JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
PENURUNAN KADAR CO2 DAN H2S PADA BIOGAS DENGAN METODE ADSORPSI MENGGUNAKAN ZEOLIT ALAM Anggreini Fajar PL, Wirakartika M, S.R.Juliastuti, dan Nuniek Hendrianie, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email :
[email protected] Abstrak - Biogas merupakan salah satu energi alternatif yang sedang dikembangkan saat ini sebagai pengganti sumber energi minyak bumi. Dalam produksinya, kemurnian biogas sangatlah penting. Sehingga dalam produksinya, perlu dilakukan pemurnian biogas dari gas karbondioksida (CO2) dan gas H2S. Salah satu metode untuk permunian biogas yang dapat dilakukan adalah dengan metode adsorpsi menggunakan zeolit alam sebagai adsorbennya. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi ukuran partikel zeolit pada proses adsorpsi untuk menurunkan kandungan gas CO2 dan H2S dalam produksi biogas. Dengan begitu didapatkan biogas yang memiliki kemurnian tinggi dan juga ramah lingkungan. Produk biogas diadsorpsi dengan menggunakan zeolit alam sebagai adsorbennya dengan kolom adsorber berukuran tinggi 150 cm, diameter dalam 3,75 cm, dan diameter luar 4,5 cm. Ukuran zeolit alam bervariasi, yaitu ukuran 4, 8, dan 12 mesh. Dengan berbagai variasi ukuran partikel tersebut pada penelitian ini, maka akan diketahui pengaruh berbagai ukuran zeolit alam tersebut dalam menurunkan kandungan gas CO2 dan H2S dalam produksi biogas. Dalam penelitian ini dilakukan analisa komposisi biogas dengan menggunakan metode gas kromatografi. Komposisi biogas dianalisa sebelum proses adsorpsi dan sesudah proses adsorpsi dengan rentang waktu 30 menit sekali hingga zeolit alam mengalami titik jenuh (kesetimbangan). Dari hasil analisa tersebut kemudian dibandingkan efisiensi dari setiap ukuran partikel zeolit alam dalam menurunkan kandungan gas CO2 dan H2S dalam produksi biogas. Ukuran partikel zeolit alam yang memberikan hasil terbaik dalam penurunan kadar CO2 dan H2S pada biogas adalah zeolit alam ukuran 12 mesh dan kecepatan masuk biogas sebesar 400 ml/menit dengan persen removal maksimal yang dapat dicapai untuk CO2 adalah sebesar 87,04% dan H2S adalah sebesar 65%. Sedangkan CH4 mengalami kenaikan sebesar 35,7%. Kata kunci - adsorpsi, pemurnian biogas, zeolit alam I. PENDAHULUAN iogas merupakan salah satu energi alternatif yang sedang dikembangkan saat ini sebagai pengganti sumber energi minyak bumi. Dalam produksinya, kemurnian biogas sangatlah penting. Semakin tinggi
B
kadar gas metana dalam biogas, maka performa biogas akan semakin baik. Sedangkan di dalam biogas terdapat gas karbondioksida yang dapat mengurangi kemurnian biogas. Selain itu, terdapat pula gas H2S yang dapat menyebabkan korosif. Sehingga, dalam pemakaian biogas sebagai energi alternatif, perlu dilakukan pemurnian biogas dari gas karbondioksida (CO2) dan gas H2S. Salah satu metode untuk permunian biogas yang dapat dilakukan adalah dengan metode adsorpsi menggunakan zeolit alam sebagai adsorbennya. Biogas merupakan bahan bakar gas dan bahan bakar yang dapat diperbaharui (renewable fuel) yang dihasilkan secara anaerobic digestion atau fermentasi anaerob dari bahan organik dengan bantuan bakteri metana, seperti Methanobacterium sp. Kandungan utama biogas adalah gas metana (CH4) dengan konsentrasi sebesar 50-80% volume. Kandungan lain dalam biogas, yaitu gas karbondioksida (CO2), gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbonmonoksida (CO), dan gas hidrogen