I. PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Pada tahun 2008, Indonesia merupakan negara yang menempati peringkat ke-9 sebagai produsen batubara dunia dengan tingkat produksi sebesar 233 juta ton. Sedangkan sebagai peng-ekspor, pada tahun yang sama Indonesia menempati peringkat ke-3 dengan tingkat ekspor sebesar 160 juta ton. Sumber daya batubara Indonesia mencapai104,8 milyar ton. Sebesar 59% dari total sumber daya tersebut, dikategorikan ke dalam jenis batubara peringkat rendah (Daulay, 2009). Batubara peringkat rendah memiliki kandungan air yang cukup tinggi sehingga harganya relatif murah, sedangkan biaya produksi relatif sama dengan biaya produksi batubara peringkat di atasnya. UU No. 4/2009, tentang pertambangan mineral dan batubara, disebutkan dalam pasal 102 dan 103, yang mengamanatkan bahwa IUP/IUPK wajib meningkatkan nilai tambah dalam rangka pelaksanaan pengolahan dan pemurnian di dalam negeri (Dirjen Minerba, 2010). Saat ini, batubara Indonesia lebih banyak diekspor sebagai bahan mentah, kemudian mengimpor kembali bahan yang sudah diolah. Melalui pengolahan bahan mentah dan barang setengah jadi menjadi barang jadi, akan memiliki nilai tambah yang lebih tinggi (Ramelan, 2006). Untuk mewujudkan tujuan ini, teknologi merupakan faktor penggerak utama untuk memperoleh nilai tambah tersebut. Puslitbang tekMIRA sebagai institusi pemerintah yang menyelenggarakan litbang terapan dalam pengolahan dan pemanfaatan batubara telah mengembangkan berbagai hasil penelitian, diantaranya adalah pembuatan karbon aktif dari batubara. Penelitian ini telah berlangsung sejak tahun 1980 dan merupakan kegiatan multiyears. Pada tahun 2007 dilakukan peningkatan kapasitas percobaan dari skala laboratorium dan bench scale ke skala pilot. Alat yang digunakan pada skala pilot adalah rotary kiln yang berkapasitas 1 ton/hari. Saat ini, percobaan pada skala pilot telah mencapai tahap optimalisasi peralatan dan proses. Pelaksanaan optimalisasi mengacu pada faktor-faktor yang menentukan agar teknologi proses pembuatan karbon aktif ini dapat diterima masyarakat, yaitu murah, mudah dan ramah lingkungan. Tabel 1.1
1
memperlihatkan tahapan kegiatan penelitian pembuatan karbon aktif dari batubara pada skala pilot.
Tabel 1.1 Tahap kegiatan pembuatan karbon aktif dari batubara dari tahun 2007 s/d tahun 2010 Tahun
Kegiatan Peningkatan
Pengembangan
Teknologi
Aktivasi
Pembuatan
Karbon Aktif dari Batubara 2007
-Uji coba pembuatan karbon aktif pada skala komersil di pabrik karbon aktif tempurung kelapa (Lampung) -Pengadaan 1 unit rotary kiln berkapasitas 1 ton/hari
2008
Optimalisasi Teknologi Aktivasi Karbon Aktif dari Batubara a. Optimalisasi peralatan. Modifikasi feeder, burner, scrubber, distribusi uap air dan cooler. b. Optimalisasi proses Variabel percobaan; kemiringan dan putaran kiln, laju umpan, temperatur dan waktu aktivasi, dan laju alir uap air dengan boiler yang berkapasitas 100 kg/jam
2009
A.Optimalisasi Proses dan Uji Coba Pemanfaatan Karbon Aktif dari Batubara a. Optimalisasi proses (lanjutan) - Parameter percobaan ; temperatur karbonisasi, ukuran butir, waktu aktivasi dan laju alir uap air dengan boiler yang berkapasitas 200 kg/jam. b. Uji coba pemanfaatan karbon aktif di industri c. Efisiensi proses (untuk keekonomian produk) -Substitusi bbm dengan batubara (pembuatan tungku siklon)
2
2010
Optimalisasi Produksi Karbon Aktif Berbasis Batubara a. Proses pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara (tungku siklon) b. Peningkatan efisiensi proses, dengan mempersiapkan instalasi pemanfaatan energi gas buang sebagai bahan bakar boiler b. Uji coba pemanfaatan karbon aktif di tambak udang
Optimalisasi yang dilakukan pada tahun 2008 bertujuan untuk mengoptimalkan kinerja alat dengan cara memodifikasi sistim fungsi rotary kiln yang terdiri atas feeder, burner, boiler, ruang bakar (tungku), scrubber dan cooler. Pengujian sistim peralatan yang telah dimodifikasi dilakukan dengan uji coba pembuatan karbon aktif, dengan variabel proses seperti kemiringan dan putaran kiln, laju umpan, laju alir uap air, temperatur dan waktu aktivasi. Pada tahun 2009, kegiatan dilanjutkan dengan optimalisasi terhadap kondisi proses, termasuk diantaranya substitusi bahan bakar minyak oleh batubara. Dasar pertimbangan substitusi oleh batubara disebabkan biaya pembuatan karbon aktif dengan bahan bakar minyak sangat mahal, sehingga produk yang dihasilkan tidak mungkin dapat dijual. Hasil optimalisasi tahun 2009 adalah diperoleh karbon aktif dengan kualitas yang mendekati persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia. Selain itu, berdasarkan hasil uji coba pemanfaatan yang dilakukan di laboratorium, karbon aktif batubara dapat digunakan untuk penurunan kadar logam, pH, COD, TSS dan penyerap bau terutama pada fasa cair. Sedangkan berdasarkan hasil perhitungan penggunaan batubara sebagai bahan bakar, diperoleh penghematan biaya produksi sebesar ±65%, lebih murah dari penggunaan bahan bakar minyak. Berdasarkan hasil kegiatan tahun 2009, maka pada tahun 2010 dilakukan uji coba pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara, dan pemasangan instalasi boiler berkapasitas 300 kg/jam yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi. Rencana pada tahun 2011, akan dilakukan pemanfaatan energi panas gas buang (hasil proses aktivasi) sebagai bahan bakar boiler kapasitas 300 kg/jam. Pemanfaatan energi panas ini akan mengurangi biaya penggunaan bahan bakar
3
minyak yang selama ini digunakan sebagai bahan bakar boiler yang berkapasitas 200 kg/jam, dengan konsumsi sebesar 20 L/jam. Hasil percobaan secara keseluruhan, akan diperoleh penguasaan teknologi pembuatan karbon aktif berbasis batubara. Artinya, bahan baku dan bahan bakar yang digunakan pada pembuatan karbon aktif adalah batubara. 1.2
Ruang lingkup kegiatan
Kegiatan pembuatan karbon aktif terdiri atas 5 kegiatan utama yaitu ; 1.
Optimasi pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar batubara
2.
Pemasangan instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam yang terintegrasi dengan rotary kiln (reaktor aktivasi)
3.
Pemanfaatan karbon aktif batubara di tambak udang
4.
Evaluasi hasil percobaan dan keekonomian produk (draft FS)
5.
Desain global (draft) peralatan utama reaktor aktivasi karbon aktif
1.3. Tujuan Tujuan kegiatan adalah memperoleh sistim peralatan dan kondisi proses pembuatan karbon aktif yang efisien dan efektif sehingga pembuatan karbon aktif berbasis batubara Indonesia layak diterapkan di masyarakat. 1.4. Sasaran -
Teknologi proses pembuatan karbon aktif dari batubara pada kapasitas 1 ton/hari dengan menggunakan bahan bakar batubara (tungku siklon).
-
Terpasangnya instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi berbahan bakar batubara
-
Karbon aktif dengan kualitas sesuai persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia.
