Pembuatan Stirena dari Limbah Plastik Dengan Metode Pirolisis

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No.1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

1

Pembuatan Stirena dari Limbah Plastik Dengan Metode Pirolisis Angga Rizka P.P dan Sri Rachmania Juliastuti Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: [email protected] Abstrak— Stirena merupakan senyawa turunan benzene yang digunakan sebagai bahan dasar pembuatan polimer sintetik polistirena melalui proses polimerisasi. Polistirena sendiri banyak digunakan untuk membuat insulator listrik, boneka, sol sepatu, piring, dan cangkir. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisa pengaruh suhu pada proses pirolisis limbah plastik PS terhadap yield dan kualitas stirena yang dihasilkan. Limbah plastik yang digunakan adalah PS (Polistirena). Dalam metode Pirolisis, limbah plastik polistirena (PS) dipanaskan dalam suatu reaktor yang bebas oksigen sampai suhu 400, 450, 500 dan 550 o C, tekanan operasi dijaga pada 1 atm. Proses pirolisis dilakukan sampai semua bahan habis, yaitu ditandai dengan tidak adanya lagi tetesan dari kondensor. Saat pirolisis berlangsung, vapor yang dihasilkan masuk pada kondensor, untuk dikondensasi. Vapor yang terkondensasi ditampung dalam Elenmeyer (difase inilah dihasilkan stirene). Gas yang tak terkondensasi pada kondensor ditampung dalam plastik penampung. Pengambilan sampel dilakukan setelah tiap run selesai. Pirolisis atau devolatilisasi disebut juga sebagai gasifikasi parsial. Produk pirolisis umumnya terdiri dari tiga jenis, yaitu gas ringan (H2, CO, CO2, H2O, dan CH4), tar, dan arang. Analisa sampel PS dilakukan dengan FTIR dan Thermogravimetric analysis. Analisa produk gas pirolisis dilakukan dengan gas chromatography dan flame ionization detector (GC-TCD/FID). Analisa produk liquid dilakukan dengan gas kromatografi ditambah dengan detektor spektrometri massa (GC-MS). Dari hasil experimen diperoleh bahwa suhu terbaik untuk mendapatkan stirena adalah 500 oC dengan perolehan stirena sebesar 39,35 % area dan yield 0,584 gram/gram limbah plastik. Kata Kunci : Limbah Plastik, Pirolisis, Stirena.

S

I. PENDAHULUAN

tyrene merupakan salah satu turunan benzene. Dimana memiliki nama lain vinilbenzen, peniletilen, sterol, stirolena, dll. Styrene merupakan senyawa yang stabil, tetapi kemungkinan polimernya dapat menimbulkan cahaya. Biasanya ditaruh atau pengirimannya menggunakan inhibitor yang tidak melarutkan. Substansi ini bereaksi cepat dengan asam kuat, tembaga dan garam logam. Merupakan zat yang sangat berbahaya dan beracun, karsinogen, mutagenik, korosif dan menyebabkan terbakar.

Dari hasil penelitian toksisitas styrene apabila dihirup oleh manusia dengan konsentrasi terkecil 10000 ppm selama 30 menit merupakan konsentrasi yang dapat membunuh manusia. Styrene mempunyai sifat-sifat mudah menguap, terasa panas jika terhirup, tertelan ataupun terkena kulit, dapat

juga menyebabkan iritasi pada kulit dan mata, memiliki resiko kerusakan pada mata yang sangat parah, apabila disamping senyawa ini sebaiknya jangan bernafas terlalu dalam. Styrene digunakan sebagai bahan baku utama pembuatan karet sintetis. Adanya kandungan grup vinil memungkinkan styrene untuk berpolimerisasi menjadi polimer sintetik polystyrene. Polystyrene banyak digunakan untuk pembuatan isolator listrik, boneka, sol sepatu serta piring dan cangkir. Bahan plastik dalam pemanfaatannya di kehidupan manusia memang tak dapat dielakkan. Sebagian besar penduduk di dunia memanfaatkan plastic dalam menjalankan aktifitasnya. Penduduk amerika serikat menggunakan sedikitnya 25 juta ton plastic setiap tahunnya. Belum ditambah pengguna plastic di Negara lainnya. Bukan suatu yang mengherankan jika plastic banyak digunakan. Plastic memiliki banyak kelebihan dibandingkan bahan lainnya. Secara umum plastic memiliki densitas yang rendah, bersifat isolasi terhadap listrik, mempunyai kekuatan mekanik yang bervariasi, ketahanan suhu terbatas, serta ketahanan kimia yang bervariasi. Selain itu plastic juga ringan, mudah dalam perancangan, dan biaya pembuatan murah. Sayangnya, dibalik segala kelebihan itu, limbah plastic menimbulkan masalah bagi lingkungan. Penyebabnya tak lain sifat plastic yang tidak dapat diuraikan dalam tanah. Perlu waktu berpuluh-puluh tahun untuk tanah menguraikan limbah-limbah dari bahan plastic. Untuk mengatasinya, para pakar lingkungan dan ilmuwan dari berbagai disiplin ilmu telah melakukan berbagai penelitian dan tindakan. Salah satu caranya dengan mendaur ulang limbah plastic. Namun, cara ini tidaklah efektif. Pirolisis merupakan alternative untuk pengolahan limbah plastik, karena dari proses ini didapatkan liquid dan bahan bakar gas dari limbah plastik. Jenis-jenis plastic yang akan digunakan diantaranya adalah polystirena (PS). Polistirena (PS) adalah sebuah polimer termoplastik yang dibuat oleh industri kimia dan digunakan dalam berbagai aplikasi, diantaranya adalah , untuk kantong plastic, tempat makanan, ban. Polistirena bersifat lebih tahan panas, keras, flexible dan tidak dapat tembus cahaya. Polistirena dapat mengalami degradasi rantai saat terkena radiasi ultraungu dari sinar matahari. Pirolisis yaitu pemanasan pada kondisi bebas oksigen. Dalam proses pirolisis komponen organik dalam bahan dapat menghasilkan produk cair dan gas, yang dapat berguna sebagai bahan bakar atau