sulfida (H2S) [1]. Adsorpsi merupakan suatu peristiwa fisik pada permukaan suatu bahan yang tergantung dari spesific affinity (gaya gabung) antara adsorben dan zat yang diserap (ketaren, 1986). Adsorpsi adalah proses dimana suatu partikel menempel pada suatu permukaan akibat dari adanya perbedaan muatan lemah di antara kedua benda (gaya van der waals), misalnya adsorpsi zat padat terhadap gas atau zat cair. Zat yang teradsorpsi disebut sebagai adsorbat dan zat pengadsorpsi disebut adsorben [2]. Isoterm adsorpsi merupakan suatu istilah untuk mengungkapkan keadaan mikroskopis lapisan tipis di permukaan padatan (adsorben), yang merupakan hubungan antara jumlah zat (gas) yang teradsorpsi pada permukaan (surface coverage) sebagai fungsi tekanan. Isoterm adsorpsi yang sering digunakan pada adsorpsi solid-gas adalah isotermis Langmuir. Persamaan Langmuir adalah sebagai berikut : C 1 b (1) .C
x m
a
a
Dimana : C = konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam gas setelah adsorpsi x/m = massa adsorbat yang teradsorpsi per massa adsorben a = konstanta Langmuir (L/mg) b = konstanta Langmuir (L/mg) [3] Adsorben yang digunakan pada penelitian ini adalah zeolit alam. Zeolit alam merupakan suatu kelompok mineral yang dihasilkan dari proses
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 hidrotermal pada batuan beku basa. Mineral ini biasanya dijumpai mengisi celah-celah ataupun rekahan dari batuan tersebut. Selain itu zeolit alam juga merupakan endapan dari aktivitas vulkanik yang banyak mengandung unsur silika. Sifat-sifat zeolit alam sendiri dapat digunakan sebagai katalis, penyerap, dan adsorben. Komposisi zeolit alam sangat bervariasi, tergantung dengan jenisnya. Untuk zeolit alam jenis zeolit A memiliki komposisi Na12 [Al12Si12O48] . 27 H2O dengan ukuran pori antara 3,5 – 4,5 Å [4]. II. METODOLOGI Penelitian ini dibagi menjadi 2 tahap, yaitu tahap persiapan dan tahap proses adsorpsi. Tahap persiapan diawali dengan persiapan biogas, yaitu menganalisa kadar CH4, CO2, dan H2S kemudian memasukkannya ke dalam gas holder. Selain itu, dilakukan tahap persiapan untuk zeolit alam, yaitu mengaktivasi zeolit alam dengan cara memanaskannya dengan suhu 2000C selama 6 jam, kemudian merangkai alat adsorpsi seperti yang terlihat pada skema peralatan (gambar 1). 5 2
6
4
F
3
Keterangan Gambar : 1. Gas holder penampung masukan biogas 2. Valve 3. Rotameter 4. Kolom adsorber 5. Selang plastik transparan 6. Gas holder penampung keluaran biogas
2 1
Gambar 1 Skema peralatan Penelitian dilakukan untuk variabel ukuran zeolit pertama terlebih dahulu, yaitu zeolit alam 4 mesh. Biogas yang ditampung pada gas holder dialirkan ke dalam kolom adsorber yang telah diisi zeolit alam ukuran 4 mesh melalui selang plastik transparan yang sebelumnya melewati rotameter terlebih dahulu untuk mengukur rate masukan biogas sesuai dengan variabel. Rate masukan biogas diatur sesuai variabel rate masuk pertama, yaitu 200 ml/menit. Biogas dialirkan ke dalam kolom adsorber hingga zeolit alam mengalami titik jenuh. Hal ini diindikasikan dengan komposisi biogas keluaran pada waktu berdekatan adalah sama. Analisa komposisi biogas dilakukan selama 30 menit sekali. Bila dalam rentang waktu berikutnya kadar gas CO2 dan H2S
2