1.5 Lokasi kegiatan Palimanan dan Ciamis, Jawa Barat
4
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pembuatan karbon aktif Karbon aktif dikenal sebagai bahan berbentuk kristalit dengan struktur pori yang sangat besar sehingga memiliki sifat adsorpsi yang sangat kuat (Strand, 2001). Berbagai bahan karbon dapat digunakan untuk pembuatan karbon aktif, seperti tempurung kelapa, kayu, tulang-tulang, biji-bijian, limbah kertas, dan sebagainya. Batubara adalah bahan dengan kandungan senyawa karbon tinggi, sehingga potensial sebagai bahan karbon aktif. Sifat adsorpsi karbon aktif diperoleh melalui proses pengarangan (karbonisasi) dan aktivasi. Pada proses karbonisasi, terjadi pirolisis atau de-volatilisasi. Pada tahap ini, dihasilkan 3 produk utama, yaitu arang, tar dan gas-gas (Patisson, 2000). Arang adalah padatan yang tersisa dari proses transformasi karbon yang mencapai 50% dari berat batubara awal, dikenal sebagai semikokas. Pembakaran terhadap semikokas dikontrol dengan pengaturan kecepatan oksigen yang berdisfusi ke dalam permukaan karbon. Tar dan gas-gas seperti CO2, CO, H2O dan hidrokarbonhidrokarbon, CxHy, akan terbakar dan bereaksi menurut persamaan berikut . CxHy + (x + y/4)O2 CO + ½O2
xCO2 + y/2 H2O + Q (kJ/mol) CO2 + Q (kJ/mol)
Pada proses pembuatan karbon aktif dari batubara, terjadi proses pirolisis dan gasifikasi. Pada
temperatur 300-400°C, ikatan kimia terlemah
mulai
terputus,
menghasilkan fragmen molekul-molekul disebut de-polimerisasi. Fragmen ini dapat mengakibatkan terbentuknya tar jika keberadaanya cukup kecil untuk diuapkan dan dikeluarkan dari batubara. De-komposisi yang terjadi pada temperatur 500-600°C, menyebabkan pembebasan gas CO dan H2. Pada proses pirolisis, sembilan komposisi utama zat terbang utama yang harus dipertimbangkan adalah air, tar, etilena (C2H4), etana (C2H6), asetilena (C2H2), karbon dioksida (CO2), metana (CH4), karbon monoksida (CO), dan hidrogen (H2). Tahap kedua setelah pirolisis adalah gasifikasi yang terjadi pada saat proses aktivasi. Gasifikasi melibatkan uap air sebagai zat aktifator (Sugianto, 2009). Pada reaksi gasifikasi, selain penguraian, terjadi pula pembentukan gas-gas, cairan yang terkondensasi, tar, juga padatan produk karbon aktif, dengan keberadaan gas-gas reaktif bertekanan. Unsur karbon, hidrogen dan oksigen yang merupakan tiga komponen utama dalam sistim gasifikasi, diasumsikan
5
sebagai fasa gas dalam bentuk CO, CO2, H2, H2O dan CH4 (Baron,1978). Pada proses aktivasi, reaksi gasifikasi karbon dan uap air akan menghasilkan komposisi utama gas CO dan H2 yang dikenal sebagai gas sintesis (syngas) dan dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar (Durie”, 1978). Pada saat bersamaan, reaksi karbon dengan uap air mengakibatkan permukaan dan distribusi pori semakin luas. Hal tersebut disebabkan tar yang terbentuk pada saat pirolisis dan menutupi permukaan pori-pori karbon turut terbakar dan bereaksi dengan uap air. Meningkatnya luas permukaan dan pori-pori mengakibatkan karbon memiliki daya serap yang lebih baik. 2.2 Energi pada proses aktivasi Pada proses aktivasi, reaksi gasifikasi karbon dengan uap air akan menghasilkan energi kalor yang menyertai sistim reaksi tersebut. Kalor yang terbentuk dapat bersifat eksoterm (melepaskan) atau endoterm (menerima), yang disebut sebagai entalpi pembakaran dan dinyatakan dalam kJ/mol. Perhitungan nilai entalpi pada setiap reaksi yang terjadi merupakan konsep dasar untuk menghitung energi yang dibutuhkan dan dilepaskan, sehingga dapat menjadi dasar untuk merancang dan menentukan kalor reaksi dalam proses pembuatan karbon aktif. Reaksi dasar gasifikasi digambarkan sebagai berikut (Klein, 2002). 1) C + O2
CO2 -393 kJ/mol (eksoterm)
2) C + H2O
CO + H2 +131 kJ /mol (endoterm)
3) C + CO2
2CO +172 kJ/mol (endoterm)
4) C + 2H2
CH4 -74 kJ/mol (eksoterm)
5) CO + H20
CO2 + H2 -41 kJ/mol (eksoterm)
6) CO + 3H2
CH4 + H20 -205 kJ/mol (eksoterm)
Seluruh reaksi di atas bersifat reversible dan kecepatannya tergantung pada temperatur, tekanan dan konsentrasi oksigen di dalam sistim. 2.3 Pemanfaatan karbon aktif Adsorpsi adalah peristiwa penyerapan suatu zat, ion atau molekul yang melekat pada permukaan, dimana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan pengadsorpsi atau adsorben. Sifat adsorpsi partikel koloid banyak dimanfaatkan dalam proses penjernihan air atau pemurnian suatu bahan yang masih mengandung pengotor.
6
Partikel koloid mempunyai permukaan yang luas sehingga mempunyai sifat adsorpsi yang besar. Terjadinya adsorpsi pada permukaan larutan disebabkan adanya kekuatan atau gaya tarik – menarik antara atom atau molekul pada permukaan larutan. Peristiwa penyerapan suatu zat pada permukaan zat lain disebut adsorpsi, zat yang diserap disebut fasa terserap (adsorbat), sedangkan zat yang menyerap disebut adsorben. Peristiwa adsorpsi disebabkan oleh gaya tarik molekul dipermukaan adsorben. Pemanfaatan karbon aktif erat berhubungan dengan sifat adsorpsi, adsoban dan adsorbat. Sifat adsorpsi memungkinkan karbon aktif untuk digunakan pada fasa cair seperti pengolahan/pemurnian air atau limbah. Berdasarkan hasil survey secara langsung ke pengguna karbon aktif dan hasil uji coba pemanfaatan di laboratorium, karbon aktif dengan kualitas seperti kualitas hasil percobaan, banyak digunakan oleh masyarakat yang mengembangkan budidaya tambak udang.
Perbedaannya,
karbon aktif yang selama ini digunakan di tambak udang terbuat dari tempurung kelapa. Tambak udang adalah industri yang berkembang dalam skala besar maupun rumahan, umumnya berlokasi di dekat pantai. Pemanfaatan karbon aktif di tambak udang untuk filtrasi, yaitu proses menyaring air laut dari air yang berisi beragam partikel/kotoran menjadi air yang bersih, jernih dan bebas dari mikroorganisme (BPBIALP,
2010).
Sebagai
gambaran,
Gambar
2.1
dan
2.2
memperlihatkan
pemanfaatan karbon aktif pada sistim filtrasi budidaya tambak udang yang berlokasi di Pangandaran-Ciamis, Jawa Barat.
7
Gambar 2.1 Kemasan karbon aktif
Gambar 2.2 Sistim filtrasi di tambak
udang yang digunakan di tambak udang Filtrasi air laut perlu dilakukan, karena budidaya udang membutuhkan kualitas air tertentu. Parameter pengukuran kualitas air tambak cukup beragam, diantaranya pH, salinitas, alkalinitas, N-NH4, ORP dan Br2. - pH pH adalah derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu larutan. pH air laut umumnya bersifat alkalis (pH > 7) karena bergaram. pH air tambak terdiri atas kondisi tanah dasar dan konsentrasi CO2 terlarut. Peningkatan level pH yang terlalu rendah dapat dilakukan dengan pengapuran, sedangkan pH yang terlalu tinggi dapat dilakukan dengan pengasaman. Tabel
2.1
mencantumkan
ukuran
pH air
pH
pengaruhnya
terhadap
Air bersifat toksik
5 –6.5
Pertumbuhan udang terhambat; pengaruh pada ketahanan tubuh Pertumbuhan optimal
>9.0
kultur
Kondisi kultur
< 4.5
6.5 –9.0
kondisi
Pertumbuhan ikan terhambat
pertumbuhan udang. Tabel 2.1 Pengaruh pH pada pertumbuhan udang (ITB, 2009) - Salinitas Salinitas adalah tingkat keasinan atau kadar garam, yang menggambarkan konsentrasi seluruh larutan garam yang terdapat dalam air laut. Konsentrasi garamgaram dalam air laut jumlahnya relatif sama. Beberapa jenis ikan seperti bandeng,
8
kakap, nila dan mujair memiliki toleransi salinitas yang luas. Untuk mengurangi atau mengubah
salinitas
air
biasanya
dilakukan
dengan
penggantian
air
atau
penambahan air tawar. Tabel 2.2 mencantumkan klasifikasi air berdasarkan tingkat salinitas. Tabel 2.2 Klasifikasi air berdasarkan tingkat salinitas Istilah
Salinitas (ppt)
Fresh water
< 0,5
Oligohaline
0,5 –3,0
Air tawar :
Air payau : Mesohaline
3,0–16,0
Polyhaline
16,0 –30,0
Air asin (marine)
30,0 –40,0
Kisaran salinitas optimal pada budidaya udang/ikan tambak adalah 12-20 ppt. Persyaratan salinitas dibutuhkan untuk mengatur keseimbangan cairan tubuh ikan dan air tambak (proses osmoregulasi), sedangkan energi yang berasal dari pakan digunakan secara maksimal untuk pertumbuhan. - Alkalinitas Alkalinitas adalah konsentrasi total dari unsur basa-basa yang terkandung dalam air, dan umumnya dinyatakan dalam satuan mg/L (ppm). Basa terkandung dalam bentuk ion karbonat dan bikarbonat akan mempengaruhi tingkat kesadahan dan pH air. Namun pada dasarnya, unsur-unsur karbonat dan bikarbonat juga berperan sebagai buffer
(penyangga
pH)
untuk
menjaga
kestabilan pH.