sumber bahan kimia. Bahan-bahan anorganik tetap praktis tidak berubah dan bebas dari bahan organic mengikat, sehingga logam dapat dipisahkan dan padat yang tersisa dapat digunakan kembali atau sebagai pilihan terakhir, akan menjadi limbah untuk dikubur. Proses pirolisis adalah teknik daur ulang terutama cocok untuk limbah yang mengandung plastic berbeda-beda dan bahan lainnya. II. TINJAUAN PUSTAKA II.1 Stirena Styrene adalah komponen aromatik paling sederhana dengan sebuah rantai sisi tidak jenuh. Nama lain dari styrene antara lain : phenil etilene, vinil benzene, Styron, styrolene, dan cinnanmene, merupakan senyawa organik dengan rumus kimia C6H5 CH = CH2 dan mempunyai massa molar 104,15 gram/mol, titik didih 1450C. Styrene termasuk dalam hidrokarbon siklik berbentuk cair, tidak berwarna yang mudah menguap dan memiliki bau manis, meskipun konsentrasi tinggi memberi bau kurang menyenangkan. (www.godowell.com)

Gambar 2.1. rumus bangun Polistirena Styrene ditemui sebagai impurities a tau bahan samping pada beberapa proses. Styrene terbentuk dari hasil dekomposisi pirogenic komponen organik. Dari pemecahan petroleum, dari pembuatan atau pengolahan gas alam dan batubara. Bagaimanapun, kemurnian dari beberapa produk itu kecil dan industry modern lebih memilih untuk menghasilkan styrene secara sintesis. Styrene monomer dipolimerisasi untuk menghasilkan beberapa polimer antara lain polystyrene, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), resin styrene-acrylonitrile (SAN), lateks styrene-butadiene, styrene-butadiene rubber (SBR), SIS (Styrene-isoprene-styrene), S-EB-S (styreneethylene/butylene-styrene), S-DVB (styrene-divinylbenzene) dan resin polister tidak jenuh. Polimer dari bahan styrene digunakan sebagai bahan dasar pembuatan karet, plastik, insulasi, fiberglass, pipa, peralatan kapal dan otomotif , pelapis kertas, dan matras busa. (www.scribd.com) Styrene dalam industri makanan mulai berkurang, seiring dengan penemuan dari departemen kesehatan yang mengindikasikan bahwa styrene mempunyai efek karsinogenik terhadap tubuh manusia dan dalam jumlah banyak beracun terhadap saluran pencernaan, ginjal, dan saluran pernafasan manusia. (https://wordpress.com) II. 2. Pirolisis Pirolisis, juga berarti thermolysis (Greek: pur = api; thermos = hangat; luo = longgar), adalah suatu proses dekomposisi kimia dan termal, yang pada umumnya membentuk molekul yang lebih kecil. Secara bahasa, istilah thermolysis lebih cocok daripada pirolisis, karena kata "api" menunjukkan adanya oksigen. Padahal, pada sebagian besar

2

proses pirolisis, digunakan udara yang bebas oksigen, untuk alasan kualitas, yield, dan safety. Pirolisis dapat dilakukan pada berbagai level suhu, waktu reaksi, tekanan, dan dengan adanya katalis atau tidak. Pirolisis plastik dapat berlangsung pada suhu rendah (<400 o C), sedang (400-600 oC) atau tinggi (>600 oC). Kondisi tekanan biasanya pada tekanan atmosfer (1 atm). Tekanan subatmosfer (vakum) biasanya digunakan jika produk yang diinginkan tidak stabil secara termal, contohnya pada proses repolimerisasi, pirolisis karet dan stirena. II. 3. Kondisi Operasi Pirolisis 1. Komposisi Bahan a. Konservasi massa mengatakan bahwa produk pirolisis terdistribusi ke dalam tiga fase, gas, liquid, dan solid, terdiri dari elemen - elemen yang sama dengan raw materialnya dan jumlahnya relatifnya tetap. Elemen - elemennya terdistribusi selama proses pirolisis, hidrogen dan klorin lebih banyak menjadi fase gas, sedangkan karbon banyak terdapat di arang (fase solid). b. Terdapat hubungan yang nyata antara struktur polimer dengan produk pirolisis primernya, produk primer dari pemutusan ikatan kemudian mengalami penataan ulang molekul - molekul dan radikal bebas. Tentunya, reaksi sekunder benar - benar terjadi dan secara bertahap mengkonversi produk primer menjadi lebih stabil, dan tidak reaktif. Oleh karena itu, distribusi produk tergantung pada waktu, kecepatan pemutusan ikatan dan proses selanjutnya. Sebagai akibatnya, Pemutusan ikatan lebih mudah pada suhu tinggi. 2. Suhu Suhu adalah variabel operasi t erpenting, karena ini menentukan baik kecepatan dekomposisi termal dan stabilitas raw material dan produk reaksi. Suhu tinggi (>600 oC) dan kondisi operasi vakum menghasilkan produk gas-gas sederhana, suhu rendah dan tekanan tinggi menghasilkan produk yang lebih viscous, rate pirolisis yang tinggi, kecenderungan membentuk arang, lebih banyak produk sekunder, dan dehidrogenasi. Pirolisis untuk sebagian besar plastik, mulai terjadi pada suhu sekitar 300 oC dan untuk thermosensitive resin bahkan pada suhu lebih rendah, contohnya vinyl-based polymer. Permulaan dari reaksi pirolisis sangat dipengaruhi oleh adanya zat aditif, seperti stabilizer, plasticizer, dan pigments. Dalam kebanyakan proses, temperatur sedang (400500 oC) menghasilkan plastik dalam wujud lelehan. 3. Waktu Reaksi Waktu reaksi yang dibutuhkan pada prinsipnya ditentukan oleh suhu reaksi. Pembentukan produk primer seperti monomer, biasanya pada waktu tinggal yang pendek, sementara untuk pembentukan produk - produk yang stabil secara termodinamika (H2, CH4, senyawa aromatik, karbon), membutuhkan waktu yang lama. Tekanan rendah (vakum) menghasilkan produk primer berupa monomer, sementara tekanan tinggi menghasilkan produk fraksi liquid kompleks. 4. Tipe Reaktor


