KARAKTER PIROLISIS LINDI HITAM PROSES SODA
GOKMA SILABAN
DEPARTEMEN HASIL HUTAN FAKULTAS KEHUTANAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2009
RINGKASAN Gokma Silaban (E24104028). Karakter Pirolisis Lindi Hitam Proses Soda. Dibimbing oleh Nyoman Wistara dan Gustan Pari. Energi dominan yang dipergunakan dunia saat ini adalah energi berbasis fosil yang persediaannya akan semakin berkurang. Menurunnya persediaan energi berbasis fosil mendorong hampir semua negara di dunia untuk mencari energi alternatif. Energi tersebut harus ramah lingkungan dan terbarukan. Diantaranya adalah energi hidro, energi surya, dan energi berbasis biomassa. Pemanfaatan limbah biomassa sebagai sumber energi alternatif sudah mulai dilakukan (Kementerian Negara BUMN 2008). Lindi hitam limbah proses pulping potensial dimanfaatkan untuk energi terbarukan. Lindi hitam mengandung komponen organik seperti selulosa, hemiselulosa, lignin dan ekstraktif. Komponen organik ini dapat diekstraksi dan dipirolisis menjadi energi padat atau cair. Karakteristik hasil pirolisis perlu diketahui. Untuk itu, penelitian ini dilakukan untuk menentukan karakter pirolisis lindi hitam proses soda. Lindi hitam proses soda dari merang dievaporasi dan dipadatkan. Kemudian dipirolisis pada suhu 100, 200, 300, 400, 500, 650, dan 750 oC. Jumlah sampel yang digunakan dalam setiap tingkat suhu pirolisis adalah 150 gram dengan waktu tinggal selama 1 jam. Pengujian nilai kalor, sifat fisis dan kimia dilakukan mengikuti prosedur ASTM 1979 dan 1984, perubahan gugus fungsi dan kehilangan bobot masing-masing diuji dengan Fourier Transforms Infrared Spectrometer (FT-IR) Hitachi 270-50 dan DTG-60H Shimadzu Simultaneous DTA-TG Apparatus. Lindi hitam yang tidak dipirolisis dijadikan sebagai kontrol. Perbandingan juga dilakukan dengan pulp soda jerami. Ditemukan bahwa nilai kalor dan kadar karbon terikat meningkat seiring dengan meningkatnya suhu pirolisis. Sementara kadar air dan kadar zat menguap menurun. Kadar abu yang dihasilkan tidak dipengaruhi suhu pirolisis tetapi bergantung pada kandungan silikatnya. Nilai kalor sangat dipengaruhi oleh kadar karbon terikat. Nilai kalor akan meningkat dengan meningkatnya kadar karbon. Nilai kalor yang diperoleh dari lindi hitam proses soda ini adalah 2700-4700 cal/g. Kehilangan bobot lindi hitam lebih rendah dari pulp jerami, dan dengan prilaku yang berbeda. Laju kehilangan bobot lindi hitam hampir seragam sepanjang selang suhu pirolisis (100-750 oC). Sedangkan laju kehilangan bobot pulp jerami meningkat tajam antar suhu 200 – 400 oC. Perubahan gugus fungsi terjadi seiring dengan meningkatnya suhu pirolisis. Gugus OH menghilang hampir di semua tingkat suhu pirolisis. Pada suhu 650-750 oC terdapat indikasi gugus karbonil terbentuk kembali (kemungkinan terbentuk dari pemutusan ikatan C-O di dalam ring structure).
Kata Kunci: pirolisis, lindi hitam, gugus fungsi dan kehilangan bobot.
