5
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Pengertian Biogas Biogas adalah gas yang terbentuk melalui proses fermentasi bahan-bahan limbah organik, seperti kotoran ternak dan sampah organik oleh bakteri anaerob ( bakteri yang dapat hidup tanpa oksigen) (Wahyuni, 2013). Sifat-sifat komponen gas utama tersebut dijelaskan sebagai berikut: a. CH4 gas yang dipertimbangkan sebagai bahan bakar yang berguna. Gas ini tidak beracun, tidak berbau, dan lebih ringan dari udara. b. CO2 adalah gas inert yang tidak berwarna, tidak berbau, dan lebih berat dari udara. CO2 merupakan gas yang agak beracun. Konsentrasi CO2 yang lebih tinggi dalam biogas menghasilkan biogas dengan nilai kalori yang rendah. c.
H2S suatu gas yang tidak berwarna. Karena lebih berat dari udara H2S ekstra berbahaya pada tempat-tempat rendah. Pada konsentrasi rendah gas ini memiliki bau khusus seperti telur busuk. Pada konsentrasi tinggi, akan lebih berbahaya karena tidak berbau. Selain itu H2S juga bersifat korosif yang dapat menyebabkan problem dalam proses pembakaran dari biogas.
d. Uap air, walaupun merupakan hasil tidak berbahaya, akan menjadi korosif jika berkombinasi dengan NH3, CO2 dan khususnya H2S dari biogas. Maksimum kandungan air dalam biogas dikembangkan karena temperatur gas. Bila biogas berair jenuh meninggalkan digester, dengan pendinginan akan menghasilkan kondensasi air (Arslan, 2008). Nilai kalor pada biogas 4800 – 6200 kkal/m3 nilai ini sedikit lebih rendah dari nilai kalor gas metana murni 8900 kkal/m3 (Surono, 2014). Kandungan biogas didominasi oleh gas metana (CH4) yang merupakan hasil sampingan dari proses degradasi bahan organik, seperti kotoran ternak, manusia, sampah, dan sisa-sisa limbah lainnya. Pemanfaatan kotoran ternak selain dapat menghasilkan biogas untuk bahan bakar, juga membantu kelestarian lingkungan dan memperoleh manfaatmanfaat lain seperti pupuk yang baik untuk tanaman, mencegah lalat, dan bau tidak sedap yang berarti ikut mencegah sumber penyakit (Wibowo dkk., 2013).
6
Komposisi jenis gas dan jumlahnya pada suatu unit biogas dipaparkan pada tabel berikut.
Table 2.1 Komposisi jenis gas dan jumlahnya pada suatu unit biogas
No
Komponen
%
1
Methana (CH4)
55-75
2
Karbondioksida (CO2)
25-45
3
Nitrogen (N2)
0-0,3
4
Hydrogen (H2)
1-5
5
Hydrogen Sulfida (H2S)
0-3
6
Oksigen (O2)
0,1-0,5
Sumber : (Fadli dkk., 2013)
Konsentrasi kotoran (metana, karbon dioksida, air, hidrogen sulfida, nitrogen, oksigen, amonia, siloxanes dan partikel) tergantung pada komposisi substrat dari mana gas itu berasal. Ketika mengalir keluar dari digester, biogas bersifat jenuh dengan uap air, dan air ini menyebabkan korosi di pipa. Air dapat dihilangkan dengan pendinginan, kompresi, absorpsi atau adsorpsi. Dengan meningkatkan tekanan atau penurunan suhu, air akan kondensat dari biogas dapat dihilangkan. Pendinginan dapat hanya dicapai dengan menanam saluran gas dilengkapi dengan perangkap kondensat dalam tanah. Air juga bisa dihilangkan dengan menggunakan adsorpsi saringan molekuler, SiO2, atau karbon aktif. Bahan ini biasanya diregenerasi dengan pemanasan atau penurunan tekanan (Surata dkk., 2013).
2.2 Proses Pembentukan Biogas Biogas
secara
karakteristik
fisik
merupakan
gas,
karena
itu
proses
pembentukannya membutuhkan ruangan dalam kondisi kedap atau tertutup agar stabil. Pada prinsipnya biogas terbentuk melalui beberapa proses yang berlangsung dalam ruang yang anaerob atau tanpa oksigen. Proses yang berlangsung secara anaerob dalam tempat tertutup ini juga memberikan keuntungan secara ekologi karena tidak menimbulkan bau yang menyebar kemana-mana (Wahyuni, 2013).