Pemilihan tipe reaktor utamanya didasarkan pada pertimbangan teknis, transfer panas, dan kemudahan untuk karakterisasi feed dan residunya. Dalam beberapa proses yang diusulkan, polimer pertama - tama dilarutkan dalam suatu bath berisi lelehan polimer atau wax, atau didispersikan ke dalam salt bath, untuk mengurangi viskositas dari lelehannya. Proses yang lain menganjurkan penggunaan reaktor dengan properties heat transfer dan pencampuran yang bagus, reaktor fluidized bed termal atau catalytic. Kenaikan suhu mempunyai pengaruh terhadap properti termodinamika nya, seperti relative stability berbagai produknya dan juga pada kondisi fisik dan kinetik dari campuran yang bereaksi. Suhu dan kecepatan pemanasan yang tinggi, tekanan operasi yang rendah, dan waktu tinggal yang singkat, menghasilkan produk primer yang kurang stabil. Sebaliknya, waktu tinggal yang lama menghasilkan produk yang lebih stabil. Di Hamburg, proses pirolisis yang dikerjakan oleh professor kaminsky dan professor sinn, kondisi diatur sedemikian rupa sehingga apapun feed nya, akan diperoleh produk berupa aromatik. II. 4. Dekomposisi Pada Pirolisis dan Produknya Dekomposisi pada pirolisis umumnya dibagi berdasarkan pola reaksi yang terutama ditentukan oleh struktur molekul dan kehadiran katalis. Tabel 2.1 menyajikan hasil pirolisis, dan dekomposisi yang terjadi sesuai dengan resinnya. Tabel 2.1 Polimer resin, produk utama, dan macam dekomposisi pada pirolisis Resin PE PP

Dekomposisi yang terjadi Produk pada suhu rendah Random chain rupture Waxes , paraffin oils, a-olefins Random chain rupture

Vaseline, olefins

PVC

Eliminasi HCl dari HCl (<300 rantai, dehidrogenasi, benzene dan pembentukan rantai siklik PS Kombinasi dariStirena unzipping dan chainoligomernya rupture , untuk membentuk oligomers PMMA Unzipping MMA

o

Produk pada suhu tinggi Gasses and light oils Gasses oils

and light

Toluena (>300 oC)

dan Stirena oligomernya

PTFE PE

Unzipping

Monomer

Transfer β-hidrogen, penataan ulang dan dekarboksilasi

Asam benzoat dan vinyl terephthalate

PA-6

Unzipping

Caprolactam

dan

MMA dalam jumlah lebih sedikit, dekomposisi lebih lanjut TFE

Poliolefin, terutama PP dan PE, yang merupakan komoditas utama plastik, terdekomposisi menjadi parafin dan olefin. Distribusi massa molekul dan rasio parafin terhadap olefin menurun dengan meningkatnya suhu dan lama waktu reaksi.

3

Polistirena PS terutama menghasilkan stirena, dan oligomernya, dimer dan trimer. Campuran PS + PE terdekomposisi dalam pengaruh PS, dengan produk pirolisis yang lebih jenuh, PE bertindak sebagai penyedia hidrogen. Dekomposisi PE sedikit dipercepat dengan kehadiran PS. PET terdekomposisi melalui transfer β-hidrogen, penataan ulang, dan dekarboksilasi, dengan produk utama asam benzoat dan vinil terephthalate. II. 5. Kinetika dan Mekanisme Pirolisis Studi tentang kinetika dan mekanisme pirolisis dapat dipertimbangkan sebagai wilayah bidang science, yang berhubungan dengan perilaku termal bahan organik, konstitusi molekul atau kopolimer, termasuk irregularities, seperti structural defect dan incorporation molecules dan radikal bebas. Tabel 2.2 Some kinetic data (By courtesy of Professor Bockhorn, University of Karlsruhe)

