bejana Tipe Cone Sumber : Suratno, 2009
Untuk menentukan ketebalan head tipe Cone dan Conical dapat menggunakan rumus. t
PD 2cos (SE - 0,6P)
C
Catatan : α
≤ 30°, jika lebih dari 30° maka ada perhitungan khusus.
P = tekanan desain atau tekanan maksimal yang bekerja pada ketel uap (psi atau Pa) S = nilai tegangan dari material (psi atau Pa) E = efisiensi dari pengelasan R = jari-jari bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) D = diameter bagian dalam ketel uap (inchi atau mm) α =
sudut puncak tutup ketel uap ( º )
L = diameter bagian dalam dari tutup tipe Torishperical (inchi atau mm) r = jari-jari knuckle bagian dalam V (inchi atau mm) t = ketebalan tutup V (inchi atau mm) M = faktor M dicari dari L/r
e. Tipe Torispherical (ASME Flanged dan Dished Head ) Dengan mengurangi stress lokal pada inside corner head , batas tekanan dari flanged and dished head dapat ditingkatkan. Hal ini dapat dilakukan dengan membentuk head sehingga inside comer radius paling tidak sama dengan tiga kali ketebalan plat, atau radiusnya tidak kurang dari 6% diameter dalam, dan radius lengkungan harus sama atau kurang dengan diameter head . Head ini umumnya digunakan untuk tangki bertekanan antara 15-200 psig bahkan dapat lebih dari 200 psig. Tetapi untuk penggunaan lebih dari 200 psig lebih ekonomis untuk menggunakan elliptical flanged and dished head . Head ini dapat digunakan untuk tangki vertikal maupun horisontal pada berbagai alat proses. bentuk dari tipe torispherical dapat dilihat pada Gambar 2.9. (Suratno, 2009)
Gambar. 2.9. Tutup Bejana Tipe Torispherical Sumber : Suratno, 2009
Untuk menentukan ketebalan head tipe Torispherical dapat menggunakan rumus.
Jika L /r = 16 2/3 t
0,885PL SE - 0,1P
C
Jika L /r < 16 2/3 t
2.11.
PLM 2SE - 0,2P
C