konstan, maka hal tersebut mengindikasikan bahwa zeolit alam telah jenuh dan penelitian dihentikan. Kemudian berikutnya langkah-langkah di atas dilakukan lagi untuk variabel rate masukan biogas kedua dan ketiga, yaitu 400 dan 600 ml/menit untuk ukuran zeolit alam yang sama, yaitu 4 mesh. Setelah itu, langkah yang sama dilakukan untuk variabel ukuran partikel zeolit alam yang kedua dan ketiga, yaitu 8 dan 12 mesh. III. HASIL PENELITIAN Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi ukuran partikel zeolit pada proses adsorpsi untuk menurunkan kandungan gas CO2 dan H2S dalam produksi biogas. Hubungan antara rate biogas terhadap persen removal gas CO2 untuk berbagai ukuran zeolit alam ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2 Kurva Hubungan antara % Removal CO2 vs Rate Masuk Biogas untuk Berbagai Ukuran Zeolit Alam Gambar 2 menunjukkan bahwa pada zeolit alam ukuran 4 mesh % removal CO2 hasil adsorpsi maksimal yang dapat dicapai sebesar 68,94%, sedangkan pada zeolit alam ukuran 8 mesh % removal CO2 hasil adsorpsi maksimal yang dapat dicapai adalah sebesar 73,74%, dan pada zeolit alam ukuran 12 mesh % removal CO2 hasil adsorpsi maksimal yang dapat dicapai adalah sebesar 87,04%. Dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa ukuran partikel zeolit alam optimum untuk menurunkan kadar CO2 pada biogas dari ketiga variabel adalah zeolit alam dengan ukuran partikel 14 mesh. Begitu pula pada removal H2S pada biogas didapatkan hasil bahwa semakin kecil ukuran zeolit alam, % removal H2S hasil adsorpsi juga semakin besar. Hal ini ditunjukkan pada gambar 3. Gambar 3 menunjukkan bahwa pada zeolit alam ukuran 4 mesh % removal H2S hasil adsorpsi maksimal yang dapat dicapai adalah sebesar 50,977%, sedangkan pada zeolit alam ukuran 8 mesh % removal H2S hasil adsorpsi maksimal yang dapat dicapai adalah sebesar 56,874%, dan pada zeolit alam ukuran 12 mesh % removal H2S hasil adsorpsi maksimal yang dapat dicapai adalah sebesar 64,997%. Dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa ukuran partikel zeolit alam optimum untuk menurunkan kadar H2S pada biogas dari ketiga variabel adalah zeolit alam dengan ukuran partikel 14 mesh.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Gambar 3 Kurva Hubungan antara % Removal H2S vs Rate Masuk Biogas untuk Berbagai Ukuran Zeolit Alam Hasil penelitian menunjukkan persen removal CO2 maksimal yang mampu dicapai jauh lebih besar daripada persen removal H2S. Hal ini sesuai dengan literatur yang menyebutkan bahwa ukuran molekul CO2 lebih kecil (3,7 Å) dibandingkan dengan ukuran molekul H2S (3,9 Å). Sehingga CO2 lebih banyak terserap pada pori-pori zeolit alam yang memiliki ukuran pori 3,5 – 4,0 Å. Karena semakin kecil ukuran molekul bebas yang berada di dekat permukaan adsorben, maka akan semakin mudah molekul tersebut untuk diserap oleh adsorben [4]. Pada penelitian kali ini untuk mengetahui karakteristik zeolit alam yang digunakan sebagai adsorben dihitung dengan pendekatan isotermis adsorpsi. Menurut penelitian terdahulu [5], pendekatan dengan persamaan Langmuir menunjukkan hasil yang lebih valid dibandingkan dengan persamaan Freundlich untuk adsorpsi gassolid. Dari persamaan Langmuir (1) dengan membuat kurva antara C/(x/m) sebagai sumbu y dan C sebagai sumbu x, maka akan didapatkan konstanta a dan b, dimana konstanta a menunjukkan volume gas yang terserap per luas area pada saat tekanan kesetimbangan tercapai. Sedangkan konstanta b menunjukkan perbandingan antara konstanta rate adsorpsi (k1) terhadap konstanta rate desorpsi (k2). Di bawah ini disajikan kurva Langmuir untuk removal CO2 Zeolit Alam ukuran 4, 8, dan 12 mesh.