Type of resin

PA 6 PS PVC

HDPE PP PET

Melting Density o point, ( C) 218-224 110 >140

134 163 260

Temperatur Maximum E Apparent o reaction e range ( C) rate of order, n decomposit o ion at ( C) (kJ/mol) 1,12 310-450 415 211 ~1 1,05 320-415 355 172 1,04 1,4 210-350 (I) 250-280 (I) 140 1,5 350-500 425 (II) (II) 0,954 340-500 475 290 1,8 0,91 340-460 425 262 0,83 1,41 360-410 400 190 0,3

II. 6. Thermo Gravimetric Analysis (TGA) Metode TGA merupakan prosedur yang cukup banyak dilakukan dalam karakterisasi bahan. Pada prinsipnya metode ini mengukur berkurangnya massa material ketika dipanaskan dari suhu kamar sampai suhu tinggi yang biasanya sekitar 900 oC. Alat TGA dilengkapi dengan timbangan mikro didalamnya sehingga secara otomatis berat sampel setiap saat bisa terekam dan disajikan dalam tampilan grafik. Pada pemanasan yang kontinyu dari suhu kamar, maka pada suhu – suhu tertentu material akan kehilangan cukup signifikan dari massanya. Kehilangan massa pada suhu tertentu dapat mengindikasikan kandungan dari bahan uji, meski tidak bisa secara spesifik merujuk pada suatu senyawa tertentu seperti yang misalnya ditunjukkan oleh puncak – puncak dari histogram FTIR ataupun XRD. Sehingga biasanya TGA digunakan untuk melakukan analisa proximate seperti kadar air, kadar senyawa volatil dan kadar abu dalam bahan. Sebenarnya TGA bisa beroperasi dalam kondisi inert dengan mengalirkan gas tertentu seperti nitroen ataupun helium. Tapi TGA juga bisa beroperasi dalam atmosfer gas non-inert seperti udara dan oksigen yang memungkinkan terjadinya reaksi dengan sampel dengan adanya kenaikan suhu. Sehingga disini TGA juga bisa berfungsi sebagai reaktor untuk menganalisa massa bahan yang bereaksi dalam kondisi operasi tertentu. Salah satu contohnya pada penelitian mencari


katalis yang tepat untuk membakar soot (partikel karbon yang terkandung dalam asap knalpot mesin disel), yang dilakukan dengan cara soot dicampur katalis dimasukkan dalam TGA jika dinaikkan suhunya dan dialirkan udara maka akan terjadi reaksi pembakaran yang akan menurunkan massa yang terdeteksi oleh TGA. Katalis yang baik tentunya bisa menurunkan suhu reaksi yang signifikan dibandingkan tidak memakai katalis. Cara pemakaian alat ini sangatlah mudah. Material yang berupa serbuk cukup dimasukkan kedalam cawan kecil dari bahan platina, atau alumina ataupun teflon. Pemilihan bahan dari cawan ini perlu disesuaikan dengan bahan uji. Pastikan bahan uji tidak bereaksi dengan bahan cawan serta tidak lengket ketika dipanaskan. Analisa memerlukan juga bahan standar sebagai referensi dan penyeimbang dari timbangan mikro. Biasanya dipakai alumina sebagai standar yang juga perlu dimasukkan dalam cawan. Alumina dan bahan uji kemudian dimasukkan kedalam alat TGA seperti gambar dibawah ini.

4

Dibawah ini contoh hasil analisa TGA dari sampel yang mengandung karbon.

Gambar 2.3. Interpretasi Grafik TGA Untuk garis hijau adalah grafik weight loss (TG) fungsi waktu, sedangkan merah adalah temperatur fungsi waktu sedangkan biru adalah DTA fungsi waktu. Bisa dilihat pada grafik TG pada suhu sekitar 100 oC, 200 oC dan 500 oC terjadi penurunan berat yang signifikan yang kemungkinan besar dikarenakan kehilangan air, unsur volatil dan karbon secara berurutan. III.

METODOLOGI

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri, Jurusan Teknik Kimia, FTI-ITS. Limbah plastik (PS) yang akan digunakan diperoleh dari pemulung pemulung di daerah Keputih Tegal, Sukolilo, Surabaya. III.1 Variabel Penelitian Gambar 2.2. Instrumen Thermo Gravimetric Analysis Yang perlu dilakukan dengan sangat hati – hati adalah ketika meletakkan cawan – cawan diatas pan timbangan. Karena lengan dari pan timbangan sangat mudah patah sehingga dalam menempatkan dan mengambil kontainer perlu dilakukan dengan hati – hati. Setelah sampel dimasukkan maka kita bisa memprogram urutan pemanasannya. Pemanasan bisa diprogram sesuai dengan kebutuhan misalkan kita bisa mengatur memanaskan sampel sampai 110 oC dan ditahan 10 menit kemudian pemanasan dengan cepat dilanjutkan sampai 900 oC kemudian suhu diturunkan menjadi 600 oC ditahan selama 30 menit. Kita dapat memprogram t emperatur dan juga kecepatan pemanasan, alat ini bisa memanaskan sampai sekitar 1000 oC dengan kecepatan sampai 100 oC/menit atau lebih tergantung tipe alat.