Pengapuran dengan
penambahan kapur dolomit pada tambak, umum dilakukan untuk menyuplai unsur basa
(karbonat), serta meningkatkan pH
(dilakukan pada sore
hari).
Untuk
pertumbuhan optimal plankton, diperlukan total alkalinitas dengan kisaran 80 –120 ppm. Alkalinitas yang tidak sesuai akan
mmoni efek pada pertumbuhan dan produksi
ikan budidaya. -
Ammonia
Hewan akuatik umumnya mengekskresikan
mmonia (NH3) sebagai hasil dari proses
mmonia sm dan sebagai produk ekskretori (dari ginjal dan jaringan insang). Amonia
9
juga dihasilkan dari dekomposisi protein sisa pakan atau plankton yang mati. Di perairan,
mmonia umumnya terlarut dalam bentuk NH4+. Kadar
mmonia di perairan
akan meningkat seiring dengan peningkatan suhu dan pH. Toksisitas
mmonia lebih
besar pada suhu dan pH tinggi (lebih beracun dan berbahaya bagi ikan). Untuk mengatasi hal tersebut, dilakukan dengan cara pergantian air sehingga dapat mengatasi konsentrasi ammonia yang terlalu tinggi. Konsentrasi maksimal
mmonia
dalam tambak ~ 0,1 ppm.
III. PROGRAM KEGIATAN Pelaksanaan kegiatan mengacu pada ruang lingkup kegiatan dengan keterangan sebagai berikut. 3.1
Optimalisasi
pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar
batubara 3.1.1 Persiapan peralatan untuk proses karbonisasi dan aktivasi Persiapan peralatan dilakukan dengan melakukan kegiatan sebagai berikut ; -
kalibrasi waktu tinggal di dalam kiln
-
pemasangan stopper dan lifter
-
pengaturan distribusi uap air
-
pengujian kestabilan temperatur di dalam kiln dengan menggunakan tungku
siklon 3.1.2
Proses karbonisasi Analisis karakteristik dan preparasi batubara untuk proses karbonisasi, dengan variabel proses sebagai berikut ; - temperatur karbonisasi 500-600°C, - jumlah umpan 60 kg/jam, - waktu tinggal 2 jam, putaran kiln 1,5 rpm dan ukuran butir batubara 1, 3 dan 5 cm
3.1.3
Proses aktivasi
10
- preparasi semikokas untuk analisis karakteristik semikokas dan proses aktivasi - aktivasi, dengan variabel proses ; temperatur aktivasi 900°C, laju umpan 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam, putaran kiln 0,5 rpm, ukuran semikokas antara +6, -6+12 dan -12+20 mesh, pengaturan distribusi uap air sepanjang ruang kiln dengan kapasitas boiler 200 kg/jam 3.1.4
Analisis kualitas produk
Meliputi analisis kualitas menurut Standar Industri Indonesia, seperti bilangan yodium, metilen biru, kadar air, abu, karbon aktif murni, bagian yang hilang pada pemanasan 950°C dan kerapatan jenis curah 3.2
Pemasangan instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam dan exhauster yang terintegrasi dengan reaktor aktivasi (rotary kiln) - Persiapan tempat dan peralatan yang diperlukan untuk instalasi boiler kapasitas 300 kg/jam dan exhauster, yang terhubung dengan reaktor aktivasi - Pemasangan instalasi boiler dan exhauster - Pengujian kinerja boiler dan exhauster
3.3
Uji coba pemanfaatan karbon aktif batubara -
Uji
coba
pemanfaatan
merupakan
kelanjutan
dari
hasil
uji
coba
pemanfaatan yang dilakukan di laboratorium, dan pelaksanaannya dilakukan pada tambak udang bekerjasama dengan Balai Pengembangan Benih Ikan Air Payau dan Laut, di Pangandaran Ciamis 3.4
Evaluasi hasil percobaan dan keekonomian produk (draft FS)
3.5
Desain umum (draft) peralatan utama reaktor aktivasi karbon aktif
3.6
Pembuatan laporan
4.
METODOLOGI
4.1 Peralatan yang digunakan ;
-
1 unit reaktor aktivasi (rotary kiln) berkapasitas 1 ton/hari, yang dilengkapi dengan pembakar berupa tungku siklon, bucket elevator, feeder, cooler dan scrubber (Gambar 4.1)
-
Boiler berkapasitas 200 kg/jam 11
-
Crusher dan screen
-
Peralatan laboratorium seperti timbangan analitik, pemanas, buret, beaker glass, corong, erlenmeyer, pengaduk dan kertas saring untuk analisis kualitas produk
Gambar 4.1 Reaktor aktivasi (rotary kiln)
4.2 Bahan yang digunakan ; -
Batubara dari Air Laya PT Tambang Batubara Bukit Asam, Sumatera Selatan
-
Bahan kimia seperti larutan yodium, kalium yodida, asam klorida, natrium tio sulfat dan di-natrium karbonat
4.3 Prosedur kegiatan Cara kerja pembuatan karbon aktif relatif sederhana. Pertama, masing-masing batubara yang berukuran 1, 3 dan 5 cm dikarbonisasi dengan menggunakan reaktor aktivasi pada temperatur 500-600 ºC. Dengan laju umpan 60 kg/jam, dan kecepatan putaran kiln 1,5 rpm, maka waktu yang dibutuhkan untuk proses karbonisasi ± 2 jam. Bahan bakar yang digunakan adalah batubara, dengan sistim pemanasan langsung, yaitu batubara secara langsung dipanaskan dan dibakar di dalam reaktor aktivasi. Kestabilan temperatur selama proses berlangsung diatur melalui pengaturan
inverter dan blower pada tungku siklon. Setelah proses karbonisasi selesai, 12
selanjutnya dilakukan analisis karakteristik semikokas yang terdiri atas analisis kadar air, abu, zat terbang dan karbon tertambat. Sedangkan untuk proses aktivasi, semikokas digerus dan diayak untuk memperoleh ukuran butir +6, -6+12 dan -12+20 mesh. Masingmasing ukuran semikokas tersebut selanjutnya diaktivasi pada temperatur 900ºC
dengan laju umpan masing-masing 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam. Setelah proses pembuatan karbon aktif selesai, selanjutnya dilakukan analisis kualitas karbon aktif yang meliputi analisis bilangan yodium, metilen biru, air, abu, bagian yang hilang pada pemanasan 950°C dan karbon aktif murni, sesuai persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia. Dua kegiatan lainnya adalah mempersiapkan pemanfaatan energi gas buang, dengan pemasangan pipa-pipa yang menghubungkan boiler berkapasitas 300 kg/jam dengan reaktor aktivasi, dan uji coba pemanfaatan secara langsung di tambak udang. Pada prinsipnya, bagan alir proses pembuatan karbon aktif dapat dilihat pada Gambar 4.2
Raw Batubara
Shake feeder CrusherScreen Rotary Kiln (karbonisasi)
Siklon Burner
Semikokas
Roll mill Siklon burner
Rotary kiln (aktivasi) Boiler Screen Karbon aktif
Gambar 4.2 Bagan alir proses pembuatan karbon aktif
13
5. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1
Optimalisasi pembuatan karbon aktif
Optimalisasi dilakukan terhadap dua proses utama pembuatan karbon aktif, yaitu proses karbonisasi dan aktivasi. Sebelum kegiatan tersebut dilaksanakan, terlebih dahulu dilakukan kalibrasi waktu tinggal, pengaturan kembali distribusi uap air dan pengujian kinerja tungku siklon. Kalibrasi waktu tinggal dilakukan dengan cara penempatan kisi-kisi atau stopper di dalam kiln pada kecepatan dan kemiringan kiln tetap. Sedangkan pengaturan distribusi uap air dengan cara mendistribusikan uap air pada posisi sepanjang ruang kiln. Pemasangan kisi-kisi dan pengaturan kembali distribusi uap air bertujuan agar kontak bahan dengan uap air dapat lebih merata. Sistim penempatan kisi-kisi dan pipa uap air di dalam kiln dapat dilihat pada Gambar 5.1
Gambar 5.1 Sistim kisi-kisi dan distribusi uap di dalam kiln Percobaan dilakukan dengan mengoptimalkan penggunaan tungku siklon terhadap proses pembuatan karbon aktif. Tungku siklon yang berbahan bakar batubara berbentuk silinder dengan diameter dalam 65 cm, diameter luar 102 cm, dan panjang 150 cm (Gambar 5.2).
