5
BAB II Tinjuan Pustaka 2.1. Motor Bakar 2.1.1. Definisi Motor Bakar Motor bakar adalah salah satu mesin konversi energi yang banyak digunakan sebagai pengerak pada alat transportasi maupun peralatan industri. Motor bakar juga disebut mesin (Engine) yang berfungsi sebagai pembangkit tenaga. Pada bagian mesin ini terjadi perubahan energi kimia ke energi thermal menjadi energi mekanik atau energi gerak. Menurut Subandiro (2009:6) motor bakar atau mesin termasuk mesin panas (Thermal Engine) karena tenaga gerak yang dihasilkan mengunakan proses pembakaran. Berikut ini ada dua macam mesin panas yaitu : 1) Mesin Pembakaran Dalam ( Internal Combustion Engine) Yaitu proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Dalam kelompok ini terdapat motor bakar torak, sistem turbin gas dan propulsi pancar gas (Wiranto, 1988:1) 2) Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engine) Yaitu mesin yang dapat menghasilkan energi dan membangkitkan panas dilakukan secara terpisah (Subandrio, 2009:6). Contoh mesin pembakaran luar adalah mesin uap dan turbin uap. Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis utama yaitu motor bensin (otto) dan motor diesel. Perbedaan utamanya terletak pada sistem pembakarannya. Bahan bakar motor bensin dinyalakan oleh loncatan api listrik di antara kedua elektroda busi. Karena itu motor bensin dinamai juga Spark Ignition Engines. Sedangkan motor diesel disebut Comperession Ignition Engines karena terjadi proses pembakaran sendiri terhadap bahan bakar dalam silinder yang bertekanan dan temperatur yang tinggi. Berdasarkan prinsip kerja mesin dibedakan menjadi mesin 2 tak (2 langkah) dan mesin 4 tak (4 langkah). Mesin mempunyai proses kerja dinamakan siklus, yang meliputi proses pemasukan bahan bakar, kompresi, pembakaran, ekspaansi dan pembuangan gas sisa.
6
Secara umum, kendaraan bermotor menggunakan motor pembakaran dalam (Internal Combustion Engine), mengingat motor pembakaran jenis dalam ini mempunyai kelebihan yang banyak dibandingkan dengan motor pembakaran luar. Beberapa kelebihan tersebut antara lain : a. Lebih hemat atau irit dalam pemakaian bahan bakar, b. Kontruksi mesinnya lebih sederhana dan lebih kecil, c. Berat tiap satu satuan tenaga mekanisnya lebih kecil. Pembakaran Udara dan bahan bakar yang dipanaskan akan menghasilkan pembakaran,sehingga menghasilkan gaya yang diperlukan untuk memutarkan engine. Udara yang mengandung bahan Oksigen diperlukan untuk membakar bahan bakar.Sementara bahan bakar menghasilkan gaya. Ketika bahan bakar dikabutkan di ruang bakar maka bahan bakar akan sangat mudah untuk dinyalakan dan akan terbakar dengan effisien.Pembakaran dapat terjadi ketika campuran bahan bakar dan udara dikompresikan sampai dihasilkan panas yang cukup ( 1000 ºC) sehingga dapat menyala tanpa bantuan percikan bunga api (Bruijn, LA de dan L. Muilwijk, 1979). Jika dilihat dari bentuk ruang bakarnya, ada tiga jenir motor bakar yang saat ini sering digunakan, di antaranya adalah : a. Motor torak b. Motor rotary c. Motor jet Motor torak sendiri ada beberapa type, di antaranya adalah motor bensin, dan motor diesel. Jika dilihat dari cara kerjanya, ada dua jenis motor, yaitu motor dua langkah (two stroke), dan motor empat langkah (four stroke).(soemarsono, B.Sc, 1997). 2.1.2. Motor Empat Langkah Berbeda dengan motor dua langkah, pada motor empat langkah, setiap proses akan terjadi pada satu langkah, sehingga untuk melakukan satu kali siklus, diperlukan empat kali langkah piston bergerak dari TMA menuju ke TMB, ataupun dari TMB menuju TMA. Perbedaan yang sangat mencolok dari mesin
7
dua langkah adalah, jika pada mesin dua langkah, mekanisme katup dilakukan sekaligus oleh piston, maka pada motor empat langkah, mekanisme ini dilakukan oleh sistem katup sendiri (Jogaswara Eka, 2000). a.
Langkah hisap Langkah hisap dimulai ketika torak atau piston bergerak dari TMA menuju ke TMB, dengan keadaan katup hisap terbuka. Kevakuman pada ruang silinder akan menyebabkan masuknya campuran udara dan bahan bakar dari karburator menuju ke ruang bakar.
b. Langkah kompresi Langkah kompresi terjadi ketika piston bergerak dari TMB menuju ke TMA,
dalam hal ini baik katup in maupun katup ex tertutup, sehingga tekanan di ruang bakar akan menjadi tinggi. Beberapa saat sebelum piston mencapai TMA, campuran udara dan bahan bakar tersebut dinyalakan oleh percikan api dari busi. c.
Langkah usaha Bahan bakar yang telah dinyalakan tadi, akan meledak dan mendorong piston menuju ke TMB. Tenaga ini yang akan memutar poros engkol yang kemudian dimanfaatkan sebagai penggerak.
d.
Langkah buang Setelah piston berada pada TMB, piston akan bergerak lagi menuju ke TMA, pada hal ini katup buang terbuka, sehingga sisa hasil dari pembakaran akan di buang. Proses tersebut terjadi berulang ulang.
Dari proses pembakaran pada motor 4 langkah, dapat digambarkan dengan grafik sebagai berikut:
8
Gambar 2.1 Diagram Pembakaran Motor Bensin(Jogaswara Eka, 2000) Timing pengapian, adalah saat dimana busi memercikkan api untuk menyulut campuran udara dan bahan bakar. 1. Pembakaran awal, yaitu saat dimana bahan bakar mulai terbakar oleh percikan api dari busi 2. Puncak pembakaran, yaitu kondisi dimana bahan bakar terbakar pada ledakan maksimalnya. Tenaga ini yang akan digunakan untuk mendorong pistin untuk melakukan langkah usaha. 3. Akhir pembakaran, yaitu kondisi dimana bahan bakar telah sepenuhnya (seluruhnya) terbakar. Ignition delay period adalah jeda waktu antara timing pengapian dengan awal bahan bakar mulai terbakar. Hal-hal yang mempengaruhi ignition delay diantaranya adalah perbandingan kompresi, temperatur udara yang masuk, jenis bahan bakar, dan kecepatan mesin. Lamanya ignition delay yang mempengaruhi puncak pembakaran, yang akibatnya berpengaruh terhadap performa mesin. Uncontroled combution adalah, pembakaran yang energi hasil pembakarannya tidak dapat digunakan untuk langkah usaha. Controled combution adalah pembakaran yang energinya digunakan untuk mendorong piston saat langkah usaha. Dari diagram pada gambar 1, dapat dilihat perbedaan tekanan ketika langkah ekspansi tanpa bahan bakar, dan langkah ekspansi dengan proses pembakaran. Tekanan hasil pembakaran tersebut yang mendorong piston untuk langkah usaha.(Jogaswara Eka, 2000)
9
2.1.3. Bahan Bakar Bahan bakar adalah sesuatu yang dapat dibakar, dan dapat menghasilkan panas untuk dijadikan sumber tenaga. Dalam hal ini bahan bakar memiliki beberapa bentuk diantara nya adalah (UNEP , 2006) a. Bahan bakar padat b. Bahan bakar cair c. Bahan bakar gas
2.1.3.1. Bahan Bakar Padat Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, dan kebanyakan menjadi sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk menggerakkan peralatan dan menyediakan energi.