Kondisi operasi : Tekanan : 1 atm 3 -1 Flowrate nitrogen : 1 dm menit Bahan yang dipirolisis : Polistirena (PS) Variabel penelitian : Suhu yang digunakan pada proses pirolisis adalah : 400, 450, 500 dan 550 oC. III.2 Besaran yang diukur Selama penelitian dilakukan beberapa pengukuran besaran-besaran berikut: Tabel 3.1 Besaran yang diukur dan waktu pengukuran Besaran yang diukur Waktu pengukuran Temperatur Setiap saat (dijaga selama proses pirolisis) Tekanan Setiap saat (dijaga selama proses pirolisis) Flowrate nitrogen Pada saat mulai run Yield dan Komposisi Setiap akhir run dari liquid hasil pirolisis


III.3 Peralatan yang digunakan Alat-alat yang digunakan antara lain : 1. Tabung gas nitrogen 2. Regulator gas nitrogen 3. Reaktor pirolisis 4, Elektrik Heater 5. Reaktor thermocouple 6. Kondenser 7. Elenmeyer penampung liquid hasil pirolisis 8. Kantong plastik penampung gas III.4 Bahan yang digunakan Bahan - bahan yang digunakan antara lain : 1. Limbah plastik PS 2. Air sebagai utilitas pendingin 3. Gas Nitrogen III.5 Prosedur penelitian a. Persiapan Bahan  Pengambilan limbah plastik PS Limbah plastik (PS) diperoleh dari pemulung pemulung yang ada di kawasan Keputih Tegal, Sukolilo, Surabaya.  Pencucian dan pengecilan ukuran plastik PS Limbah plastik yang diperoleh kemudian dicuci dengan air, untuk menghilangkan kotoran-kotoran. Kemudian, bahan tersebut dikeringkan. Terakhir, bahan plastik tersebut dipotong-potong dengan ukuran 3-5 mm. Analisa bahan dilakukan dengan FTIR dan TGA. b. Pembuatan stirena  Pirolisis Proses pirolisis dilakukan menggunakan Reaktor stainless steel unstirred 3,5 dm3 reaktor semi batch operasi pada tekanan 1 atmosfer. 50 g sampel ditempatkan ke dalam reaktor dan nitrogen dialirkan selama 15 menit, untuk mengkondisikan udara dalam reaktor bebas oksigen. Kemudian, sampel dipanaskan sampai 400, 450, 500 dan 550 ◦C dan dipertahankan dalam setiap vari abel pada suhu tersebut sampai tidak ada tetesan liquid stirena dari kondensor. Tidak ada pengambilan sampel selama percobaan berlangsung. Pengambilan sampel dilakukan setelah percobaan selesai dilakukan, untuk kemudian dianalisis pengaruh suhu terhadap yield dan kualitas stirena yang dihasilkan GCMS.  Kondensasi Dalam tiap run setiap uap meninggalkan reaktor dialirkan ke rangkaian air pendingin gas-cair separator, dimana liquid terkondensasi dikumpulkan. Liquid terkondensasi kemudian dianalisa dengan GC-MS. Produk tak terkondensasi dilewatkan dan dikumpulkan secara keseluruhan dalam drum penampung, untuk kemudian dianalisa dengan GC-TCD/FID.

5

III.6 Diagram alir percobaan Plastik PS

Pencucian

Analisa Sampel FTIR dan TGA

Pelletizing 3-5mm Proses pirolisis (50 gram Plastik PS) dipanasi pada suhu 400, 450, 500 dan 550 oC Kondensasi Produk solid

liquid stirena

Analisa produk solid dengan TGA

Analisa produk liquid dengan GC-MS

Analisis produk gas dengan GCTCD/FID

Gambar 3.1 Diagram alir proses pembuatan stirena dari limbah plastik (PS) III.7 Gambar Peralatan

Gambar 3.2 Rangkaian alat proses pirolisis Keterangan gambar : 1. Tabung nitrogen 2. Regulator tabung nitrogen 3. Reaktor pirolisis


4. Elektrik furnace 5. Reaktor thermocouple 7. Kondensor 9. Plastik penampung gas 10, Alat pembacaan suhu thermocontroller. III.8 Teknik Analisis III.8.1 Analisa GC-MS 1. Mengambil sampel sejumlah 0,5 ml, memasukkan ke dalam tabung venojek 10 cc 2. Menambahkan 5 ml N-hexan ke dalam wadah diatas 3. Memvortex selama sekitar 3 menit. 4. Mencentrifugasi dengan kecepatan 2500 rpm selama 5 menit 5. Supernatan (fase hexan) diambil secukupnya untuk diinjeksikan ke dalam GC-MS 6. Menyalakan alat GC-MS dan mengatur seluruh komponen yang terkait hingga sampel siap diinjeksikan dan siap running. 7. Mengatur tampilan analisa. 8. Mengisikan data sampel atau menekan sampel login pada monitor sambil menunggu GC dan MS pada kondisi ready 9. Menekan tombol start pada monitor, sehingga automatic injector membersihkan syringe sesuai setting, kemudian sampel diinjeksikan pada auto injector. 10. Selama setting waktu awal atau bila grafik sudah menunjukkan agak datar analisis GC-MS dapat dihentikkan dengan menekan tombol stop pada monitor. 11. Puncak grafik diidentifikasi pada tiap waktu retensi dari puncak awal sampai puncak a khir dan dicocokkan dengan references pada program GC-MS tekan similary search. Hasil identifikasi akan menunjukkan komponen yang paling mirip dari beberapa komponen, berat molekul serta tinggi intens peaknya dan yang teratas adalah yang paling mendekati. III.8.2 Analisa GC TCD Gas yang dapat dianalisa : 1. Metana (CH4) 2. Propana 3. Etilen 4. CO2 Alat : 1. Seperangkat alat kromatografi gas yang dilengkapi dengan detector penangkap electron ( ECD Ni-63), kolom kapiler DB-1 2. Alat injeksi Bahan : Gas hasil pirolisis Prosedur : 1. Gas yang dianalisa diambil melalui alat injeksi dengan volume 100 µl. 2. Alat injeksi disuntikkan pada inlet sampel sehingga gas masuk melewati kolom-kolom di dalam alat kromatografi.