14
Gambar 5.2 Tungku siklon berbahan bakar batubara Untuk kiln dengan kapasitas 1 ton/hari dan temperatur yang diinginkan pada ruang 1 adalah 900˚C, laju pengumpanan batubara sebagai bahan bakar adalah 60 kg/jam. Jumlah umpan tersebut menghasilkan panas di dalam kiln mencapai ±800°C, sedangkan temperatur di dalam tungku siklon mencapai >1000°C. Kegiatan optimalisasi dilakukan terhadap proses karbonisasi dan aktivasi, dengan pengujian dan pengamatan terhadap faktor-faktor yang dapat meningkatkan daya serap karbon aktif, seperti temperatur, ukuran butir umpan dan waktu tinggal. 5.1.1 Optimalisasi proses karbonisasi Optimalisasi karbonisasi tahun 2010 dilakukan dengan mengacu pada kondisi dan hasil karbonisasi tahun 2009. Perbedaannya, karbonisasi tahun 2009 menggunakan bahan bakar minyak, sedangkan karbonisasi yang dilakukan pada tahun 2010 menggunakan batubara sebagai bahan bakar. Kondisi proses karbonisasi berlangsung pada temperatur 500-600˚C. Pada kecepatan putaran kiln 1,5 rpm, dengan laju umpan 60 kg/jam diperoleh waktu tinggal selama ± 2 jam. Contoh batubara yang digunakan adalah batubara Air Laya dari PT Tambang Batubara Bukit Asam Persero, Sumatera Selatan, dengan karakteristik seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5.1. Tabel 5.1 Karaktaristik batubara sebagai bahan baku karbon aktif Nama contoh
Air lembab
Abu
Zat terbang
Karbon tertambat
%adb
%adb
%adb
%adb
15
Batubara Air Laya
18,6
4,8
38,6
38,0
Variabel proses karbonisasi dilakukan dengan ukuran butir batubara 1, 3 dan 5 cm. Penetapan parameter ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh ukuran butir batubara terhadap pembentukan semikokas yang diindikasikan dengan berkurangnya kadar zat terbang. Hasil percobaan dengan variabel ukuran butir memperlihatkan bahwa batubara yang berukuran 1, 3 dan 5 cm tidak mempengaruhi proses penurunan kadar zat terbang. Artinya, proses karbonisasi dengan tiga ukuran berbeda, menghasilkan semikokas dengan spesifikasi kadar zat terbang yang relatif sama. Begitu pula pengaruhnya terhadap bentuk semikokas, ketiga ukuran ukuran batubara yang berbeda tersebut menghasilkan semikokas yang berukuran sama, yaitu <1 cm. Oleh karena itu, untuk setiap proses karbonisasi lanjutan, digunakan batubara dengan ukuran butir 3 cm, dengan pertimbangan ukuran tersebut sesuai dengan spesifikasi screw feeder pada rotary kiln. Penentuan spesifikasi semikokas mengacu pada persyaratan ideal bahan baku karbon aktif menurut Standar Industri Indonesia 0258, seperti yang yang ditunjukkan pada Tabel 5.2. Tabel 5.2 Spesifikasi persyaratan ideal arang untuk karbon aktif (SII, 1999) Karakteristik
Satuan
Ukuran
Karbon tertambat Air Abu Zat terbang
% % % %
70 – 80 3 -10 1–2 15 – 20
Spesifikasi pada Tabel 5.2, merupakan persyaratan bahan baku yang digunakan untuk memproduksi karbon aktif dari tempurung kelapa. Oleh karena spesifikasi bahan baku ideal dari batubara peringkat rendah belum ada, maka spesifikasi pada Tabel 5.2 menjadi acuan setiap proses karbonisasi batubara yang dilakukan. Adapun hasil karbonisasi dengan menggunakan bahan bakar batubara (tungku siklon), ditunjukkan pada Tabel 5.3. Tabel 5.3 Spesifikasi semikokas hasil karbonisasi Ukuran
16
Nama Contoh
Air (%)
Semi kokas Air Laya
2-7
Abu (%) 4-13
Zat terbang (%) 15-20
Karbon tertambat(%) 60-80
Bila mengacu pada persyaratan ideal bahan baku, spesifikasi semikokas pada Tabel 5.3 telah memenuhi persyaratan. Kadar zat terbang yang menjadi indikator utama terbentuknya semikokas telah mencapai nilai yang diinginkan yaitu 15-20%. NIlai tersebut tercapai pada temperatur karbonisasi berkisar antara 500-600˚C. Namun secara keseluruhan, 65 % dari data pengamatan menunjukkan kadar di atas tidak stabil dan fluktuatif. Berdasarkan hasil evaluasi data, ketidakstabilan tersebut disebabkan oleh ketidakstabilan temperatur karbonisasi. Gambar 5.3 menunjukkan grafik hasil karbonisasi.
Gambar 5.3 Pengaruh temperatur terhadap penurunan kadar zat terbang, air dan abu Pada Gambar 5.3, pengukuran temperatur pada ruang 1 (T1) dan ruang 2 (T2) menunjukkan ketidakstabilan temperatur pada saat karbonisasi. Temperatur di siklon yang mencapai >1000°C menjadi kendala meskipun laju umpan dan udara yang masuk ke dalam tungku siklon di kurangi. Kenaikan temperatur >600˚C, menyebabkan bahan karbon terbakar menjadi abu. Pada kondisi demikian, selain mematikan inverter dan blower, exhauster yang berfungsi menghisap gas panas di dalam sistim juga dimatikan, untuk menghindari udara masuk
ke dalam kiln. Tidak difungsikannya
exhauster mengakibatkan tekanan di dalam kiln lebih besar dari tekanan atmosfir,
17
sehingga gas panas keluar dari sistim. Sedangkan dihentikannya pemasukan umpan batubara ke dalam siklon menyebabkan temperatur turun secara drastis menjadi <300˚C. Akibat kondisi tersebut, kadar zat terbang yang menjadi acuan terbentuknya semikokas menjadi sangat fluktuatif. Oleh karena itu, pada proses karbonisasi berikutnya,
dilakukan
pengontrolan
temperatur,
dengan
cara
pemasangan
thermocontrol. Secara teknis, thermocontrol terhubung dengan inverter feeder dan blower pada tungku siklon, sehingga secara otomatis apabila temperatur melebihi besaran yang ditetapkan, maka inverter dan blower tidak akan berfungsi. Hasil karbonisasi dengan cara pengontrolan menggunakan thermocontrol, ditunjukkan dalam Gambar 5.4.
Gambar 5.4. Pengaruh temperatur terhadap penurunan kadar zat terbang, air dan abu setelah pemasangan thermocontrol Grafik pada Gambar 5.4 menunjukkan kestabilan temperatur di T1 dan T2 tercapai pada 500-600°C setelah jam ke 5, yang menghasilkan kadar zat terbang antara 7-14%. Bila mengacu pada persyaratan bahan baku, nilai ini tidak memenuhi spesifikasi yang ditetapkan. Namun demikian, dari sisi kestabilan temperatur, telah diperoleh kondisi optimal penggunaan tungku siklon untuk proses karbonisasi batubara.
5.1.2 Proses aktivasi
18
Proses aktivasi adalah proses peningkatan luas permukaan terhadap semikokas hasil karbonisasi. Parameter proses aktivasi adalah variabel ukuran butir +6, -6+12 dan -12+20 mesh, dan laju umpan 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam. Variabel ini telah dilakukan pada tahun 2009, namun dengan kondisi distribusi uap air dari satu arah dan menggunakan bahan bakar minyak. Penentuan laju umpan sangat berpengaruh terhadap waktu tinggal. Berdasarkan hasil kalibrasi, laju umpan 17,5, 35 dan 52,5 kg/jam menghasilkan waktu tinggal masing-masing selama 6, 3 dan 1,5 jam. Berdasarkan hasil pengukuran daya serap karbon aktif melalui analisis bilangan yodium, diperoleh hasil seperti ditunjukkan pada Gambar 5.5.
Gambar 5.5 Pengaruh waktu tinggal terhadap bilangan yodium Bilangan yodium didefinisikan sebagai kemampuan per gram karbon aktif dalam menyerap per miligram zat anorganik. Semakin tinggi nilai bilangan yodium, semakin baik kualitas karbon aktif (Ningrum, 2000). Analisis bilangan yodium merupakan pengujian standar kualitas karbon aktif dan secara langsung dapat dilakukan di lapangan. Semakin tinggi nilai bilangan yodium, maka daya serap dan kualitas karbon aktif semakin baik. Hal tersebut disebabkan pada saat proses aktivasi, terjadi reaksi antara karbon dan uap air yang mengakibatkan pori-pori karbon terbuka dan permukaan semakin luas. Peningkatan daya serap dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya laju alir atau distribusi kontak uap air dan bahan karbon, ukuran butir umpan, serta waktu tinggal selama proses berlangsung. Secara teoritis, semakin kecil ukuran butir, permukaan dan volume pori semakin besar. Sedangkan untuk laju umpan, semakin kecil jumlah umpan, maka waktu tinggal di dalam kiln semakin lama.