2.1.3.1.1. Klasifikasi Batubara Batubara diklasifikasikan menjadi tiga jenis utama yakni antracit, bituminous,
dan
lignit,
meskipun
tidak
jelas
pembatasan
diantaranya.
Pengelompokannya lebih lanjut adalah semiantracit, semi-bituminous, dan subbituminous. Antracit merupakan batubara tertua jika dilihat dari sudut pandang geologi, yang merupakan batubara keras, tersusun dari komponen utama karbon dengan sedikit kandungan bahan yang mudah menguap dan hampir tidak berkadar air. Lignit merupakan batubara termuda dilihat dari pandangan geologi. Batubara ini merupakan batubara lunak yang tersusun terutama dari bahan yang mudah menguap dan kandungan air dengan kadar fixed carbon yang rendah. Fixed carbon merupakan karbon dalam keadaan bebas, tidak bergabung dengan elemen lain. Bahan yang mudah menguap merupakan bahan batubara yang mudah terbakar yang menguap apabila batubara dipanaskan. Batubara yang umum digunakan, contohnya pada industri di India adalah batubara bituminous dan subbituminous.
10
2.1.3.1.2. Sifat fisik dan kimia batubara Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah menguap dan abu. Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan kimia seperti karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur. Nilai kalor batubara beraneka ragam dari tambang batubara yang satu ke yang lainnya.
2.1.3.2. Bahan Bakar Cair Bahan bakar cair adalah bahan bakar yang bentuknya cair (liquid). Sebagai contoh adalah minyak tungku/ furnace oil dan LSHS (low sulphur heavy stock) yang digunakan dalam industri. Berbagai sifat bahan bakar cair diberikan dibawah ini (UNEP, 2006)
2.1.3.2.1. Densitas Densitas didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan bakar terhadap volum bahan bakar pada suhu acuan 15°C. Densitas diukur dengan suatu alat yang disebut hydrometer. Pengetahuan mengenai densitas ini berguna untuk penghitungan kuantitatif dan pengkajian kualitas penyalaan. Satuan densitas 3
adalah kg/m .
2.1.3.2.2. Specific Gravity Didefinisikan sebagai perbandingan berat dari sejumlah volum minyak bakar terhadap berat air untuk volum yang sama pada suhu tertentu. Densitas bahan bakar, relatif terhadap air, disebut specific gravity. Specific gravity air ditentukan sama dengan 1. Karena specific gravity adalah perbandingan, maka tidak memiliki satuan. Pengukuran specific gravity biasanya dilakukan dengan hydrometer. Specific gravity digunakan dalam penghitungan yang melibatkan berat dan volume.
2.1.3.2.3. Viskositas Viskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap aliran. Viskositas tergantung pada suhu dan berkurang dengan naiknya suhu. Viskositas diukur dengan Stokes / Centistokes. Kadang-kadang viskositas juga
11
diukur dalam Engler, Saybolt atau Redwood. Tiap jenis minyak bakar memiliki hubungan antara suhu dan viskositas tersendiri. Pengukuran viskositas dilakukan dengan suatu alat yang disebut Viskometer. Viskositas merupakan sifat yang sangat penting dalam penyimpanan dan penggunaan bahan bakar minyak. Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk handling, penyimpanan dan atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu kental,maka akan menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk menyalakan burner, dan sulit dialirkan. Atomisasi yang jelek akan mengakibatkan terjadinya pembentukan endapan karbon pada ujung burner atau pada dinding-dinding. Oleh karena itu pemanasan awal penting untuk atomisasi yang tepat (UNEP, 2006)
2.1.3.2.4. Titik Nyala Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar dapat dipanaskan sehingga uap mengeluarkan nyala sebentar bila dilewatkan suatu nyala api.
2.1.3.2.5. Titik Tuang Titik tuang suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar akan tertuang atau mengalir bila didinginkan dibawah kondisi yang sudah ditentukan. Ini merupakan indikasi yang sangat kasar untuk suhu terendah dimana bahan bakar minyak siap untuk dipompakan.
2.1.3.2.6. Panas Jenis Panas jenis adalah jumlah Kkal yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 o
o
kg minyak sebesar 1 C. Satuan panas jenis adalah Kkal/kg c. Besarnya bervariasi mulai dari 0,22 hingga 0,28, tergantung pada specific gravity minyak. Panas jenis menentukan berapa banyak steam atau energi listrik yang digunakan untuk memanaskan minyak ke suhu yang dikehendaki. Minyak ringan memiliki panas jenis yang rendah, sedangkan minyak yang lebih berat memiliki panas jenis yang lebih tinggi.
12
2.1.3.2.7. Nilai Kalor Nilai kalor merupakan ukuran panas atau energi yang dihasilkan., dan diukur sebagai nilai kalor kotor/ gross calorific value atau nilai kalor netto/ nett calorific value. Perbedaannya ditentukan oleh panas laten kondensasi dari uap air yang dihasilkan selama proses pembakaran. Nilai kalor kotor/. gross calorific value (GCV) mengasumsikan seluruh uap yang dihasilkan selama proses pembakaran sepenuhnya terembunkan/terkondensasikan. Nilai kalor netto (NCV) mengasumsikan air yang keluar dengan produk pengembunan tidak seluruhnya terembunkan. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto.
2.1.3.2.8. Premium Bensin adalah campuran alkana yang mengandung C6–C8. Bensin dari hasil penyulingan minyak bumi tidak begitu banyak jumlahnya (25-45%). Untuk memenuhi kebutuhan akan bensin, salah satu cara yang dilakukan adalah memproduksinya melalui proses pemecahan yang disebut ”cracking” yaitu proses pemecahan hidrokarbon tinggi pada suhu dan tekanan tinggi dengan bantuan katalis (pemercepat reaksi) menjadi hidrokarbon rendah (sebagai alkana dan alkena rendah). Bensin yang diperoleh dengan cara ini mutunya lebih baik dari bensin hasil penyulingan minyak bumi. Biasanya fraksiminyak bumi yang diolah lebih lanjut dengan cara tersebut adalah fraksi C15–C18. Mutu bensin ditentukan oleh mudah-tidaknya bensin itu mengalami ketukan (knocking). Bensin yang bermutu adalah bensin yang sukar mengalami ‘knocking’, atau dengan kata lain, bensin bermutu adalah bensin beranti-ketuk tinggi. Ketukan akan berkurang oleh bertambahnya cabang dan rantai pada alkana. Mutu bensin terusdikembangkan agar bersifat tidak boros pada saat proses pembakaran dalam mesin kendaraan. Bensin yang hanya mengandung senyawa n-oktana memberikan jumlah ketukan paling tinggi (anti-ketuk paling rendah), sedangkan senyawa 2,2,4-trimetil pentana (merupakan turunan oktana) memberikan jumlah ketukan paling rendah (sebagai bensin beranti-ketuk paling tinggi). a. Sifat-sifat yang dimiliki bensin adalah (TOYOTA, 1982): • Mudah menguap pada temperatur normal • Tidak berwarna, tembus pandang, dan berbau
13
• Mempunyai titik nyala rendah (-10°C sampai –15°C) • Mempunyai berat jenis yang rendah (0,6 – 0,78) • Dapat melarutkan oli dan karet • Menghasilkan jumlah panas yang besar (9.500 – 10.500 kcal/kg) • Sedikit meninggalkan carbon setelah dibakar b. Syarat-syarat bensin Kualitas berikut ini diperlukan oleh bensin untuk memberikan kerja mesin yang maksimal : • Mudah terbakar • Mudah menguap • Tidak beroksidasi dan bersifat pembersih Angka oktan pada Bensin adalah suatu bilangan yang menunjukkan kemampuan
bertahan
terhadap
gejala
knocking.