6

3. Hasil akan tercetak secara otomatis pada layar monitor yang terhubung dengan alat kromatografi berupa luas area. 4. Menghitung hasil secara kuantitatif dengan standar yang ada berdasarkan perbandingan luas area dengan % mol. 5. Didapatkan % area sampel yang dianalisa untuk tiap komponen gas.

IV. PRINSIP-PRINSIP PUBLIKASI IV.1 Analisa Bahan Baku Polistirena (PS) IV.1.1 FTIR

Gambar 4.1 Spektrum FTIR PS Pada spektrum FTIR sampel limbah plastik pada gambar 4.1 terlihat adanya peak yang kuat dan tajam pada panjang gelombang 3058,97-3024,33 cm-1. Panjang gelombang ini menunjukkan adanya gugus C-H aromatik. Terlihat juga peak pada panjang gelombang 2919,96 cm-1, ini menunjukkan adanya CH2 asimetrik. CH2 simetrik pada panjang gelombang 2848,90 cm-1. Deformasi CH2 dan C=C dari cincin aromatik pada 1451,21 cm-1. Pembelokan C-H pada bidang pada : 1068,08 cm-1 (Leon Bermudez & Salazar, 2008). Dengan kehadiran peak - peak tersebut menunjukkan bahwa bahan yang digunakan dalam pirolisis tersebut adalah polistirena. Salah satu contoh seperti yang tercantum pada lampiran FTIR (Lampiran A). IV.1.2 Termogravimetric Analysis (TGA)

Gambar 4.2 Termogram (TGA) PS (pemanasan sampai 600 o C)

Karakterisasi sifat thermal polimer PS dilakukan dengan TGA dengan kecepatan pemanasan konstan 10 oC per menit. Temperatur degradasi polimer ditentukan dengan termperatur saat terjadinya peluruhan massa sampel dalam proses pemanasan. Dari termogram diatas, PS yang digunakan dalam penelitian ini mulai terdegradasi pada suhu 380 oC. Degradasi yang terjadi pada PS hanya terjadi melalui satu tahap atau degradasi tersebut langsung terjadi melalui pemutusan rantai utama polimer menghasilkan molekul yang lebih kecil (monomer stirena). Pada suhu sekitar 100 oC juga tidak terjadi degradasi, menunjukkan bahwa sampel tersebut tidak mengandung a ir. Polimer PS mengalami inisiasi digradasi pada suhu 380 oC dengan kecepatan peluruhan rendah. Dengan meningkatnya suhu, kecepatan peluruhan makin tinggi sampai pada suhu tertentu (430,83 oC) dan mengalami penurunan kembali (Pramono, edi dkk 2012). Kecepatan degradasi mendekati nol menunjukkan bahwa molekul polimer tersebut pada kondisi yang stabil terhadap temperatur uji atau sampel dalam cawan krus sudah habis. Pada penelitian ini, pengujian sampai pada suhu 600 oC didapati bahwa sampel polimer terdegradasi secara sempurna (kecepatan degradasi = 0 mg/ oC), dimana tidak diperoleh zat sisa pada cawan krus pada akhir pengujian.

Massa Liquid (gram)

400

450 500 Suhu (C)

550

600

Gambar 4.3. Grafik Hubungan antara suhu dengan liquid (stirena) hasil pirolisis

Massa solid (gram)

5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 350

450

550

650

Suhu (C) Gambar 4.4. Grafik Hubungan antara suhu dengan solid hasil pirolisis

7

0,240 0,220 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 350

450

550

650

Suhu C Gambar 4.5. Grafik hubungan antara suhu dengan yield pirolisis

Tabel 4.1 Pengaruh suhu terhadap massa liquid (stirena), massa solid, dan yield Suhu (oC) 400 450 500 550

IV.2 Hasil Pirolisis liquid

350

Yield (gram stirena/gram limbah plastik)


Liquid (Stirena) Volume (ml) 11,288 11,400 13,380 11,099

Massa (gram) 9,694 9,790 11,491 9,532

Yield (gram stirena/gram Solid (gram) limbah plastik 0,194 5,3510 0,196 4,8200 0,230 4,7240 0,191 4,3204