19
Berdasarkan hasil analisis bilangan yodium yang ditunjukkan pada Gambar 5.5, daya serap terbaik diperoleh dari ukuran butir semikokas -12+20 mesh dengan laju umpan 17,5 kg/jam ( waktu tinggal ± 6 jam), yang mencapai bilangan yodium rata-rata 785 mg/gr, dan tertinggi tercatat mencapai 853 mg/gr. Begitu pula dengan laju umpan 35 kg/jam, rata-rata bilangan yodium adalah 723 mg/gr. Hal ini menunjukkan, bahwa semakin lama waktu proses, maka daya serap yang diperoleh semakin baik. Sebaliknya, terhadap ukuran butir semikokas + 6 mesh, pada laju umpan 17,5 kg/jam, rata-rata bilangan yodium adalah 574 mg/gr. Artinya, semakin besar ukuran butir semikokas maka semakin kecil luas permukaan dan volume pori. Secara keseluruhan, kualitas karbon aktif batubara hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 5.4, yang dibandingkan dengan hasil percobaan tahun 2009 dengan menggunakan contoh batubara sejenis, namun telah dikarbonisasi di Tanjung Enim menggunakan alat karbonisasi dari NEDO. Tabel 5.4 juga mencantumkan spesifikasi kualitas karbon aktif menurut SII atau komersil. Tabel 5.4. Kualitas karbon aktif hasil uji coba dan persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia /komersil
%
2
Bagian yang hilang pada pemanasan 950°C Air
Kualitas karbon aktif hasil uji coba 6
%
10
5
4-15
3
Abu
%
8
18
2-10
4
Bilangan yodium
mg/g
600-800
500-750
750-1200 (400-
No 1
Parameter
Satua n
Kualitas karbon aktif tahun 2009 6
15-25
Kualitas karbon aktif (SII,1999)/komersil
1200)* 5
Karbon aktif murni
%
75
75
60-80
6
Adsorpsi benzene
%
-
-
25
7
Bilangan metilen
mg/g
60
50
60-120
g/ml
0,52
0,53
0,30-0,55
biru 8
Kerapatan jenis
20
curah *Kualitas karbon aktif komersil/di pasaran Dibandingkan hasil percobaan tahun 2009, kualitas karbon aktif
mengalami
peningkatan. Menurut Standar Industri Indonesia, persyaratan nilai bilangan yodium antara 750 – 1200 mg/gr. Namun berdasarkan hasil survey secara langsung pada pengguna dan pasar karbon aktif, kualitas karbon aktif dengan nilai bilangan yodium 300-400 mg/gr telah digunakan dan dijual secara komersil. Dari delapan parameter di atas, bilangan yodium 500-750 mg/gr menjadi 600-800 mg/gr. Begitu pula dengan kadar abu. Berkurangnya kadar abu dari 18 menjadi 8% disebabkan distribusi uap air sepanjang ruang kiln telah mengurangi kenaikan temperatur. Berdasarkan hasil pengamatan selama proses aktivasi berlangsung, pada saat umpan masuk ke dalam kiln, temperatur di ruang 1dari 800°C naik menjadi ±1000°C. Kenaikan temperatur disebabkan reaksi pembakaran karbon bersifat eksotermis (menghasilkan panas). Namun pada saat uap air dialirkan, temperatur dari 1000°C turun menjadi ±900°C. Penurunan temperatur disebabkan reaksi karbon dengan uap air bersifat endotermis (membutuhkan berlangsung
panas)
sehingga
terjadi
kesetimbangan reaksi
selama
proses
(Klein, 2002). Oleh karena itu, kesetimbangan reaksi antara karbon,
oksigen dan uap air harus terkontrol sehingga mengurangi resiko terbakarnya bahan menjadi abu. Kadar abu tinggi akan mempengaruhi perolehan karbon aktif murni, yang merupakan perhitungan pengurangan 100% terhadap bagian yang hilang pada pemanasan 950°C dan kadar abu. Untuk analisis adsorpsi benzene, tidak dilakukan karena keterbatasan peralatan. Berdasarkan hasil optimalisasi secara keseluruhan, selain dari sisi kualitas produk, ditinjau dari sisi keekonomian, proses menggunakan tungku lebih murah. Untuk proses aktivasi pada kapasitas umpan bahan baku 1 ton/hari dan temperatur yang diinginkan di dalam kiln mencapai 900°C, konsumsi BBM berkisar antara 30 L/jam atau ± 720 L/ton. Sedangkan proses dengan menggunakan tungku siklon, untuk kondisi yang sama, dibutuhkan batubara sebesar 60 kg/jam atau 1440 kg/ton. Jika asumsi harga BBM industri adalah Rp 7.000,-/L, dan batubara Rp 1.250,-/kg, maka dari tingkat efisiensi
21
biaya produksi terjadi penghematan sebesar ± 65% lebih murah penggunaan batubara dari pada menggunakan bahan bakar minyak. 5.2 Uji coba pemanfaatan Hasil survey secara langsung ke industri pengguna karbon aktif dan hasil uji coba pemanfaatan di laboratorium, menunjukkan bahwa karbon aktif batubara dengan kualitas seperti pada Tabel 5.4 dapat digunakan untuk penjernihan/pemurnian air, pengolahan limbah dan penyerap bau. Oleh karena itu, pemanfaatan pada sektor ini menjadi prioritas utama uji coba pemanfaatan karbon aktif batubara hasil percobaan. Salah satu objek pemanfaatan pada fasa cair adalah pada sektor perikanan, yaitu budidaya tambak udang di daerah Pangandaran Ciamis. Berdasarkan analisis contoh karbon aktif yang digunakan di tambak udang, diperoleh bahwa karbon aktif yang digunakan mempunyai bilangan yodium berkisar antara 200-400 mg/gr. Karbon aktif yang digunakan terbuat dari tempurung kelapa dengan harga berkisar antara Rp 4.000,- - Rp 8.000,-/kg, dan digunakan sebagai filterisasi air laut. Hasil kunjungan ke Balai Pembenihan Dan Pembibitan Ikan Air Laut dan Payau di Pangandaran, dibutuhkan adsorben yang berfungsi selain sebagai filter air laut, juga sebagai adsorben yang mengurangi resiko berkembangnya mikroorganisme yang dapat membunuh benih udang. Berdasarkan pengujian pemanfaatan di laboratorium, diperoleh hasil seperti yang tercantum pada Tabel 5.5, sedangkan uji coba pemanfaatan secara langsung di lapangan dapat dilihat pada Gambar 5.6. Tabel 5.5 Hasil uji coba pemanfaatan pada tambak udang Nama contoh
Hasil analisis pH
Salinitas
Alkalinitas
N-NH4+
(-)
( ppt )
( mg/L )
( mg/L )
8,0-8,40
30
120-180
0,5
Sebelum proses
8,06
tt
139
0,27
Setelah proses adsorpsi karbon
7,41
tt
74
< 0,016
Nilai baku mutu air yang ditetapkan
aktif
22
Berdasarkan hasil percobaan di laboratorium, dengan variabel ukuran karbon aktif +6, -6+12 dan -12+20 mesh, jumlah karbon aktif sebesar 5, 10 dan 15 gram, dan waktu kontak 20, 40 dan 60 menit, pH, salinitas dan alkalinitas dapat diturunkan. Hasil terbaik, penurunan pH mencapai nilai 7,41 kurang dari nilai baku mutu air yang ditetapkan. Namun bila mengacu pada Tabel 2.1, nilai pH tersebut masih memenuhi nilai kisaran untuk pertumbuhan optimal budidaya udang. Begitu pula dengan alkalinitas dan ammonia. Untuk memenuhi nilai baku mutu air yang ditetapkan, penambahan karbon aktif dapat dilakukan dengan pengaturan jumlah dan ukuran butir karbon aktif, dan mempersingkat waktu kontak dengan adsorbat. Berdasarkan hasil laboratorium tersebut, selanjutnya pemanfaatan secara langsung di lokasi dilakukan dengan menempatkan karbon aktif batubara di dalam bak penampungan (Gambar 5.6).
(a)
(b)
Gambar 5.6. Pemanfaatan karbon aktif di tambak udang Bak penampungan pada Gambar 5.6 (a) berisi karbon aktif berjumlah ±100 kg untuk kapasitas air ±10.000 m3, dengan masa penggunaan selama 2 bulan. Setelah diproses selama 24 jam, selanjutnya dialirkan ke dalam bak kedua (b) yang berisi benur udang untuk
proses
perkembanganbiakkan.
Keberhasilan
uji
coba
pemanfaatan
ini
diharapkan menjadi bahan sosialisasi pemanfaatan karbon aktif batubara secara luas, terutama pada budidaya tambak udang yang selama ini menggunakan karbon aktif tempurung kelapa. 5.3 Instalasi boiler
kapasitas 300 kg/jam dan exhauster
yang terintegrasi dengan
reaktor aktivasi (rotary kiln) Pada aktivasi fisika karbon aktif dengan uap air, boiler merupakan unit yang sangat vital. Selama ini boiler yang digunakan berkapasitas 200 kg/jam dan menggunakan bahan bakar minyak. Sistim demikian sangat mahal dan akan menjadi kendala
23
apabila hasil litbang tersebut diterapkan di masyarakat. Selama proses aktivasi, reaksi karbon dan uap air adalah gas CO dan H2 yang terbuang ke udara terbuka. Berdasarkan hasil pengukuran pada cerobong pembuangan gas, temperatur mencapai 600-700°C. Oleh karena itu, sebagai tahap awal untuk mengoptimalkan sistim proses, telah dilakukan pemasangan instalasi boiler yang terintegrasi dengan rotary kiln (Gambar 5.10). Kegiatan tersebut merupakan tahap persiapan untuk pemanfaatan energi gas buang sebagai bahan bakar boiler.