Makin
besar
angka
oktannyamakin besar pula kemampuan bertahan Bensin terhadap gejala knocking .Dengan kata lain, makin tinggi nilai angka oktan makin kurang kemungkinan bensin dengan angka oktan tinggi dapat digunakan pada motor. Bensin yang mempunyai perbandingan kompresi yang tinggi pula. Jadi Bensin denganangka oktan tinggi tidak menguntungkan jika di pakai pada motor Bensindengan berkompresi rendah. Oleh sebab itu, dari tahun ke tahun perbandingankompresi mesin bertambah besar, ini sejalan dengan meningkatnya nilai oktanbahan bakar yang dapat dibuat (Obert, 1973, Taylor, 1961). Perbandingan kompresi yang sesuai untuk suatu bahan bakar sangat tergantung padakombinasi antara design dan faktor operasi mesin. Hal ini hanya dapatditentukan dengan suatu percobaan untuk tipe mesin tertentu dan tipe pemakaian
(Taylor,
1961).
Berarti
tidak
mudah
memastikan
perbandingankompresi maksimum, kecuali untuk mesin tertentu dengan kondisi operasi yangtertentu pula. Jika perbandingan kompresi jauh di bawah keadaan yang dapatmenimbulkan detonasi, maka daya mesin dengan bahan bakar bernilai oktan 65dan nilai oktan 85 besarnya hampir sama (Obert, 1973).
14
Spesifikasi premium dapat dilihat pada tabel dibawah ini : Tabel 2.1. Karakteristik Premium(Obert, 1973).
2.1.3.3. Bahan Bakar Gas Bahan bakar gas merupakan bahan bakar yang sangat memuaskan sebab hanya memerlukan sedikit handling dan sistim burner nya sangat sederhana dan hampir bebas perawatan. Gas dikirimkan melalui jaringan pipa distribusi sehingga cocok untuk wilayah yang berpopulasi tinggi atau padat industri. Walau begitu, banyak pemakai perorangan yang besar memiliki penyimpan gas, bahkan beberapa diantara mereka memproduksi gasnya sendiri (UNEP, 2006: 9-11).
2.1.3.3.1. Jenis-jenis bahan bakar gas Berikut adalah daftar jenis-jenis bahan bakar gas: a.
Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari alam: i.
Gas alam
ii. Metan dari penambangan batubara b.
Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat
15
i.
Gas yang terbentuk dari batubara
ii. Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa iii. Dari proses industri lainnya (gas blast furnace) c.
Gas yang terbuat dari minyak bumi i.
Gas Petroleum cair (LPG)
ii. Gas hasil penyulingan iii. Gas dari gasifikasi minyak d.
Gas-gas dari proses fermentasi Bahan bakar bentuk gas yang biasa digunakan adalah gas petroleum cair
(LPG), gas alam, gas hasil produksi, gas blast furnace, gas dari pembuatan kokas, dll. Nilai panas bahan bakar gas dinyatakan dalam Kilokalori per normal meter o
kubik (Kkal/Nm3) ditentukan pada suhu normal (20 C) dan tekanan normal (760 mm Hg.
2.1.3.3.2.
Sifat-sifat bahan bakar gas
Karena
hampir
semua
peralatan
pembakaran
gas
tidak
dapat
menggunakan kadungan panas dari uap air, maka perhatian terhadap nilai kalor kotor (GCV) menjadi kurang. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto (NCV). Hal ini benar terutama untuk gas alam, dimana kadungan hidrogen akan meningkat tinggi karena adanya reaksi pembentukan air selama pembakaran. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas diberikan dalam Tabel 2.2. (UNEP, 2006) Tabel 2.2. Sifat-sifat Fisik dan Kimia Berbagai Bahan Bakar Gas (UNEP, 2006) Bahan Bakar Gas
Gas Alam
Propan
Butan
Masa Jenis Relatif
0,6
1,52
1,96
9350
22200
28500
10
25
32
Suhu Nyala Api ( C)
1954
1967
1973
Kecepatan Nyala Api (m/s)
0,290
0,460
0,870
3
Nilai Kalor (Kkal/Nm ) Perbandingan Udara/Bahan Bakar (m 3
3
Udara terhadap m Bahan Bakar) O
16
2.1.3.3.3.
LPG (Liquefied Petroleum Gas)
LPG terdiri dari campuran utama propan dan Butan dengan sedikit persentase hidrokarbon tidak jenuh (propilen dan butilene) dan beberapa fraksi C2 yang lebih ringan dan C5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG adalah propan (C3H8), Propilen (C3H6), normal dan iso-butan (C4H10) dan Butilen (C4H8). LPG merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas pada tekanan atmosfir, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu normal, dengan tekanan yang cukup besar. Walaupun digunakan sebagai gas, namun untuk kenyamanan dan kemudahannya, disimpan dan ditransport dalam bentuk cair dengan tekanan tertentu. LPG cair, jika menguap membentuk gas dengan volum sekitar 250 kali. Uap LPG lebih berat dari udara: butan beratnya sekitar dua kali berat udara dan propan sekitar satu setengah kali berat udara. Sehingga, uap dapat mengalir didekat permukaan tanah dan turun hingga ke tingkat yang paling rendah dari lingkungan dan dapat terbakar pada jarak tertentu dari sumber kebocoran. Pada udara yang tenang, uap akan tersebar secara perlahan. Lolosnya gas cair walaupun dalam jumlah sedikit, dapat meningkatkan campuran perbandingan volum uap/udara sehingga dapat menyebabkan bahaya. Untuk membantu pendeteksian kebocoran ke atmosfir, LPG biasanya ditambah bahan yang berbau. Harus tersedia ventilasi yang memadai didekat permukaan tanah pada tempat penyimpanan LPG. Karena alasan di atas, sebaiknya tidak menyimpan silinder LPG di gudang bawah tanah atau lantai bawah tanah yang tidak memiliki ventilasi udara.( UNEP, 2006).
2.1.3.3.4.
