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 (NOx) merupakan salah satu jenis polutan yang sebagian besar dihasilkan dari proses pembakaran di dalam mesin diesel. Sekitar 75% total NOx 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 oC) yang menyebabkan terbentuknya NOx. 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 NOx yang terbentuk (Corbos et al., 2009). Berdasarkan European emission standar, salah satu emisi kendaraan yang diatur adalah Nitrogen Oksida (NOx) 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
Euro I
Euro II
Tanggal berlaku
CO
HC
NOx
PM
Smoke
1992 < 85 kW
4.5
1.1
8.0
0.612
-
1992 < 85 kW
4.5
1.1
8.0
0.36
-
Oktober 1996
4.0
1.1
7.0
0.25
-
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 NOx yang diijinkan semakin ketat. Emisi NOx yang dihasilkan dari proses pembakaran dalam mesin diesel meliputi gas NO, NO2, dan N2O. Gas NO dan NO2 yang bereaksi dengan H2O di udara dapat menyebabkan terjadinya hujan asam, sedangkan gas NO terlibat dalam reaksi terbentuknya ozon di troposfer, sementara gas N2O merupakan gas rumah kaca penyebab global warming. Teknologi terbaru yang efektif untuk mengurangi emisi NOx dari mesin diesel yaitu dengan mengaplikasikan Selective Catalytic Reduction dengan Amonia (NH3-SCR) pada sistem pembuangannya (exhaust system). Reaksi antara NH3 dan NOx terjadi secara kontinyu pada permukaan katalis. Beberapa katalis yang telah diteliti untuk aplikasi pengurangan emisi NOx dengan sistem NH3-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 SO2 menjadi SO3 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 NH3-SCR karena selektifitasnya terhadap reduksi NOx yang tinggi dan aktivitasnya pada range temperature yang lebih luas sampai maksimum pada suhu 600 oC (Sjövall, 2009). Beberapa katalis ion-exchanged zeolite yang telah diteliti aplikasinya pada sistem NH3-SCR antara lain Cu-zeolite dan Fe-zeolite. Kedua katalis tersebut menunjukkan 2
aktivitas reduksi NOx yang sama pada suhu 200oC sampai 450oC, namun pada suhu yang relatif rendah (150oC), reduksi NOx oleh katalis Cu-zeolit lebih tinggi dibandingkan dengan Fe-zeolit. Sebaliknya pada suhu sangat tinggi (diatas 600oC), katalis Fe-zeolit menunjukkan aktivitas yang lebih tinggi dalam mereduksi NOx dibandingkan katalis Cu-zeolit (Kröcher dan Elsener, 2008). Salah satu masalah pada sistem SCR untuk kendaraan adalah aktivitas katalisnya menurun pada suhu rendah, dimana NOx 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 NOx pada suhu rendah. Namun, aplikasi katalis Cu-Zeolit pada sistem NH3-SCR untuk mereduksi NOx masih memiliki banyak tantangan, diantaranya terkait dengan hidrotermal aging, rendahnya konversi NOx pada suhu rendah, dan terbentuknya produk samping yang tidak diinginkan seperti NH4NO3 dan N2O. 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 N2O merupakan salah satu gas rumah kaca yang dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon, sedangkan NH4NO3 merupakan produk intermediate yang terbentuk pada suhu rendah pada sistem SCR dengan katalis Cu-zeolit dan dapat terurai menjadi N2O 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 NOx 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 NH3-SCR, seperti NH4NO3 dan N2O telah menjadi fokus penelitian yang dilakukan Widyastuti (2012) di Grup Louise Olsson, Chalmers University of Technology. Mekanisme yang menjelaskan reaksi reduksi NOx pada sistem NH3-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 NH3 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 NOx dengan NH3 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 NOx 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 NOx dengan NH3. 3. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya mengenai teknologi Selective Catalytic Reduction untuk mereduksi NOx dengan NH3. 4. Sebagai masukan bagi industri automotive agar menerapkan teknologi SCR ini untuk mengurangi emisi NOx yang dihasilkan dari kendaraan.
1.5
Keaslian Penelitian Penelitian mengenai pemodelan kinetika untuk reaksi standar Selective Catalytic
Reduction (SCR) dengan Amonia untuk mereduksi NOx menggunakan katalis zeolit CuBEA 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 NOx dengan amonia yang sudah pernah dilakukan diantaranya dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Penelitian terdahulu No 1
Judul Penelitian
Tujuan
Hasil
TPD study of
Mempelajari pengaruh
Acidity pada permukaan katalis
Mordenite-Type of
acidity dan properti
merupakan faktor dominan
Zeolites for Selective
adsorpsi reaktan terhadap
dalam sistem reaksi SCR. Sisi
catalytic Reduction of
reaksi SCR untuk katalis
aktif katalis yang berperan
5
NO by NH3 (Choi et
tipe zeolite dengan
adalah situs Bronsted acid dan
al., 1996)
melakukan TPD
situs logam. Diusulkan juga
eksperimen untuk NO dan
bahwa reaksi terjadi berdasarkan
NH3
teori Langmuir-Hinshelwood dengan mekanisme katalisis dual-site.
2
Detailed kinetic
Mengembangkan model
Mekanisme reaksi dalam sistem
modeling of NH3 SCR
kinetika amonia SCR
SCR diawali dengan reaksi
over Cu-ZSM-5
dengan katalis Cu-ZSM-5
antara NO2 dan NH3 yang teradsorpsi, diikuti dengan reaksi
(Sjövall et al., 2009)
pembentukan HNO2 atau HNO3, yang selanjutnya bereaksi dengan NH3 menghasilkan N2 atau N2O dan H2O. 3
Modeling the selective Menentukan parameter-
Konversi NOx semakin besar
catalytic reduction of
parameter yang dapat
dengan menurunkan space
NOx by ammonia over
digunakan secara praktik
velocity, konsentrasi H2O, dan
a Vanadia-based
untuk katalis komersial
rasio NH3/NOx, dan
catalyst from heavy
V2O5 dan mempelajari
meningkatkan konsentrasi O2 dan
duty diesel exhaust
pengaruh parameter-
rasio NO2/NOx. Formula
gas (Yun dan Kim,
parameter seperti space
matematika dan rute reaksi yang
2013)
velocity, konsentrasi O2 dan
terkait didasarkan pada
H2O, rasio NO2/NOx dan
mekanisme Langmuir-
NH3/NOx pada efisiensi
Hinshelwood.
konversi NOx.
6