Setelah selesai run tiap variabel, maka dilakukan pengukuran terhadap massa liquid dan solid hasil pirolisis. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa, korelasi antara suhu dan massa liquid, berbanding lurus. Semakin tinggi suhu, semakin besar liquid hasil pirolisis. Sedangkan untuk sisa pirolisis berupa solid, semakin tinggi suhu, semakin sedikit solid yang tersisa (Gambar 4.4). Hasil pengukuran run tiap variabel secara lebih detail, disajikan dalam tabel 4.2. Pada suhu 400 oC didapatkan massa liquid dan solid berturut-turut sebesar 9,694 dan 5,35 gram. Sehingga yield pada suhu 400 oC sebesar 0,194 gram stirena/gram limbah plastik. Pada suhu 450 oC didapatkan massa liquid sebesar 9,790 gram, sehingga diperoleh yield sebesar 0,196 gram stirena/gram limbah plastik dan massa solid sebesar 4,82 gram. Saat suhu 500 oC diperoleh 11,491 gram liquid dengan yield 0,230 gram stirena/gram limbah plastik dan 4,72 gram solid. Dan pada variabel 550 oC diperoleh 9,532 gram liquid dengan yield 0,191 gram stirena/gram limbah plastik dan 4,32 gram solid. Hasil ini sesuai dengan a nalisa TGA, dimana semakin tinggi suhu, maka semakin cepat rate degradasi. Hal ini menyebabkan semakin banyaknya liquid yang dihasilkan dan semakin sedikitnya solid yang tersisa (Gambar 4.2). Pada suhu 400 oC diperoleh hasil paling sedikit karena pada suhu tersebut baru terjadi proses awal degradasi dengan rate peluruhan yang rendah (-0,04 mg/oC). Pada suhu 450 oC diperoleh hasil yang lebih banyak, hal ini dikarenakan naiknya rate peluruhan (-0,138 mg/oC). Pada 500 oC diperoleh hasil yang lebih banyak lagi, dengan rate peluruhan (-0,0002 mg/oC). Pada 550 oC diperoleh hasil yang paling banyak

dengan rate peluruhan (1,03 . 10-6 mg/oC). Walaupun rate peluruhan pada suhu 500 dan 550 oC sangat rendah, namun dihasilkan hasil yang paling banyak. Hal ini karena pada suhu tersebut, proses degradasi telah mencapai tahap akhir dan telah melalui rate puncak degradasi 430,83 oC sehingga hampir semua bahan sebenarnya telah terdegradasi saat reaktor mencapai suhu ini. Tabel 4.2 Daftar senyawa yang selalu muncul pada setiap perlakuan suhu dan Luas peak nya (% area) dari 400 oC s/d 550 oC o

Suhu C 450

500

550

22,221

21,342

21,157

26,058

3,408

0,457

2,019

0,442

Styrene 34,206 Isopropylbenzene 6,23

34,284

39,354

31,711

No. 1

Senyawa Ethylbenzene

2

p-Xylene

3 4

400

5,972

5,311

7,886

5 6

Cyclopropyl-benzene Propylbenzene

0,493 0,797

0,434 0,595

0,438 0,591

0,376 0,67

7

Alpha-methylstirene

12,089

13,96

14,341

13,617

8 1,2 Benzedicarboxylate

10,138

4,161

6,066

4,731

89,581

81,205

89,277

85,493

10,419

18,795

10,723

14,507

100

100

100

100

Subtotal 9

Trace Substance Total

Tabel 4.3 Daftar senyawa yang selalu muncul pada setiap perlakuan suhu dan volumenya (ml) dari 400 oC s/d 550 oC o

No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

400 Senyawa Ethylbenzene 7,333 p-Xylene 1,125 Styrene 11,288 Isopropylbenzene 2,056 Cyclopropyl-benzene 0,163 Propylbenzene 0,263 Alpha-methylstirene 3,989 1,2 Benzedicarboxylate 3,346 Subtotal 29,562 Trace Substance 3,438 Total 33

Suhu C 450 500 550 7,096 7,193 9,12 0,152 0,687 0,155 11,4 13,38 11,099 1,986 1,806 2,76 0,144 0,149 0,132 0,198 0,201 0,235 4,642 4,876 4,766 1,384 2,062 1,656 27,001 30,354 29,922 6,249 3,646 5,078 33,25 34 35

Volume (ml)


8

16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

Ethylbenzene Styrene Alpha methyl styrene Isopropilbenz ene 400

450 500 Suhu C

550

Gambar 4.6. Grafik hubungan antara suhu dengan volume liquid hasil pirolisis (Ethylbenzene, Styrene, Alphamethylstyrene dan Isopropilbenzene) Komponen utama penyusun pirolisis liquid, disajikan dalam Tabel 4.2. Karena banyaknya senyawa yang muncul, maka senyawa yang disajikan hanyalah senyawa yang selalu muncul dalam setiap suhu (8 senyawa). Jumlah % area dari kedelapan senyawa tersebut pada masing-masing suhu dari suhu 400-550 oC berturut-turut adalah 89,581%, 81,205%, 89,277% dan 85,493%. Secara lebih detail, Tabel 4.2 diatas juga menunjukkan bahwa pada setiap variabel, produk yang paling melimpah adalah stirena dengan persentase antara 31,71% s.d 39,35% area. Produk yang melimpah selanjutnya adalah Ethylbenzene (21,34-26,058 % area), alpha methyl styrene (12,089-14,341%), 1,2 Benzedicarboxylate (4,161%10,138%) dan Isopropyl benzene (5,311-7,886%). Kemudian khusus untuk senyawa stirena, alfa metil stirena, ethyl benzene, dan isopropilbenzene, terdapat hubungan dari keempat senyawa ini karena hasil penjumlahan dari keempatnya adalah relatif sama pada tiap suhu yaitu 63,453%, 62,194%, 66,413% dan 66,326%. Secara garis besar, dapat dikatakan bahwa terdapat kecenderungan bahwa fluktuasi kelimpahan Stirene dan Alfa metil stirene berbanding terbalik dengan kelimpahan Ethylbenzene dan Isopropilbenzene (A Lopez, et al., 2011). Keberadaan senyawa Ethylbenzene dan Isopropilbenzene dimungkinkan terbentuk dari reaksi stirena itu sendiri, dan tidak berasal dari degradasi sampel aslinya (Onwudili, et al., 2009). Hal ini sesuai dengan hasil yang didapat dalam penelitian ini. Juga patut diperhatikan bahwa hasil stirena turun secara signifikan dari suhu 500 ke 550 oC yang menunjukkan bahwa stirena terbentuk pada suhu 400500 oC dan kemudian terdekomposisi menjadi senyawa lain, terutama Ethylbenzene dan Isopropilbenzene.


kata lain semua bahan polimer (PS) sudah terdekomposisi pada saat proses pirolisis.