Gambar 5.7 Integrasi boiler kapasitas 300 kg/jam dengan rotary kiln Hasil pengujian kinerja boiler menunjukkan bahwa boiler berfungsi dengan baik. Kapasitas boiler adalah 300 kg/jam, dengan volume air sebesar 540 liter dan tekanan 0,8 Mpa (8 bar). Temperatur untuk memproduksi uap air mencapai 151°C dan dibutuhkan waktu sekitar 30 menit untuk mencapai kondisi demikian. Konsumsi solar sebelum modifikasi (sebagai initial combustion) adalah 20 Liter/jam. Unjuk kerja boiler kapasitas 300 kg/jam ditunjukkan pada Gambar 5.11.
Gambar 5.8 Unjuk kerja boiler kapasitas 300 kg/jam
24
6. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan dari kegiatan tahun anggaran 2010, diperoleh kesimpulan sebagai berikut. - Proses
pembuatan karbon aktif
dari
batubara
dapat
dilakukan
dengan
menggunakan rotary kiln berbahan bakar batubara (tungku siklon), dan menghasilkan karbon aktif batubara dengan kualitas sesuai persyaratan kualitas karbon aktif komersil atau menurut Standar Industri Indonesia. - Sistim distribusi uap air sepanjang ruang kiln, telah mengurangi resiko terbakarnya bahan menjadi abu sehingga meningkatkan daya serap karbon aktif. - Karbon aktif batubara hasil percobaan telah dapat digunakan untuk proses penjernihan air pada budidaya udang yang selama ini menggunakan karbon aktif tempurung kelapa. Hasil uji coba, pH dari 8,06 turun menjadi 7,41, alkalinitas dari 139 menjadi 74 mg/L, sedangkan N-NH4+ dari 0,27 menjadi 0,016 mg/L. - Efisiensi proses pada penggunaan tungku siklon telah menghemat biaya produksi sebesar 65% lebih murah daripada penggunaan bahan bakar minyak, dan untuk memenuhi keekonomian produk perlu efisiensi terhadap penggunaan bahan bakar minyak pada boiler. 6.1 Saran -
Perlu penghematan biaya produksi dengan pemanfaatan energi gas buang sebagai bahan bakar boiler dengan sistim peralatan yang kontinyu dan terintegrasi
-
Perlu kestabilan proses karbonisasi dan aktivasi untuk memperoleh data secara lebih spesifik sehingga diperoleh spesifikasi persyaratan bahan baku ideal dari batubara, kondisi proses pembuatannya, dan kualitas karbon aktif yang dihasilkan.
-
Perlu menetapkan keekonomian produk dan desain global peralatan pembuatan karbon aktif dari batubara.
25
DAFTAR PUSTAKA 1. Balai Benih dan Pembibitan Ikan Air Laut dan Payau, 2006. Standar Operasional Prosedur 2. BPPIAPL, 2010. Hatchery Udang L. vannamei 3. Baron, R., E., 1978. Chemical Equlibrium in Carbon-Hydrogen-Oxygen Sistim, MIT.Press, Cambridge 4. CSIRO Division of Process Technology, P.O. Box 136, North Ryde, N.S. W. 2173, Australia
26
5. Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Science et Ge´nie des cole des Mines, 54042 Nancy, Cedex, France. 6. Daulay, Bukin, Dr., 2009. Evaluasi Kualitas Batubara Indonesia Dalam Upaya Penentuan Teknologi Pemanfaatan Yang Tepat, Orasi Pengukuhan Profesor Riset Bidang Teknik Bahan Bakar dan Pembakaran, Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara, Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral 7. Dirjen
Minerba,
2010.http/www.esdm.go.id/modules/news/index.php?_article&news_id=2309 8. Durie” Robert A. and Harry N. S. Schafer, 1978. CSIRO Division of Process Technology, P.O. Box 136, North Ryde, N.S. W. 2173, Australia, (Received 8 September 1978) 9. Fabrice, 2000 Coal Pyrolysis in a Rotary Kiln: Part I. Model of the Pyrolysis of a Single Grain 10. Jurgen, Keller, Reiner Staudt, 2005. Gas Adsorption Equilibria, Experimental Methods and Adsorption Isotherms, Chapter 1, Springer Science Inc. United State of Amerika. 11. Klein, Alexander, 2002 Gasification: An Alternative Processor Energi Recovery and Disposal of Municipal Solid Wastes, Earth Resources Engineering Department of Earth and Environmental Engineering
Foundation School of Engineering
and
Applied Science Columbia University. 12. Perry., H. Robert, Green W. Don., 2007. Perry’s Chemical Engineers Handbook, 8 th Edition, The National Science Research Foundation, New York. 13. Standar Industri Indonesia, 1999. Departemen Perindustrian dan Perdagangan 14. Sugianto, Bambang., 2009. Kalor Pembakaran Berbagai Jenis Bahan Bakar. http://www.chem-is-try.org 15. Strand, Gert, 2001. Activated Carbon for Purification of Alcohol, Malmoe, Sweden 16. ITB, 2009. Teknologi Pengelolaan Kualitas Air Bidang Akuakultur SITH, ITB –VEDCA – SEAMOLEC. 17. Ramelan, Rahadi, 2006. Pengembangan Teknologi Untuk Industri. http://www/ leapidea.com/ presentasi/paperscreate date:2004-08-26 18. Yehaskel, A .1978. Activated Carbon, Manufacture and Regeneration, Noyes dasa corp, park ridge, N., Jersey
27
LAMPIRAN 1 KAJIAN KELAYAKAN EKONOMI
•
kapasitas pabrik untuk memproduksi semikokas 30 ton/hari
•
produksi karbon aktif 15 ton/hari
•
bahan bakar batubara
•
waktu operasional pabrik 24 jam/hari atau 300 hari/tahun Asumsi biaya
Harga (Rp’000)
Biaya investasi (lahan, alat
17.896.485
dan bangunan) Biaya produksi pertahun 11.457.441
- Direct Manufacturing Cost (DMC)
1.201.814
- Indirect Manufacturing Cost
1.968.613 14.627.869
(IMC) - Fixed Manufacturing Cost - Total biaya produksi
Kriteria layak
Rendemen
Harga (Rp/Kg)
IRR (%)
PP (Tahun)
IRR > 15% PP < 10 thn
30% Rendemen
9.000
73,36
1,80
8.000 7.000 6.000
58,82 43,97 28,43
2,18 2,81 4,10
9.000
68,29
1,94
8.000 7.000 6.000
53,66 38,59 22,54
2,39 3,19 4,96
9.000
60,63
2,19
8.000
45,78
2,79
25% Rendemen
20% Rendemen
Kelayakan Layak Layak Layak Layak Layak Layak Layak Layak Layak Layak
28
7.000 6.000
30,23 12,87
3,97 7,20
Layak Tidak layak
Grafik di atas menunjukan hubungan harga jual produk dengan IRR dan Payback Period, dengan rendemen 20%, 25%, dan 30%. Pada rendemen 25% dan 30% dengan harga jual Rp 6.000.-/kg, nilai IRR yang diperoleh adalah 22,54% dan 28,43% dengan payback periodnya di bawah 5 tahun. Nilai IRR tersebut menunjukan bahwa produksi memenuhi kriteria layak direalisasikan secara komersil karena nilai IRR > nilai bunga pinjaman (15%). Pada rendemen 20% dengan harga jual Rp 6.000.-/kg, IRR yang diperoleh adalah 12,87% dengan payback period 7,2 tahun. Artinya pada nilai rendemen 20% dengan harga jual Rp 6.000.-/kg, produksi karbon aktif tidak layak direalisasikan. Untuk memenuhi kriteria layak pada rendemen 20%, harga jual minimum harus Rp 7.000.-/kg, sehingga dicapai nilai IRR > nilai bunga pinjaman. Grafik di atas menyimpulkan bahwa semakin tinggi harga jual, maka semakin tinggi pula nilai IRR dan payback period akan semakin singkat.