3
Gambar 5 Kurva Langmuir C/(x/m) vs C Removal CO2 untuk Zeolit Alam Ukuran 8 Mesh sebagai Adsorben
Gambar 6 Kurva Langmuir C/(x/m) vs C Removal CO2 untuk Zeolit Alam Ukuran 12 Mesh sebagai Adsorben Dari persamaan Langmuir yang telah didapatkan, maka dapat dihitung pula konstanta a dan b dari persamaan tersebut. Konstanta a dan b dihitung dari slope dan intercept pada persamaan Langmuir. Berikut disajikan tabel persamaan Langmuir dan hasil perhitungan konstanta a dan b yang didapat dari percobaan removal CO2 untuk ketiga variabel ukuran partikel zeolit alam. Tabel 1 Persamaan Langmuir Removal CO2 Ukuran
Persamaan Langmuir
R2
(mesh) 4 8 12
Y = 440,5 X 48180 Y = 351,9 X 25621 Y = 423,7 X 10287
Konstanta a b (L/mg) (L/mg)
0,997
0,00002
0,00914
0,998
0,00004
0,01373
0,997
0,00010
0,04119
Selain itu, di bawah ini disajikan juga kurva Langmuir untuk removal H2S Zeolit Alam ukuran 4, 8, dan 12 mesh.
Gambar 4 Kurva Langmuir C/(x/m) vs C Removal CO2 untuk Zeolit Alam Ukuran 4 Mesh sebagai Adsorben
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Gambar 7 Kurva Langmuir C/(x/m) vs C Removal H2S untuk Zeolit Alam Ukuran 4 Mesh sebagai Adsorben
Gambar 8 Kurva Langmuir C/(x/m) vs C Removal H2S untuk Zeolit Alam Ukuran 8 Mesh sebagai Adsorben
Gambar 9 Kurva Langmuir C/(x/m) vs C Removal H2S untuk Zeolit Alam Ukuran 12 Mesh sebagai Adsorben Berikut disajikan tabel tentang persamaan Langmuir dan hasil perhitungan konstanta a dan b yang didapat dari percobaan removal H2S untuk ketiga variabel ukuran partikel zeolit alam. Tabel 2 Persamaan Langmuir Removal H2S Ukuran (mesh) 4 8 12
Persamaan Langmuir Y = 25760 X 24520 Y = 21736 X 17847 Y = 31945 X 11087
R2
Konstanta a b (L/mg) (L/mg)
0,989
0,00004
1,0506
0,991
0,00006
1,2179
0,974
0,00009
2,8813
Dari hasil data-data percobaan diperoleh konstanta kesetimbangan adsorpsi yang paling besar
4
untuk removal CO2 adalah pada adsorpsi zeolit alam dengan ukuran 12 mesh dimana harga a adalah 0,0001 L/mg dan harga b adalah 0,04119 L/mg. Begitu pula untuk removal H2S, kesetimbangan adsorpsi yang paling besar adalah pada adsorpsi zeolit alam dengan ukuran 12 mesh dimana harga a adalah 0,00009 L/mg dan harga b adalah 2,8813 L/mg. Hal ini menunjukkan semakin besar konstanta a, maka volume gas yang terserap per luas area semakin besar pada saat tekanan kesetimbangan tercapai. Sedangkan semakin besar konstanta b, maka konstanta rate adsorpsi lebih besar dari konstanta rate desorpsi. Selain itu, dari data yang didapatkan hasil penelitian menunjukkan bahwa kadar CH4 pada biogas mengalami kenaikan seiring dengan berkurangnya kadar CO2 dan H2S pada biogas. Persen kenaikan kadar CH4 maksimal pada biogas yang dapat dicapai sebesar 37,375 %. Hal ini membuktikan hipotesa bahwa metode adsorpsi menggunakan zeolit alam sebagai adsorben dapat digunakan untuk pemurnian biogas, yaitu dengan penurunan kadar CO2 dan H2S tanpa mengurangi kadar CH4 pada biogas tersebut. IV. KESIMPULAN Berdasarkan data dan analisa yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa: 1. Zeolit alam mampu digunakan sebagai adsorben dalam metode adsorpsi untuk pemurnian biogas dari kandungan gas