7
Apabila diuraikan dengan terperinci, secara keseluruhan terdapat tiga proses utama dalam pembentukan biogas, yaitu proses hidrolisis, pengasaman (asidifikasi), dan metanogenesis. Keseluruhan proses ini tidak terlepas dari bantuan kinerja mikroorganisme anaerob. a. Hidrolisis Hidrolisis merupakan tahap awal dari proses fermentasi. Tahap ini merupakan penguraian bahan organik dengan senyawa kompleks yang memiliki sifat mudah larut seperti lemak, protein, dan karbohidrat menjadi senyawa yang lebih sederhana. Tahap ini juga dapat diartikan sebagai perubahan struktur dari bentuk polimer menjadi bentuk monomer. Senyawa yang dihasilkan dari proses hidrolisis diantaranya senyawa asam organik, glukosa, etanol, CO2 dan senyawa hidrokarbon lainnya. Senyawa ini akan dimanfaatkan mikroorganisme sebagai sumber energi untuk melakukan aktivitas fermentasi. b. Pengasaman (Asidifikasi) Senyawa-senyawa yang terbentuk pada tahap hidrolisis akan dijadikan sumber energi bagi mikroorganisme untuk tahap selanjutnya, yaitu pengasaman atau asidifikasi. Pada tahap ini bakteri akan menghasilkan senyawa-senyawa asam organik seperti asam asetat, asam propionat, asam butirat, dan asam laktat beserta produk sampingan berupa alkohol, CO2, hydrogen, dan zat ammonia. c. Metanogenesis Bakteri metanogen seperti methanococus, methanosarcina, dan methano bactherium akan mengubah produk lanjutan dari tahap pengasaman menjadi gas metan, karbondioksida, dan air yang merupakan kamponen penyusun biogas (Wahyuni, 2013).
2.3 Hidrogen Sulfida Hidrogen sulfida (H2S) merupakan gas pengotor yang terdapat dalam gas-gas komersial. Hidrogen sulfida merupakan gas asam yang berbau dan mematikan serta sangat korosif bagi berbagai jenis logam, sehingga membatasi penggunaannya untuk bahan bakar pada mesin. Hasil pembakaran gas yang mengandung H2S menghasilkan
8
belerang dan asam sulfat yang sangat korosif terhadap logam. Kandungan H2S mencapai 200 ppm dapat menyebabkan kematian dalam waktu 30 menit. Standar keamanan dan kesehatan memberikan ijin maksimum pada tingkat 20 ppm. Gas hidrogen sulfida (H2S) yang terkandung dalam gas hasil fermentasi mengurangi umur pakai dari system pemipaan pada instalasi yang menggunakan biogas. Gas ini juga beracun dan sangat korosif untuk sebagian besar jenis logam yang terbuat dari besi. Jika Hidrogen sulfida yang terkandung dalam biogas terbakar maka akan berubah menjadi sulphur oksida yang akan menyebabkan korosi pada komponen yang terbuat dari logam dan membuat minyak pelumas mesin menjadi asam jika digunakan misalnya pada mesin CHP (combines heat and power generation). Agar dapat mencegah kerusakan yang ditimbulkan oleh hidrogen sulfida maka gas ini harus dihilangkan atau minimal dikurangi kandungannya (Metty dkk., 2012).
2.4 Metana Gas metana merupakan senyawa hidrokarbon paling sederhana yang berbentuk gas yang tidak berwarna dan juga tidak berbau dengan rumus kimia CH4. Selain tidak berwarna dan tidak berbau, sifat-sifat lain gas metana antara lain dapat terbakar pada kadar antara 5- 15% , mempunyai berat molekul 16,04 gram/mol dan berat jenis 0,703 N/m3 (specific gravity) 0,554. Dibandingkan dengan gas karbon dioksida (CO2), gas metana dapat menimbulkan pemanasan global yang lebih besar. Selain menimbulkan efek pemanasan yang lebih besar, gas metana juga tidak dapat terserap oleh klorofil tumbuh-tumbuhan sehingga lebih setabil di atmosfir dibanding gas CO2 yang dapat terserap tanaman melalui proses fotosintesis. Jumlah emisi gas metana ke atmosfer yang berasal dari sumber-sumber alamiah pada saat ini diperkirakan mencapai 208 juta ton pertahunnya. Dari keseluruhan sumbersumber alamiah yang ada, sumber dari lahan basah (wetland) merupakan sumber yang terbesar yang jumlahnya diperkirakan sebanyak 170 juta ton pertahunnya (Juriko, 2013).