Gas alam
Metan merupakan kandungan utama gas alam yang mencapai jumlah sekitar 95% dari volum total. Komponen lainnya adalah: Etan, Propan, Pentan, Nitrogen, Karbon Dioksida, dan gas gas lainnya dalam jumlah kecil. Sulfur dalam jumlah yang sangat sedikit juga ada. Karena metan merupakan komponen terbesar dari gas alam, biasanya sifat metan digunakan untuk membandingkan sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainnya. Gas alam merupakan bahan bakar dengan nilai kalor tinggi yang tidak memerlukan fasilitas penyimpanan.
17
Gas ini bercampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. Gas ini tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan menyebar ke udara dengan mudahnya jika terjadi kebocoran. Perbandingan kadar karbon dalam minyak bakar, batubara dan gas diberikan dalam tabel dibawah. Tabel 2.3. Perbandingan Komposisi Kimia Berbagai Bahan Bakar (%) (UNEP: 2006) Bahan Bakar
Batubara
Gas Alam
Minyak Karbon
84
41,11
74
Hidrogen
12
2,76
25
Sulfur
3
0,41
-
Oksigen
1
9,89
<1
Nitrogen
<1
1,22
0,75
Abu
<1
38,63
-
Air
<1
5,98
-
2.1.3.3.5.
Hidrogen
Hidrogen
adalah unsur
kimia pada tabel
periodik yang
memiliki
simbol H dan nomor atom 1. Hidrogen dalam bahasa latin yaitu hydrogenium dan dari bahasa yunani hidrogen berasal dari kata hydro yang berarti air dan genes yang berarti membentuk air. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna,
tidak
berbau,
bersifat
merupakan gas diatomik yang
non-logam,
sangat
mudah
bervalensi tunggal, terbakar.
dan
Dengan massa
atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen dapat membentuk
senyawa
dengan
kebanyakan
unsur
dan
dapat
dijumpai
dalam air dan senyawa-senyawa organik. Isotop hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton tunggal dan tanpa neutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion). Hidrogen sangat penting dalam reaksi asam basa yang mana banyak reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul terlarut.
Oleh
karena
hidrogen
merupakan
satu-satunya
atom
netral
yang persamaan Schrödingernya dapat diselesaikan secara analitik, kajian pada
18
energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam perkembangan mekanika kuantum (Achmad, Hiskia. 2001). Sifat kimia dan fisika hydrogen a. Sifat fisika -
Titik lebur
: -259,140C
-
Titik didih
: -252,87 0C
-
Warna
: tidak berwarna
-
Bau
: tidak berbau
-
Densitas
: 0,08988 g/cm3 pada 293 K
-
Kapasitas panas
: 14,304 J/gK
b. Sifat kimia -
Panas Fusi
: 0,117 kJ/mol H2
-
Energi ionisasi 1
: 1312 kJmol
-
Afinitas electron
: 72,7711 kJ/mol
-
Panas atomisasi
: 218 kJ/mol
-
Panas penguapan
: 0,904 kJ/mol H2
-
Jumlah kulit
:1
-
Biloks minimum
: -1
-
Elektronegatifitas
: 2,18 (skala Pauli)
-
Konfigurasi electron
: 1s1
-
Biloks maksimum
:1
-
Volume polarisasi
: 0,7 Å3
-
Struktur
: hcp (hexagonal close packed) (padatan H2)
-
Jari-jari atom
: 25 pm
-
Konduktifitas termal
: 0,1805 W/mK
-
Berat atom
: 1,0079
-
Potensial ionisasi
: 13,5984 eV
Kelarutan dan karakteristik hidrogen dengan berbagai macam logam merupakan
subyek
yang
sangat
penting
dalam
bidang metalurgi
(karena perapuhan hidrogen dapat terjadi pada kebanyakan logam) dan dalam riset pengembangan cara yang aman untuk meyimpan hidrogen sebagai bahan bakar. Hidrogen sangatlah larut dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam
19
tanah nadir dan logam transisi dan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun logam amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam disebabkan oleh distorsi setempat ataupun ketidakmurnian dalam kekisi hablur logam. Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) (Achmad, Hiskia. 2001) Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur 560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual. Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen lebih ringan dari ledakan hidrokarbon. H2 bereaksi secara langsung dengan unsurunsur oksidator lainnya. Ia bereaksi dengan spontan dan hebat pada suhu kamar dengan klorindan fluorin,
menghasilkan
hidrogen
halida
berupa hidrogen
klorida dan hidrogen fluorida. (Achmad, Hiskia. 2001). H2 adalah salah satu hasil produk dari beberapa enis fermentasi anaerobik dan dihasilkan pula pada beberapa mikroorganisme, biasanya melalui reaksi yang di katalisasikan dengan enzim hidrogenase yang mengandung besi atau nikel. Enzim-enzim ini mengkatalisasikan reaksi redoks reversibel antara H2 dengan komponen dua proton dan dua elektronnya. Gas hidrogen dihasilkan pada transfer reduktor
ekuivalen
yang
dihasilkan
selama fermentasi piruvat menjadi air.
Pemisahan air, yang mana air terurai menjadi komponen proton, elektron, dan oksigen,
terjadi
memodifikasi
pada reaksi
gen
ganggang
cahaya pada dan
proses fotosintesis.
mengubahnya
percobaan
menjadi bioreaktor.
Ganggang Chlamydomonasreinhardtii dan cyanobacteria memiliki tahap kedua, yaitu reaksi gelap, yang mana proton dan elektron direduksi menjadi gas H2 oleh hidrogenase tertentu di kloroplasnya. Beberapa usaha telah diambil untuk secara genetik memodifikasi hidrogenase cyanobacteria untuk secara efisien mensintesis gas H2 dibawah keberadaan oksigen.Usaha keras juga telah diambil dalam
20
Hidrogen membentuk senyawa yang sangat banyak dengan karbon. Oleh karena asosiasi senyawa itu dengan kebanyakan zat hidup, senyawa ini disebut sebagai senyawa organik. Studi sifat-sifat senyawa tersebut disebut kimia organic dan studi dalam konteks kehidupan organisme dinamakan biokimia. Pada beberapa definisi, senyawa “organik” hanya memerlukan atom karbon untuk disebut sebagai organik. Namun kebanyakan senyawa organik mengandung atom hidrogen. Dan oleh karena ikatan ikatan hidrogen-karbon inilah yang memberikan karakteristik sifat-sifat hidrokarbon, ikatan hidrogen-karbon diperlukan untuk beberapa definisi dari kata “organik” di kimia. Dalam kimia anorganik, hidrida dapat berperan sebagai ligan penghubung yang menghubungkan dua pusat logam dalam kompleks berkoordinasi. Fungsi ini umum ditemukan pada unsur golongan 13,terutama
pada
kompleks borana (hidrida boron)
dan aluminium serta
karborana yang bergerombol. Oksidasi
H2 secara
formal
menghasilkan proton H+.