CO2 dan H2S. Hal ini diindikasikan dengan turunnya kadar CO2 dan H2S serta naiknya kadar CH4 pada biogas setelah proses adsorpsi menggunakan zeolit alam. 2. Persen removal CO2 maksimal yang mampu dicapai pada proses adsorpsi pemurnian biogas menggunakan zeolit alam ini adalah sebesar 87,041%, yaitu pada zeolit alam ukuran 12 mesh dan flowrate masuk biogas 200 ml/menit dengan konsentrasi CO2 output sebesar 59,507 ppm. Nilai a = 0,0001 L/mg dan b = 0,04119 L/mg. 3. Persen removal H2S maksimal yang mampu dicapai pada proses adsorpsi pemurnian biogas menggunakan zeolit alam ini adalah sebesar 64,997%, yaitu pada zeolit alam ukuran 12 mesh dan flowrate masuk biogas 200 ml/menit dengan konsentrasi H2S output sebesar 0,51 ppm. Nilai a = 0,00009 L/mg dan b = 2,8813 L/mg. 4. Persen kenaikan CH4 maksimal yang mampu dicapai pada proses adsorpsi pemurnian biogas menggunakan zeolit alam ini adalah sebesar 37,375%. 5. Semakin kecil ukuran partikel zeolit alam, maka persen removal CO2 dan H2S pada biogas semakin besar. 6. Semakin besar rate masukan biogas ke dalam kolom adsorber, maka persen removal CO2 dan H2S pada biogas semakin kecil. 7. Persen removal gas CO2 lebih besar daripada persen removal gas H2S dikarenakan konstanta Van der Waal gas CO2 lebih kecil daripada
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 konstanta Van der Waal gas H2S yg mengidentifikasikan bahwa ukuran molekul gas CO2 lebih kecil UCAPAN TERIMA KASIH Kami mengucapkan terima kasih sebesarbesarnya kepada : 1. Bapak Prof.Dr. Ir. Tri Widjaja, M.Eng selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS. 2. Ibu Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M. Eng. Selaku Dosen Pembimbing dan Kepala Laboratorium Pengolahan Limbah Industri yang senantiasa sabar dan banyak memberikan pengetahuan baru kepada kami. 3. Ibu Ir. Nuniek Hendrianie, M.T Selaku Dosen Pembimbing yang senantiasa sabar dan banyak memberikan pengetahuan baru kepada kami. 4. Bapak Ediyanto dan Bapak Sumarto selaku laboran Laboratorium Teknologi Pengolahan Biologis Limbah Cair Industri. 5. Bapak / Ibu Dosen Penguji. 6. Seluruh dosen dan karyawan Jurusan Teknik Kimia FTI – ITS. 7. Orang tua dan keluarga kami yang telah memberikan dukungan moril dan materiil. 8. Teman-teman ”Waste Water Treatment Laboratory” dan seluruh elemen Teknik Kimia, khususnya K-48, atas segala bantuannya 9. Serta semua pihak yang terlibat dalam penyusunan laporan skripsi ini hingga selesai. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2] [3] [4] [5]
Price, Elizabeth C. and Paul N. Cheremisinoff. Q. Zhao, E. Leonhardt, C. MacConnell, C. Frear and S. Chen. Purification Technologies for Biogas Generated by Anaerobic Digestion. CSANR Research Report 2010 – 001 Kasmadi. 2001. Kajian sifat adsorpsi zeolit terhadap zat warna sintetis dan optimasinya. Penelitian Unnes. Whitten, Kenneth W. 2009. Chemistry. Penerbit: Nelson Education: Canada Van Hooff, J.H.C and J.W. Roelofsen. Techniques of Zeolit Characterization. Thahir, Ramli. 2006. Removal H2S dalam Biogas dengan Adsorpsi Karbon Aktif. Tugas Akhir Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS : Surabaya.
5