9
1.5 Karbondioksida CO2 adalah zat asam arang yang tidak berwarna, tidak berbau, dan lebih berat dari udara. CO2 merupakan gas yang sedikit beracun. Konsentrasi CO2 yang lebih tinggi dalam biogas menghasilkan biogas dengan nilai kalori yang rendah (Arslan, 2008). Karbon dioksida memiliki berat molekul 44,1 gram/mol dan berat jenis 1,98 N/m3 (specific gravity) sebesar 1,53 dimana berat jenis udara 1,293 N/m3 (specific gravity) sebesar 1 sehingga bisa dikatakan karbon dioksida memiliki berat jenis lebih besar dari udara. (Juriko, 2013).
2.6 Kalsium hidroksida Kalsium hidroksida adalah senyawa dengan rumus kimia Ca(OH)2 . Kalsium hidroksida dapat berupa kristal tak berwarna atau bubuk putih. Kalsium hidroksida dihasilkan melalui reaksi kalsium oksida (CaO) dengan air (H2O). Ca(OH)2 disebut juga air kapur dan merupakan basa dengan kekuatan sedang. Larutan ini akan menjadi keruh bila dilewatkan karbondioksida (CO2). Hal ini disebakan karena mengendapnya kalsium karbonat (CaCO3) sebagai hasil reaksi larutan kapur dengan karbondioksida. Kalsium oksida (CaO) itu sendiri lebih dikenal dengan sebutan kapur. Senyawa kimia ini berwarna putih dan bersifat basa kristal solid pada suhu. Kapur biasanya dibuat dari dekomposisi thermal bahan baku seperti Kapur Gamping yang mengandung kalsium karbonat (CaCO3), yaitu suatu proses yang disebut dengan proses mengapur atau kapur burning, untuk membebaskan kalsium karbonat dari sebuah molekul karbondioksida (CO2) menjadi kalsium oksida (CaO) (Risnojatiningsih, 2009). Menurut Risnojatiningsih, (2009) pembentukan Ca(OH)2 mengikuti persamaan sebagai berikut : CaO + H2O
Ca(OH)2 .......................................................
(2.1)
10
Gambar 2.1 Kalsium Hidroksida Padat
2.6.1 Reaksi kimia dari Ca(OH)2 dan CO2 Kandungan karbondioksida (CO2) pada biogas sebesar 25–45% ini merupakan presentase yang cukup besar sehingga biogas memiliki nilai kalor yang lebih rendah dibandingkan dengan gas metana murni. Sehingga kandungan CO2 pada biogas perlu dihilangkan. Kalsium hidroksida dengan rumus kimia Ca(OH)2 dapat bereaksi dengan karbondioksida dengan rumus kimia CO2 menjadi kalsium karbonat dan air dengan rumus kimia CaCO3 dan H2O. Menurut Masyhuri dkk., (2013) reaksi kimia dari Ca(OH)2 dan CO2 adalah sebagai berikut : Ca(OH)2 + CO2
CaCO3 + H2O …………………..…… (2.2)
2.6.2 Reaksi kimia dari Ca(OH)2 dan H2S Kalsium
hidroksida
dengan
rumus
kimia
Ca(OH)2 dan
merupakan
basa dengan kekuatan sedang. Hidrogen sulfida merupakan gas asam yang berbau dan mematikan serta sangat korosif bagi berbagai jenis logam, sehingga membatasi penggunaannya untuk bahan bakar pada mesin (Elnusa, 2015). Kalsium Hidroksida yang merupakan Basa akan bereaksi dengan Hidrogen Sulfida yang bersifat asam yang akan menghasilkan air, kalsium dan Belerang . Menurut Vivian dkk.,(2002) reaksi kimia dari Ca(OH)2 + H2S adalah sebagai berikut: Ca(OH)2 + H2S 2H2O + CaS …….…………………… (2.3)