Spesies
ini
merupakan topik utama dari pembahasan asam, walaupun istilah proton digunakan secara longgar untuk merujuk pada hidrogen kationik yang positif dan ditandai dengan H+. Proton H+ tidak dapat ditemukan berdiri sendiri dalam laurtan karena ia memiliki kecenderungan mengikat pada atom atau molekul yang memiliki elektron. Untuk menghindari kesalahpahaman akan “proton terlarut” dalam larutan, larutan asam sering dianggap memiliki ion hidronium (H3O+) yang bergerombol membentuk H9O4+. Ion oksonium juga ditemukan ketika air berada dalam pelarut lain. Walaupun sangat langka di bumi, salah satu ion yang paling melimpah dalam alam semesta ini adalah H3+, dikenal sebagai molekul hidrogen terprotonasi ataupun kation hidrogen triatomik. Hidrogen memiliki tiga isotop alami, ditandai dengan 1H, 2H, dan 3H. Isotop lainnya yang tidak stabil (4H to7H) juga telah disintesiskan di laboratorium namun tidak pernah dijumpai secara alami. 1.
1
H adalah isotop hidrogen yang paling melimpah, memiliki persentase
99.98% dari jumlah atom hidrogen. Oleh karena inti atom isotop ini hanya memiliki proton tunggal, ia diberikan nama yang deskriptif sebagai protium, namun nama ini jarang sekali digunakan.
21
2.
2
H,
isotop
hidrogen
lainnya
yang
stabil,
juga
dikenal
sebagai deuterium dan mengandung satu proton dan satu neutron pada intinya. Deuterium tidak bersifat radioaktif, dan tidak memberikan bahaya keracunan yang signifikan. Air yang atom hidrogennya merupakan isotop deuterium dinamakan air berat. Deuterium dan senyawanya digunakan sebagai penanda non-radioaktif pada percobaan kimia dan untuk pelarut1H-spektroskopi NMR.Air berat digunakan sebagai moderator neutron dan pendingin pada reaktor nuklir. Deuterium juga berpotensi sebagai bahan bakar fusi nuklir komersial. 3.
3
H dikenal dengan nama tritium dan mengandung satu proton dan dua
neutron pada intinya. Ia memiliki sifat radioaktif, dan mererasjadi Helium3 melalui pererasan beta dengan umur paruh 12,32 tahun.Sejumlah kecil tritium dapat dijumpai di alam oleh karena interaksi sinar kosmos dengan atmosfer bumi; tritium juga dilepaskan selama uji coba nuklir. Ia juga digunakan dalam reaksi fusi nuklir, sebagai penanda dalam geokimia isotop, dan terspesialisasi pada peralatan self-powered lighting. Tritium juga digunakan dalam penandaan percobaan kimia dan biologi sebagai radiolabel. Hidrogen adalah satu-satunya unsur yang memiliki tiga nama berbeda untuk isotopnya. (Dalam awal perkembangan keradioaktivitasan, beberapa isotop radioaktif berat diberikan nama, namun nama-nama tersebut tidak lagi digunakan). Simbol D dan T kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada deuterium dan tritium, namun simbol P telah digunakan untuk merujuk pada fosfor, sehingga tidak digunakan untuk merujuk pada protium. Dalam tatanama IUPAC, International
Union
of 2
Pure 3
and 2
Applied 3
Chemistry mengijinkan penggunaan D, T, H, dan H walaupun H dan H lebih dianjurkan. Isotop hidrogen yang lebih langka juga memiliki aplikasi tersendiri. Deuterium (hidrogen-2) digunakan dalam reactor CANDU sebagai moderator untuk memperlambat neutron.Senyawa deuterium juga memiliki aplikasi
dalam
bidang
kimia
dan
biologi
dalam
kajian
reaksiefek
isotop. Tritium (hidrogen-3) yang diproduksi oleh reaktor nuklir digunakan dalam produksi bom hidrogen, sebagai penanda isotopik dalam biosains, dan sebagai
22
sumber radiasi di cat berpendar.Suhu pada titik tripel hidrogen digunakan sebagai titik acuan dalam skala temperatur ITS-90 (International Temperatur Scale of 1990) pada 13,8033 kelvin. Rapatan energi per volume pada hidrogen cair maupun hidrogen gas pada tekanan yang praktis secara signifikan lebih kecil daripada rapatan energi dari bahan bakar lainnya, walaupun rapatan energi per massa adalah lebih tinggi. Sekalipun demikian, hidrogen telah dibahas secara meluas dalam
konteks
energi
sebagai
pembawa
energi. Sebagai
contoh, sekuestrasi CO2 yang diikuti denganpenangkapan dan penyimpanan karbon dapat dilakukan pada produksi H2 dari bahan bakar fosil. Hidrogen yang digunakan pada transportasi relatif lebih bersih dengan sedikit emisi NOx, tapi tanpa emisi karbon. Namun, biaya infrastruktur yang diperlukan dalam membangun ekonomi hidrogen secara penuh sangatlah besar. (Achmad, Hiskia. 2001) 2.1.3.3.6. Pembuatan Hidrogen a)
Dalam skala laboratorium hydrogen biasanya dibuat dari hasil samping
reaksi tertentu misalnya mereaksikan logam dengan asam seperti mereaksikan antara besi dengan asam sulfat. Fe(s) + H2SO4(aq) →FeSO4(aq) + H2(g)……………….(2.1) b)
Sejumlah kecil hydrogen dapat juga diperoleh dengan mereaksikan kalsium
hidrida dengan air. Reaksi ini sangat efisien dimana 50% gas hydrogen yang dihasilkan diperoleh dari air. CaH2(s) + 2 H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g)………….(2.2) c)
Elektrolisis air juga sering dipakai untuk menghasilkan hydrogen dalam
skala laboratorium, arus dengan voltase rendah dialirkan dalam air kemudian gas oksigen akan terbentuk di anoda dan gas hydrogen akan terbentuk di katoda. 2 H2O(l) → 2 H2(g)
+ O2(g)……………………………(2.3)
Dalam skala industri hydrogen dapat dibuat dari hidrokarbon, dari produksi secara biologi melalui bantuan alga dan bakteri, melalui elektrolisis,
23
ataupun termolisis. Produksi hydrogen dari hidrokarbon masih menjadi primadona disebabkan dengan metode ini bias dihasilkan hydrogen dalam jumlah yang melimpah sehingga metode yang lain perlu dikembangkan lagi akar meningkatkan nilai ekonomi hydrogen. Hidrogen dapat dibuat dari gas alam dengan tingkat efisiensi sekitar 80% tergantung dari jenis hidrokarbon yang dipakai. Pembuatan hydrogen dari hidrokarbon menghasilkan gas CO2, sehingga CO2 ini dalam prosesnya dapat dipisahkan. Produksi komersial hydrogen menggunakan proses “steam reforming” menggunakan methanol atau gas alam dan menghasilkan apa yang disebut sebagai syngas yaitu campuran gas H2 dan CO. CH4 + H2O → 3H2 + CO + 191,7 kJ/mol…………………………(2.4) Panas yang dibutuhkan oleh reaksi diperoleh dari pembakaran beberapa bagian
methane.
Penambahan
hasil
hydrogen
dapat
diperoleh
dengan
menambahkan uap air kedalam gas hasil reaksi yang dialirkan dalam reactor bersuhu 130 C. CO + H2O → CO2 + H2 – 40,4 kJ/mol……………………………..(2.5) Reaksi yang terjadi adalah pengabilan oksigen dari molekul air ke CO untuk menjadi CO2. Reaksi ini menghasilkan panas yang dapat dipakai untuk menjaga suhu reactor.