IV.3 Hasil Pirolisis Gas Konsentrasi gas methane (%)

9

120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00

V. KESIMPULAN

350

450

Suhu C

550

650

Gambar 4.7. Grafik hubungan antara suhu dengan % konsentrasi gas methane (hasil pirolisis). Analisa GC menunjukkan bahwa gas hasil pirolisis (Lampiran 2) terdiri dari methane, ethane, dan propane. Kelimpahan gas methane mencapai 90%. Dapat dilihat bahwa secara umum, semakin tinggi suhu semakin besar jumlah gas methane yang dihasilkan. Pada suhu 400 oC dihasilkan gas methane dan propane berturut - turut sebanyak 88,54 % dan 10,53%. Sedangkan pada suhu 550 oC terdiri dari 91,85% methane dan 6,34% propane. Hal ini sesuai dengan teori bahwa semakin tinggi suhu, maka semakin kuat cracking yang terjadi sehingga menghasilkan gas dengan fraksi ringan lebih banyak (A Lopez et al, 2011). Dari hasil analisa yang didapat, juga tidak terdeteksi adanya gas CO2 maupun CO. Maka dapat dipastikan bahwa di dalam reaktor tidak terjadi reaksi pembakaran, melainkan hanya reaksi pirolisis.

IV.4 Hasil Pirolisis Solid

Gambar 4.8. Termogram (TGA) solid sisa pirolisis. Karakterisasi solid sisa pirolisis juga dilakukan dengan TGA dengan kecepatan pemanasan konstan 10 oC per menit dari suhu kamar s.d 600 oC. Temperatur degradasi solid ditentukan dengan termperatur saat terjadinya peluruhan massa sampel dalam proses pemanasan. Dari termogram pada Gambar 4.8, tidak terjadi penurunan massa solid yang signifikan dari 8,2 mg menjadi 7,7 mg (= 0,5 mg). Bandingkan dengan termogram sampel bahan sebelum dipirolisis (gambar 4.2), dimana terjadi penurunan massa sebesar 12,3 mg. Sehingga dapat diambil kesimpulan, bahwa dalam bahan solid sudah tidak terdapat lagi bahan polimer yang tersisa, dengan

V.1 Kesimpulan Berdasarkan data hasil percobaan dan analisis yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa : 1. Pada proses pirolisis dengan bahan baku limbah plastik PS, ternyata tidak hanya dihasilkan monomer stirena, tapi juga dihasilkan senyawa aromatik lain yang sejenis (Ethylbenzene, Propil benzene, Alfa metil stirene, Isopropilbenzene, cyclopropyl benzene, p-xylene dan 1,2 benzedicarboxilate). 2. Suhu operasi 500 oC merupakan suhu yang optimal untuk proses pirolisis. Karena diatas 500 oC stirena mengalami degradasi menjadi senyawa ethylbenzene, propil benzene, dan isopropilbenzene. V.2 Saran 1. Penelitian sebaiknya dilanjutkan untuk meninjau pengaruh penggunaan katalis pada proses ini. 2. Untuk penelitan selanjutnya bisa digunakan bahan sampah lain yang jumlahnya lebih melimpah (PP & PET).

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Unit Layanan Pengujian Farmasi Unair (ULPFA), Jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS, dan Laboratorium Energi ITS yang telah melakukan analisa - analisa sampel dengan baik, sehingga penelitian ini bisa berjalan sesuai harapan. DAFTAR PUSTAKA [1]

Lopez. A, I de Marco, Caballero B.M., Laresgoity. M. F, Adrados. A. 2011. Influence of time and temperature on pyrolysis of plastic wastes in a semi-batch reactor. Chemical engineering jurnal.

[2]

Perry, R.H. Chemical Engineer’s Handbook, eighth Edition, International Edition, Mc Graw Hill Book Co.,Singapore, 2008.

[3]

Scheirs. J, Kaminsky. W. Feedstock Recycling and Pyrolysis of Waste Plastics. John Wiley & Sons Ltd. Singapore, 2006.

[4]

J.A. Onwudili, N. Insura, P.T. Williams, Composition of products from the pyrolysis of polyethylene and polystyrene in a closed batch reactor: effects of temperature and residence time, J. Anal. Appl. Pyrolysis 86 (2009) 293–303.

[5]

León-Bermúdez & Salazar. 2008. Synthesis and Characterization of The Polystyrene-Asphaltene Graft Copolymer by FT-IR Spectroscopy. Ciencia, Tecnología y Futuro - Vol. 3 Núm. 4


10

Pembuatan Stirena dari Limbah Plastik Dengan Metode Pirolisis

Recommend Documents