29
LAMPIRAN 2 Draft Desain Umum Proses Pembuatan Karbon Aktif Berbasis Batubara Dalam Skala Industri
1. Proses pembuatan karbon aktif dari batubara untuk skala industri Dari kegiatan yang dilakukan di pilot plant Palimanan, maka secara garis besar proses pembuatan karbon aktif digambarkan sebagai berikut. Coal
Grinding Screening Carbonization Screening
Grinding
Screening Activation
Screening – Grinding Granular Activated Carbon
Powder Activated Carbon Activated Carbon
30
Proses grinding - Proses penggerusan/penghancuran raw batubara bentuk bongkahan menjadi ukuran 3 cm (untuk proses karbonisasi) - Spesifikasi batubara yang akan digunakan mengacu pada persyaratan seperti yang tercantum pada Tabel 1 Tabel 1. Spesifikasi bahan baku batubara untuk pembuatan karbon aktif Karakteristik Persyaratan Tipikal hasil analisis No
Batubara
spesifikasi Ukuran
Satuan
Ukuran
Satuan
1
Kadar air
Max 20
%
18,8
%
2
Kadar abu
Max 5,0
%
3,0-5,0
%
3
Zat terbang
40,0-45,0
%
40,3
%
4
Karbon
Min 39
%
39,9
%
Min 1200
°C
1250
°C
padat 5
Titik leleh
Proses screening - Proses untuk memperoleh ukuran bahan baku atau produk yang diinginkan Proses karbonisasi - Temperatur proses 500-600°C dengan menggunakan tungku siklon berbahan bakar batubara
31
- Ukuran butir umpan raw batubara adalah 3 cm, dengan laju umpan 60 kg/jam dan waktu tinggal ± 1-2 jam -
Spesifikasi hasil karbonisasi adalah semikokas yang mengacu pada persyaratan arang untuk karbon aktif, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 5.2.
- Perhitungan waktu tinggal (residence time) di dalam kiln dihitung berdasarkan persamaan berikut. t = 1,77 x L x √Q PxDxR dimana ; t = waktu tinggal, menit L = panjang kiln, meter Q = sudut kedudukan bahan di dalam kiln, derajat (°) P = kemiringan kiln, derajat (°) D = diameter kiln, meter R = kecepatan putaran kiln, rpm Proses aktivasi - Temperatur proses ±900°C dengan menggunakan tungku siklon berbahan bakar batubara - Ukuran butir semikokas -12+20 mesh - Laju umpan 17,5 kg/jam dengan waktu tinggal ± 6 jam - Laju alir uap air 160-180 kg/jam dengan kapasitas boiler 200 kg/jam 2. Peralatan Produksi Karbon Aktif Dalam Bentuk Granular Dari proses yang telah dijabarkan di atas maka kebutuhan peralatan yang diperlukan dalam pembuatan karbon aktif berbasis batubara adalah sebagai berikut : 1. Coal Loading Station - Mini tractor
: untuk pemindahan batubara ke bucket elevator
- Bucket elevator
: untuk pemindahan batubara ke shake feeder 32
- Shake feeder
: untuk pengaturan umpan masuk ke dalam kiln
2. Preparation Station - Crusher
: untuk penggerusan raw batubara
- Feed resevoir
: untuk
penampungan batubara hasil
dari
crusher - Screen
: untuk pengayakan batubara
3. Carbonization Station - Screw conveyor
: untuk pemindahan batubara dari screen ke kiln
- Belt conveyor
: untuk pemindahan semikokas ke dalam bucket
elevator pada saat proses aktivasi - Cyclone burner
: burner berbahan bakar batubara
- Rotary kiln
: reaktor karbonisasi
4. Activation Station - Bucket Elevator
: untuk pemindahan semi kokas dari feed reservoir ke
dalam kiln - Rotary kiln
: reactor aktivasi
- Cyclone burner
: burner berbahan bakar batubara
- Boiler
: menghasilkan uap air untuk proses aktivasi
5. Cooling Down Station - Cooler
: untuk pendinginan karbon aktif secara alami
- Cooling tower
: cerobong pembuangan flue gas
33
Perhitungan Neraca Massa dan Neraca Energi 1. Proses Karbonisasi a. Mass Balance Base Raw Coal
=
Assumed semi coke product
=
105 kg/h 45 %
(yield) Outlet
Inlet 1. Raw Coal
=
105 kg/h
1. Semi Coke
=
40 kg/h
Fixed Carbon
45 %
=
47,25 kg/h
=
33,76 kg/h
Analysis result Fixed Carbon
38,30
%
71,45
%
34
Volatile Volatile Matter
37,73
%
=
40 kg/h
Matter
22,00
%
=
10,40 kg/h
6,55
%
=
3,09 kg/h
100,00
%
Total Total Moisture
23,97
%
100,00
%
=
25 kg/h
Moisture
105 kg/h 2. Flue Gas
2. Fine Coal Demand for Combustion
47,25 kg/h
55 %
Fine coal
=
57,75 kg/h
=
0,00 kg/h
0 kg/h
57,75 kg/h Volatile Matter
56,00
%
=
32,34 kg/h
44,00
%
=
25,41 kg/h
100,00
%
Total Moisture Total
105 kg/h
57,75 kg/h
Total
105,00 kg/h
Outlet gas Massa
Cp
λ
dT
Q
(kg/h)
(Kcal/kg.°C)
(Kcal/kg)
(°C)
(Kcal/h)
Volatile Matter
32,34
0,384
375
4656,96
Total Moisture
25,41
1,008
375
9604,98
25,41 25,41
541,68 30,090
13764,09 300
229376,07
35
Q
=
257402,1
Outlet semi cokes Massa
Cp
λ
dT
Q
(kg/h)
(Kcal/kg.°C)
(Kcal/kg)
(°C)
(Kcal/h)
Fixed Carbon
33,76
0,146
375
1853,43
Volatile Matter
10,40
0,384
375
1496,88
Total Moisture
3,09
1,008
375
1169,86
3,09 3,09
541,68 30,090
1676,43 300
Q Heat Duty
=
291536,1
=
61 kg/h
27937,44
=
34134,04
Kcal/h
Fine Coal Demand
Menentukan Dimensi Rotary Kiln Untuk kapasitas 1 ton/hari, maka idealnya dibutuhkan rotary kiln dengan dimensi sebagai berikut. 60 kg/jam x Bj batubara ( Diasumsikan, volume umpan = 0,8 m3 Keterisian reaktor 20 %
36
Vreactor
= (100/20) x 0.8 m3 = 4 m3
Asumsi H
= 2D
Vreactor
= ¼ π D2 H
4 m3
= ¼ π D2 H
4 m3
= ¼ π D2 2D
4 m3
= 0,785 D2 2D
D3
= 2,458
D
= 0,85 m
Dari buku Perry’s Chemical Engineer : panjang rotary kiln / rotary dryer umumnya = 10 x diameter rotary kiln Ukuran ideal berdasarkan perhitungan persamaan di bawah ini L
= 10 D = 10 x 0,85 m = 8.5 m
R
=½D = ½ 0.85 = 0,425 m
LAPORAN AKHIR 2010 OPTIMASI PRODUKSI KARBON AKTIF BERBASIS BATUBARA
37
Oleh : Ika Monika Slamet Suprapto Soemaryono Yenny Sofaeti Fahmi Soelistyohadi
PUSAT PENELITIAN DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA 2010
38
LEMBAR PENGESAHAN OPTIMASI PRODUKSI KARBON AKTIF BERBASIS BATUBARA Bandung, Desember 2010 Mengetahui :
Pengusul/Ketua Tim,
Koordinator Kelompok Program Litbang Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan Batubara,
Ir. Suganal
Ika Monika, S.Si.
NIP. 19570605 198303 1 002
NIP. 19640917 198603 2 001
Mengetahui/Menyetujui :
Mengetahui :
Kepala Puslitbang tekMIRA,
Kepala Bidang Program,
Ir. Hadi Nursarya, M.Sc.