2.1.3.3.7. Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan suplai energi yang dapat diperbaharuhi misalnya angina, hydropower, atau turbin. Dengan cara elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan polusi. Proses elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi yang urah dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah satu teknik elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah “elektrolisis dengan menggunakan tekanan tinggi” dalam teknik ini elektrolisis dijalankan untuk menghasilkan gas hydrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar 120-200 Bar. Teknik lain adalah dengan dengan menggunakan “elektrolisis temperature tinggi” dengan teknik ini konsumsi energi untuk proses elektrolisis sangat rendah sehingga bisa meningkatkan efisiensi hingga 50%. Proses
24
elektrolisis dengan menggunakan metode ini biasanya digabungkan dengan instalasi reactor nulklir disebabkan karena bila menggunakan sumber panas yang lain maka tidak akan bisa menutup biaya peralatan yang tergolong cukup mahal. Beberapa macam alga dapat menghasilkan gas hydrogen sebagai akibat proses metabolismenya. Produksi secara biologi ini dapat dilakukan dalam bioreactor yang mensuplay kebutuhan alga seperti hidrokarbon dan dari hasil reaksi menghasilkan H2 dan CO2 Dengan menggunakan metode tertentu CO2 dapat dipisahkan sehingga kita hanya mendapatkan gas H2nya saja. (Achmad, Hiskia. 2001). Dengan menggunakan gelombang radio maka kita dapat menghasilkan hydrogen dari air laut dengan dasar proses dekomposisi. Jika air ini diekspos dengan sinar terpolarisasi dengan frekuensi 13,56 MHz pada suhu kamar maka air laut dengan konsentrasi NaCl antara 1-30% dapat terdekomposisi menjdi hydrogen dan oksigen. Terdapat lebih dari 352 proses termokimia yang dapat dipakai untuk proses splitting atau termolisis dengan cara ini kita tidak membutuhkan arus listrik akan tetapi hanya sumber panas. Beberapa proses termokimia ini adalah CeO2/Ce2O3, Fe3O4/FeO, S-I, Ce-Cl, Fe,Cl dan lainnya. Reaski yang terjdi pada proses ini adalah: 2H2O → 2H2 + O2…………………………………….(2.6) Sejumlah besar H2 diperlukan dalam industri petrokimia dan kimia. Penggunaan terbesar H2 adalah untuk memproses bahan bakar fosil dan dalam pembuatan ammonia.
Konsumen
utama
dari
H2 di
kilang
petrokimia
meliputi hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi,dan (hydrocracking). H2 memiliki beberapa kegunaan yang penting. H2 digunakan sebagai bahan hidrogenasi, terutama dalam peningkatan kejenuhan dalam lemak takjenuh dan minyak nabati (ditemukan di margarin), dan dalam produksi metanol. Ia juga merupakan sumber hidrogen pada pembuatan asam klorida. H2 juga digunakan sebagai reduktor pada bijih logam.
Selain
digunakan
sebagai
pereaksi,
H2 memiliki penerapan yang luas dalam bidang fisika dan teknik. Ia digunakan sebagai gas penameng di metode pengelasan seperti pengelasan
hidrogen
atomic. H2 digunakan sebagai pendingin rotor di generator pembangkit listrik
25
karena ia mempunyai konduktivitas termal yang paling tinggi di antara semua jenis
gas.
H2 cair
digunakan
di
riset kriogenik yang
meliputi
kajian superkonduktivitas. Oleh karena H2 lebih ringan dari udara, hidrogen pernah digunakan secara luas sebagai gas pengangkat pada kapal udara balon. Baru-baru ini hidrogen digunakan sebagai bahan campuran dengan nitrogen (kadangkala disebut forming gas) sebagai gas perunutpendeteksian kebocoran gas yang kecil. Aplikasi ini dapat ditemukan di bidang otomotif, kimia, pembangkit listrik, kedirgantaraan, dan industri telekomunikasi. Hidrogen adalah zat aditif (E949) yang diperbolehkan penggunaanya dalam ujicoba kebocoran bungkusan makanan dan sebagai antioksidan. Hidrogen bukanlah sumber energi, kecuali dalam konteks hipotesis pembangkit listrik fusi nuklir komersial yang menggunakan deuteriumataupun tritium,sebuah teknologi yang perkembangannya masih sedikit. Energi matahari berasal dari fusi nuklir hidrogen, namun proses ini sulit dikontrol di bumi. Hidrogen dari cahaya matahari, organisme biologi, ataupun dari sumber listrik menghabiskan lebih banyak energi dalam pembuatannya daripada pembakarannya. Hidrogen dapat dihasilkan dari sumber fosil (seperti metana) yang memerlukan lebih sedikit energi daripada energi hasil pembakarannya, namun sumber ini tidak dapat diperbaharui, dan lagipula metana dapat langsung digunakan sebagai sumber energi. Hidrogen mendatangkan beberapa bahaya kesehatan pada manusia, mulai dari potensi ledakan dan kebakaran ketika tercampur dengan udara, sampai dengan sifatnya yang menyebabkan asfiksia pada keadaan murni tanpa oksigen. Selain itu, hidrogen cair adalah kriogen dan sangat berbahaya oleh karena suhunya yang sangat rendah. Hidrogen larut dalam beberapa logam dan selain berpotensi kebocoran, juga dapat menyebabkan perapuhan hidrogen.Gas hidrogen yang mengalami kebocoran dapat menyala dengan spontan. Selain itu api hidrogen sangat panas, namun hampir tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, sehingga dapat menyebabkan kasus kebakaran yang tak terduga. Hydrogen dapat disimpan dengan cara berikut ; 1. hydrogen dicairkan dan disimoan pada suhu – 2530C, dalam hal ini memerlukan tangki khusus dan mahal. Hydrogen cair perlahan – lahan
26
menguap dan dapat meledak. Energy untuk mencairkan hydrogen kira – kira 40% energy yang dihasikan pada pembakaran. 2. Dapat disimpan dalam tangki bertekanan tinggi. Berat tangki baja berisi hydrogen kira – kira tiga puluh kali dibandingkan tangki yang berisi bensin yang menghasilkan energy yang sama. 3. Dapat disimpan dalam aliasi logam.Hydrogen dapat menempati logam diantara atom aliasi logam dan membentuk hidrida ( hidrida interstisi ) Cara lain untuk memproduksi hidrogen adalah dengan mereaksikan batu bara denan uap air. o
C + H2O CO + H2 ∆H = + 131 kJ ……………………………..(2.7) Campuran gas yang dihasilkan ini disebut gas air atau (water gas) dan terbakar dengan nyala biru akibat kandungan karbon monoksidanya. Gas air ini mengandung proporsi hidrogen yang lebih sedikit daripada gas sintesis yang diprodduksi dari metana atau hidrokarbon yang lebih tinggi. Gas air dapat bereaksi lebih lanjut, seperti dalam reaksi geser, menghasilkan hidrogen dan karbon dioksida tambahan. Begitu campuran CO dan H2 disiapkan dengan perbandingan yang benar, maka reaksi reformasi yang baru saja dijelaskan ini dapat dibalik untuk membuat metana yang digunakan sebagai bahan bakar. Proses keseluruhannya dinamakan proses gasifikasi batu bara. Berikut adalah beberapa fakta tentang hidrogen: 1.
Hidrogen punya kecepatan terbakar 3.600 kali lebih cepat dibanding bensin. Karena itu proses ledakan di ruang bakar lebih cepat sehingga motor lebih responsif.
2.
Jika meledak di ruang bakar, maka hidrogen menghasilkan panas yang jauh di bawah bensin. Sehingga suhu ruang mesin lebih dingin dibanding pembakaran bensin.
3.
Ledakan hidrogen bersifat implosive, bukan eksplosive. Artinya hanya menghasilkan tenaga dengan panas rendah.
4.
Jika menggunakan hidrogen, maka kondisi ruang bakar akan lebih bersih. Itu karena sifat gas ini yang sangat mudah mengikat karbon. sehingga tumpukan kotoran di ruang bakar tadi terdiri dari tumpukan karbon, jika diikat oleh hidrogen dalam pembakaran kelamaan akan menjadi hilang dan hasilnya
27
bersih. 5.
Sampai
saat
ini
belum
bisa
dilakukan
pembakaran
yang
murni
hidrogen. Artinya masih dibutuhkan bensin. “Secara teori bisa, tapi hal itu
membutuhkan syarat komponen mesin yang kuat atau lebih dari kondisi komponen mesin saat ini. 6.
Untuk satu liter air, akan menghasilkan 1.860 liter gas. Air di tabung akan habis jika sudah mencapai jumlah gas sebanyak itu.
7.
Dalam perawatannya, air cukup ditambah. Jika sudah berkurang, maka masukkan air baru sesuai takaran tabung.
Berikut ini adalah data karakteristik beberapa jenis bahan bakar Tabel 2.4. Karakteristik Beberapa Jenis Bahan Bakar Hydrogen Methane Amonia (H2) (CH4) (NH3) Molecular Weight 2,016 16,04 17,03 o Boiling point ( C) -259,2 -182,5 -77,7 Net Enthalpy of Combution at 25 445,6 510 1371 o C (kJ/mol) Liquid
Density
77
425
674
Methanol Ethanol Gasoline (CH3OH) (C2H5OH) (C8H18) 32,04 46,07 114,2 -98,8 -114,1 -56,8 1129
839,3
368,1
786
989
702
112,4
188,9
4-19
1-6
423
220
(kg/m3)
Specific Heat at o 28,8 34,1 36,4 76,6 STP (J/mol K) Flammability 4-77 4-16 15-28 6-36 Limits in Air (%) Auto Ignition o 571 632 651 464 Temp. In Air ( C) Sumber : Jurnal Ilmiah Populer dan Teknologi Terapan 2007
Dari table diatas adalah karakteristik dari beberapa jenis bahan bakar. o
Hidrogen memiliki data Molecular Weight 2,016, Boiling point ( C) -259,2, Hidrogen dibandingkan dengan bahan bakar yang lain dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Isotop hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton tunggal dan tanpa neutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion). 2.1.4.
Air Air adalah senyawa kimia yang memiliki dua unsur, yaitu hidrogen dan
28
oksigen, yang memiliki rumus kimia H2O. Dimana kita dapat menghasilkan air dengan cara membakar hidrogen dengan oksigen, yang akibatnya dapat menimbulkan panas, yang dapat kita manfaatkan sebagai sumbar energi. Selain kita dapat menyatukan hidrogen dengan oksigen menjadi air, kita juga dapat memisahkan oksigen dengan air dengan proses elektrolisis.Hidrogen sangat potensial digunakan sebagai bahan bakar, karena jumlah energi yang dikandung dalam hidrogen relatif lebih besar (28.600 Kkal/kg) jika dibandingkan dengan beberapa jenis bahan bakar lainnya (minyak bumi 10000 Kkal/kg, gas methan 12000Kkal/kg).Berbeda dengan bahan bakar lainnya, hirogen tidak menimbulkan polusi yang berbahaya, karena pada dasarnya, hasil dari pembakaran hidrogen adalah murni air (Oxtoby, D.W., Gillis, H.P., dan Nachtrieb, N.H, 2003)
2.1.5.
Hidrogen Booster Hidrogen Booster adalah sebuah alat, yang mengkonversi air (H2O),
menjadi hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Skema dari Hidrogen Booster dapat dilihat pada gambar 2. berikut: Saluran Gas Keluar ( Menuju Intake Karburator ) Udara (Gas H2 + O2) Air + Katalis Tabung
Ke Massa (- )
Ke Positif Accu (+ ) Elektroda
Gambar 2.2. Hidrogen Booster
29
Bahan yang digunakan untuk membuat boster hidrogen sangat sederhana, hanya memanfaatkan peralatan rumah tangga seperti botol plastik, selang aquarium, kabel, serta dua buah elektroda yang terbuat dari baja, serta kabel. Sedangkan bahan yang di isikan kedalam Hidrogen Booster adalah air murni (air suling) dengan bantuan katalis soda kue. Adapun reaksi pemisahan hidrogen dapat berlangsung sesuai proses elektrolisis sebagai berikut : -
-
4H2O + 4e 2 H2 + 4 OH (pada katoda (+)) …………………………(2.8) -
-
4OH 2H2O + O2 + 4 e (pada anoda (-))………………....................(2.9)
Dari beberapa kali percobaan pembuatan Hidrogen Booster, skema di atas memiliki kapasitas produksi yang kecil, untuk produksi gas hidrogen yang lebih banyak, perlu penampang elektroda yang lebih besar sehingga mengalami perubahan bentuk elektroda menjadi seperti pada Gambar 2.3. berikut :
Ke Intake Karburator
Campuran Gas O2 dan H2
Air + Katalis
Ke Massa (-) Ke Positif Baterai (+)
Gambar 2.3. Hidrogen Booster Setelah Penyempurnaan
30
2.1.6.