Drs. Ridwan Saleh
NIP. 19540306 197803 1 001
NIP. 19561012 198103 1 001
1
KATA PENGANTAR Penelitian pembuatan karbon aktif merupakan kegiatan multi year, yang saat ini telah mencapai tahap pilot yang berkapasitas 1ton/hari. Berbagai tahap proses untuk mengoptimalkan peralatan maupun kondisi proses telah dilakukan dan telah menghasilkan karbon aktif dengan kualitas sesuai Standar Industri Indonesia dan telah dapat digunakan pada proses pemanfaatan, terutama pada fasa cair. Untuk memenuhi kebutuhan pasar (komersil), faktor keekonomian menjadi pertimbangan utama. Oleh karena itu, telah dilakukan penghematan biaya produksi melalui substitusi bahan bakar minyak oleh batubara dan pemanfaatan energi panas dari gas buang sebagai bahan bakar boiler. Kedua langkah ini diharapkan dapat menghasilkan karbon aktif batubara dengan harga jual yang kompetitif dengan karbon aktif tempurung kelapa yang selama ini beredar luas di masyarakat. Hasil kegiatan ini semoga dapat memberikan informasi yang bermanfaat dan menjadi acuan untuk pengembangan karbon aktif batubara secara komersil di Indonesia. Bandung, Desember 2010 Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara Ir. Hadi Nursarya, M.Sc. NIP. 19540306 197803 1 001
i
SARI Sesuai dengan Rencana Strategis kegiatan litbang pengolahan dan pemanfaatan batubara di Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara yang mengarah pada penerapan hasil litbang di masyarakat, persiapan pelaksanaan komersilisasi penting dilakukan. Persiapan tersebut diantaranya adalah terkuasainya teknologi dengan memperhitungkan
keekonomian
produk
sehingga
layak
untuk
diterapkan
di
masyarakat. Substitusi BBM dengan batubara telah menghemat biaya proses sebesar ± 60% dari penggunaan bahan bakar minyak. Meskipun hasil efisiensi produksi cukup besar, namun perlu mengoptimalkan penggunaan tungku siklon sehingga proses dapat berlangsung secara maksimal dan menghasilkan kondisi proses seperti halnya penggunaan bahan bakar minyak. Optimalisasi dilaksanakan dengan percobaan pembuatan karbon aktif dengan mengacu pada hasil kegiatan tahun 2009, sedangkan dua kegiatan utama lainnya adalah melanjutkan efisiensi proses dan uji coba pemanfaatan karbon aktif di lapangan. Pelaksanaan efisiensi proses dengan persiapan instalasi pemanfaatan gas buang hasil proses aktivasi sebagai bahan bakar boiler. Sedangkan uji coba pemanfaatan akan dilaksanakan di tambak udang di daerah Pangandaran Ciamis. Hasil kegiatan adalah diperolehnya teknologi proses pembuatan karbon aktif berbahan bakar batubara, yang menghasilkan karbon aktif batubara yang dapat digunakan dan mempunyai nilai jual yang layak untuk dikomersilkan.
ii
DAFTAR ISI Kata
i
Pengantar………………………………………………………………………………… Sari……………………………………………………………………………………………….
ii
Daftar Isi…………………………………………………………………………………………
iii
Daftar
v
Gambar………………………………………………………………………………… Daftar
vi
Tabel…………………………………………………………………………………….. Daftar
vii
lampiran………………………………………………………………………………… I.
PENDAHULUAN
1
1.1 Latar Belakang ………………………………………………………………………
1
1.2 Ruang
3
Lingkup…………………………………………………………………………
II.
1.3 Tujuan………………………………………………………………………………….
4
1.4 Sasaran…………………………………………………………………………….......
4
1.5 Lokasi Kegiatan………………………………………………………………………
4
TINJAUAN PUSTAKA
4
2.1 Pembuatan Karbon
4
aktif………………………………………………………………. 2.2 Energi pada proses
5
aktivasi…………………………………………………………… 2.3 Pemanfaatan Karbon
6
Aktif……………………………………………………………. III. PROGRAM KEGIATAN
9
3.1 Optimalisasi pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar
9
iii
Batubara……………………………………………………………………………………. 3.1.1 Persiapan peralatan karbonisasi dan
9
aktivasi…………………………… 3.1.2 Proses karbonisasi…………………………………………………………….
9
3.1.3 Proses
9
Aktivasi………………………………………………………………… 3.1.4 Analisa kualitas
9
produk……………………………………………………… 3.2 Pemasangan instalasi Boiler kapasitas 300 kg/jam dan Exhauster yang terintegrasi
9
dengan Rotary kiln…………………………………………………………………… 3.3 Uji coba pemanfaatan karbon katif batubara di
10
……………………………………. 3.4 Evaluasi hasil percobaan dan keekonomian produk
10
……………………………….. 3.5 Desain umum (draft) peralatan utama reactor aktivasi karbon
10
aktif……………….. 3.6 Pembuatan
10
laporan…………………………………………………………………… IV. METODOLOGI
10
4.1 Optimalisasi pembutan karbon aktif dengan menggunakan bahan bakar
10
batubara………………………………………………………………………… 4.1.1 Persiapan peralatan karbonisasi dan
10
aktivasi……………………………….. 4.1.2 Proses karbonisasi dan
11
aktivasi………………………………………………. 4.2 Pemasangan Boiler kapasitas 300 kg/jam dan Exhauster yang terintegrasi dengan reaktor
11
Aktivasi……………………………………………………………… 4.3 Uji coba pemanfaatan……………………………………………………………… V. HASIL DAN PEMBAHASAN
12 12
iv
5.1 Optimalisasi pembuatan karbon
12
aktif………………………………………………… 5.1.1 Optimalisasi proses
14
karbonisasi…………………………………………… 5.1.2 Proses aktivasi………………………………………………………………
17
5.2 Uji coba
19
pemanfaatan……………………………………………………………… 5.3 Instalasi Boiler kapasitas 300 kg/jam dan exhauster yang terintegrasi dengan
21
reaktor aktivasi……………………………………………………………………… VI. KESIMPULAN DAN SARAN
22
6.1 Kesimpulan…………………………………………………………………………….
22
6.2 Saran……………………………………………………………………………………
22
DAFTAR PUSTAKA
24
LAMPIRAN
25
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Kemasan karbon aktif yang digunakan di tambak
7
v
udang…………………… Gambar 2.2 Sistim Filtrasi di tambak udang ……………………………………………….. Gambar 4.1 Raktor aktivasi (rotary
7 10
kiln)…………………………………………………….. Gambar 4.2 Bagan alir proses pembuatan karbon
12
aktif…………………………………… Gambar
5.1
Sistim
kisi-kisi
dan
distribusi
uap
di
dalam
13
bakar
13
kiln………………………………. Gambar
5.2
Tungku
siklon
berbahan
batubara……………………………………. Gambar 5.3 Pengaruh temperatur terhadap penurunan kadar zat terbang ,
15
air dan abu... Gambar 5.4 Pengaruh temperatur terhadap penurunankadar zat terbang,
16
air dan abu setelah pemasangan thermocontrol………………………………………….. Gambar 5.5 Pengaruh waktu tinggal terhadap bilangan
17
yodium………………………….. Gambar 5.6 Pemanfaatan karbon aktif di tambak udang………………………………….. Gambar 5.7 Integrasi boiler kapasitas 300 kg/jam dengan rotary kiln………..………….. Gambar 5.8 Unjuk kerja boiler kapasitas 300 kg/jam …………………………………….
20 21 22
vi
DAFTAR TABEL Tabel 1.1 Tahap kegiatan pembuatan karbon aktif dari batubara dari tahun
2
2007 s/d tahun 2010………………………………………………………………………… Tabel 2.1 Pengaruh pH pada pertumbuhan udang (ITB,
7
2009)................................... Tabel 2.2 Klasifikasi air berdasarkan tingkat salinitas……………………………………... Tabel 5.1 Karaktaristik batubara sebagai bahan baku karbon
8 14
aktif............................. Tabel 5.2 Spesifikasi persyaratan ideal bahan baku karbon aktif (SII, 14 1999)………… Tabel 5.3 Spesifikasi semikokas hasil
15
karbonisasi………………………………………… Tabel 5.4.Kualitas karbon aktif hasil uji coba dan persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia
18
/komersil…………………………………………………… Tabel 5.5. Kualitas karbon aktif hasil percobaan tahun
20
2009…………………………
vii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Kajian kelayakan ekonomi
25
………………………………………………….. Lampiran 2 Draft desain
27
umum…………………………………………………………….
viii
Maksud dan tujuan pembuatan desain umum proses pembuatan karbon aktif adalah merancang seluruh kebutuhan peralatan utama dan penunjang proses dengan
berdasarkan pada keefisienan dalam penggunaan energi dan keefektifan penggunaan peralatan. Lay out sistim peralatan menyediakan rancangan tata letak pabrik, spesifikasi detail peralatan utama dan penunjang, secara umum direncanakan untuk dijadikan model skala komersial pabrik karbon aktif berbasis batubara di Indonesia. Tahap pembuatan desain umum meliputi ; 1. Parameter Perencanaan Tahap perencanaan meliputi ; ix
a. Kapasitas produksi 350 kg/jam atau setara dengan 8 ton/hari (kontiyu) b. Waktu operasi 20 jam/hari selama 300 hari/tahun c. Spesifikasi bahan baku batubara untuk karbon aktif ditunjukkan pada Tabel 1. d. Spesifikasi produk mengacu pada persyaratan kualitas karbon aktif yang ditetapkan oleh Standar Industri Indonesia. Tabel 3. Kualitas karbon aktif batubara hasil uji coba dan persyaratan kualitas menurut Standar Industri Indonesia No Uraian Satua Karbon aktif Karbon aktif n
1
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Bagian yang hilang pada pemanasan 950°C Air Abu Bilangan yodium Karbon aktif murni Daya serap benzena Bilangan metilen biru Kerapatan jenis curah Lolos ukuran mesh 325 Kekerasan
komersial
batubara hasil
(SII,1999)
percobaan
%
15-25
6,0
% % mg/g % %
4,0-15,0 2,0-10,0 min.750 65-80 25
4,8-5,4 3,0-18,0 500-750 75 -
mg/g
60-120
40-80
g/ml
0,30-0,55
0,53
%
min.90
99
-
80
50
10