Stargas 898 Stargas 898 adalah sebuah alat uji emisi gas buang yang telah memenuhi
standart emisi gas buang OIML Class O (standart eropa) yang mampu mendeteksi kadar emisi gas CO, CO2, HC, O2, NOx (opsional), Lambda, temperatur mesin, serta RPM (putaran mesin). Alat ini telah dilangkapi dengan mesin printer, sehingga data hasil pengujian dapat langsung dicetak. Selain itu, alat ini telah memiliki sistem auto zero, sehingga data pengujian dapat lebih akurat. Memiliki rentang pengukuran gas CO 0-99,9% Vol., dengan tingkat toleransi 0,01. Gas CO2 0-19,9% Vol. Dengan toleransi 0,1. HC 0-9999 ppm Vol., tinkat toleransi 1. NOx 0-2000 ppm vol dengan toleransi 5 ppm. Pada gambar 2.4 alat uji emisi :
Gambar 2.4. Alat uji Emisi tipe Star Gas 898(www.Stargas 898.com)
2.1.7. Polusi Karbon monoksida adalah suatu pencemar udara akibat pembakaran bahan yang mengandung karbon, proses industri, asap rokok, kebakaran hutan dan pembusukan sampah organik. Pembakaran yang tidak sempurna dari proses pembakaran bahan bakar akan menimbulkan gas CO yang tinggi dan hal ini sering terjadi pada proses pembakaran dari kendaraan bermotor terutama bila proses pembakarannya kurang sempurna Sumber gas CO lainnya adalah penimbunan batu bara dan asap rokok. Pencemaran udara sebagai kehadiran satu atau lebih bahan pencemar atau gabungannya didalam atmosfera dalam kuantiti tertentu pada suatu jangka waktu yang boleh menyebabkan darurat kepada kehidupan manusia,haiwan atau menganggu suasana kehidupan. (Wark dan Warner, 1901)
31
2.1.7.1. Karbon monoksida (CO) Karbon monoksida hanya terbentuk dari gas buang. Gas CO terjadi karena pembakaran yang tidak sempurna yang disebabkan oleh campuran udara dan bahan bakar yang tidak tepat. Secara teori, gas buang motor bensin dapat dibebaskan dari produksi gas CO dengan mengoprasikan mesin dengan perbandingan campuran udara bahan bakar yang lebih besar dari 16:1. Tetapi kenyataannya gas CO selalu ada meskipun pada campuran yang kurus. Prosentase CO naik pada putaran rendah dan menurun seiring dengan meningkatnya kecepatan mesin. Menurut Wardhana (2001) kadar CO dalam darah seseorang dapat mempengaruhi beberapa faktor, salah satunya adala lama paparan, seorang pejalan kaki akan lebih sering dan lama terpapar oleh CO yang terbentuk dari pembakaran yang tidak sempurna kendaraan bermotor, apalagi seseorang yang bersal dari kota besar yang banyak kegiatan industrinya dan lalu lintasnya padat, udaranya sudah banyak tercemar oleh gas CO. Sedangkan daerah pimggiran kota atau desa, cemaran CO diudara relatif sedikit. Konsentrasi gas karbon monoksida di suatu ruangan akan naik jika di ruangan itu ada orang yang merokok. Orang yang merokok akan mengeluarkan asap rokok yang mengandung gas karbon monoksida dengan konsentrasi lebih dari 20.000 ppm yang kemudian menjadi encer sekitar 400-5000 ppm selama dihisap. Konsentrasi gas karbon monoksida yang tinggi di dalam asap rokok menyebabkan kandungan karbon monoksida haemoglobin dalam darah orang yang merokok meningkat. Keadaan seperti ini tentu akan membahayakan kesehatan orang yang merokok. Merokok dalam waktu cukup lama atau perokok berat, konsentrasi karbon monoksida haemoglobin dalam darahnya akan mencapai sekitar 6,9 persen. Perokok pasif yang sering berada didekat perokok aktif akan menghirup asap rokok yang mengandung gas karbon monoksida. Emisi karbon monoksida tinggi pada putaran idle, Kadar emisi terendah terjadi pada saat akselarasi dan pada kecepatan yang konstan. Penutupan katup gas menyebabkan berkurangnya suplai oksigen ke mesin adalah penyebab utama dari produksi CO, sehingga proses deselarasi dari putaran tinggi adalah penyebab utama terbesar produksi gas CO.
32
2.1.7.2. Hidrokarbon (HC) Emisi hidrokarbon adalah dampak langsung dari pembakaran yang tidak sempurna. Emsi hidrokarbon sangat dekat kaitanya dengan beberapa desain dan variabel pengoprasian, dua yang paling penting dari desain itu adalah desain sistem induksi dan desain sistem ruang bakar. Sedangkan variabel pengoprasian yang mempengaruhi antara lain perbandingan udara dan bahan bakar, kecepatan, beban, dan mode pengoprasian. Perawatan juga menjadi penyebab yang penting. Desain sistem induksi dan perawatan mesin mempengaruhi pengoprasian campuran udara dan bahan bakar dan emisi hidrokarbon dan karbon monoksida. Sistem induksi menentukan kerja optimal dari campuran udara dan bahan bakar berdasarkan pemerataan distribusi bahan bakar pada tiap silinder, keekonomisan bahan bakar, tenaga, kuantitas, dan lain lain. Pemeliharaan mesin menentukan apakah mesin akan bekerja pada campuran udara dan bahan bakar yang telah direncanakan dan untuk berapa lama. Pemeliharaan ini mencakup penggunaan ring piston, kerak-kerak, pelumasan, pendinginan, dan faktor-faktor lainnya. Sesuai dengan namanya, komponen hidrokarbon hanya terdiri dari elemen hidrogen dan karbon. Pelepasan hidrokarbon dari kendaraan bermotor disebabkan oleh pembakaran bahan bakar minyak yang tidak sempurna (Adly Havendri, 2007).
2.1.7.3. Karbon Dioksida (CO2) Secara fisik gas CO2 merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau, mudah larut di dalam air dan mempunyai massa jenis 1,5 kali massa jenis udara. Pada kondisi atmosfer, gas CO2 mencair pada temperatur -57oC dan membeku pada -79oC. Gas CO2 terbentuk dari hasil pembakaran hidrokarbon dengan oksigen yang terbakar secara sempurna. Juga dapat terbentuk dari proses fermentasi alkoholik. Kandungan CO2 didalam gas buang rata-rata dibawah 15%. Di daerah pedesaan yang jauh dari kota dan industri mempunyai kandungan ratarata 300 ppm. Sedangkan di kota dapat mencapai 600-700 ppm. Kandungan dibawah 5% pada manusia tidak berakibat apa-apa, selebihnya dapat menyesakkan pernafasan. Gas ini menyebabkan kenaikan temperatur bumi, mencairnya es di kutub dan naiknya permukaan air laut. Dengan
33
semakin banyaknya jumlah kendaraan bermotor dan semakin banyaknya jumlah pabrik, berarti meningkat pula jumlah atau kadar CO2 di udara kita. Keberadaan CO2 yang berlebihan di udara memang tidak berakibat langsung pada manusia, sebagaimana gas CO. Akan tetapi berlebihnya kandungan CO2 menyebabkan sinar inframerah dari matahari diserap oleh bumi dan benda – benda di sekitarnya. Kelebihan sinar inframerah ini tidak dapat kembali ke atmosfer karena terhalang oleh lapisan CO2 yang ada di atmosfer. Akibatnya suhu di bumi menjadi semakin panas. Hal ini menyebabkan suhu di bumi, baik siang maupun malam hari tidak menunjukkan perbedaan yang berarti atau bahkan dapat dikatakan sama. Akibat yang ditimbulkan oleh berlebihnya kadar CO2 di udara ini dikenal sebagai efek rumah kaca atau green house effect.
2.1.7.4. Oksida Nitrogen (NOx) Nitrogen oksida sering disebut dengan NOx karena oksida nitrogen mempunyai 2 bentuk yang sifatnya berbeda, yakni gas NO2 dan gas NOx. Sifat gas NO2 adalh berwarna dan berbau, sedangakn gas NO tidak berwarna dan tidak berbau. Warna gas NO2 adalah merah kecoklatan dan berbau tajam menyengat hidung. Kadar NOx diudara daerah perkotaan yang berpenduduk padat akan lebih tinggi dari daerah pedesaan yang berpenduduk sedikit. Hal ini disebabkan karena berbagai macam kegiatan yang menunjang kehidupan manusia akan menambah kadar NOx di udara, seperti transportasi, generator pembangkit listrik, pembuangan sampah dan lain-lain . (Adly Havendri, 2007).