ABSTRACT Gokma Silaban. Pyrolitic Characters of Soda Pulping Black Liquor. Under Supervision of Nyoman Wistara and Gustan Pari. Predominant source of the world energy has been based on fossil fuel, and its stock has constantly been decreasing. Diminution of this energy has promoted almost all countries to search for alternatives. The new energy must be environmentally friendly and renewable. Among these kind of energy are hydroenergy, solar energy (photo voltaic cell), and biomass based energy. Utilization of biomass waste for energy has been practiced Spent liquor of soda pulping process known as black liquor has been realized as a potential source of renewable energy. It contains organic materials such as lignin, hemicelluloses, cellulose and extractives. These organic substances can be extracted and pyrolyzed into valuable solid and/or liquid forms of energy. However, its pyrolytic characters haven’t been well studied. Therefore, the present researches were intended to determine the pyrolytic properties of soda pulping black liquor. Acidified black liquor of the soda pulping of rice straw was evaporated to recover its solid content. It was then pyrolyzed at 100, 200, 300, 400, 500, 650, and 750 oC. The amount of solid used for each pyrolysis temperature was 150 grams with pyrolysis resident time of 1 hour. Calorific, chemical and physical properties of pyrolyzed sample were measured based on standard methods of ASTM 1979 and 1984. The weight loss behaviors and functional groups change were measured using FTIR Hitachi 270-50 and Shimadzu DTG-60 H Simultaneous DTA-TG Apparatus, respectively. A blank (non-pyrolyzed sample) measurement was also carried out. Comparison was also made using rice straw soda pulp. It was found that calorific and fixed carbon of pyrolyzed black liquor was increasing with the increasing of pyrolysis temperature. On the other hand, moisture content and volatiles were decreasing. It seemed that ash content was not influenced by the temperature of pyrolysis and was thought to depend on its initial silicate content. Calorific were directly influenced by fixed carbon. It increased linearly with the increased of fixed carbon. Calorific of solid content extracted from soda pulping black liquor pyrolized at 650 and 750 oC was found higher than that of wood. The weight loss behavior of black liquor was different to that of pulp. The weight loss of pulp was higher than that of black liquor. Extreme weight loss has been found in the temperature of 200 – 400 oC. Noticeable functional groups changes were found with the increasing temperature of pyrolysis. Hydroxyl group completely disappeared at 300 oC and above. Carbonyl related groups were also disappeared at 300 – 500 oC, but it was reformed at 650 and 750 o C. It might be brought about by the deformation of chemical bonding of oxygen ring in lignin structures.
Keywords: pyrolysis, black liquor, functional groups, weight loss
KARAKTER PIROLISIS LINDI HITAM PROSES SODA
Gokma Silaban E24104028
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Kehutanan Pada Fakultas Kehutanan Institut Pertanian Bogor
DEPARTEMEN HASIL HUTAN FAKULTAS KEHUTANAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2009
Judul Skripsi
: Karakter Pirolisis Lindi Hitam Proses Soda
Nama
: Gokma Silaban
Nomor Pokok
: E24104028
Menyetujui:
Pembimbing I
Pembimbing II
Nyoman Wistara, Ph.D NIP: 131849387
Dr. Gustan Pari, MSi NIP: 710005078
Mengetahui: Dekan Fakultas Kehutanan Institut Pertanian Bogor
Dr. Ir. Hendrayanto, M.Agr NIP : 131578788
Tanggal Lulus:
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Karakter Pirolisis Lindi Hitam Proses Soda adalah benar-benar hasil karya saya sendiri dengan bimbingan dosen pembimbing dan belum pernah digunakan sebagai karya ilmiah pada perguruan tinggi atau lembaga manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Bogor, Januari 2009
Gokma Silaban E24104028
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Balige, Sumatera Utara , pada tanggal 5 April 1986 sebagai anak kelima dari enam bersaudara, pasangan Bapak P. Silaban dan Ibu R. Gultom. Penulis mengawali pendidikannya pada tahun 1992 di SD Negeri No 176367 Soposurung, Balige. Pada tahun 1998 penulis melanjutkan pendidikan ke SLTPN 2 Balige dan lulus pada tahun 2001. Pada tahun yang sama, penulis melanjutkan pendidikan di SMUN 1 Balige, Sumatera Utara. Pada tahun 2004, penulis diterima menjadi mahasiwa Departemen Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Institut Pertanian Bogor melalui jalur USMI (Undangan Seleksi Mahasiswa Institut Pertanian Bogor). Selama menuntut ilmu di IPB, Penulis adalah salah satu Koordinator Komisi Diaspora Unit Kegiatan Mahasiswa Persekutuan Mahasiswa Kristen (2004-2005),
dan
anggota
HIMASILTAN.
Penulis
melakukan
Praktek
Pengenalan dan Pengelolaan Hutan di Cilacap – Baturraden – Getas pada tahun 2007 dan Praktek Kerja Lapangan di PT. Toba Pulp Lestari, Tbk Porsea pada tahun 2008. Untuk
memperoleh
gelar
Sarjana
Kehutanan
di
IPB,
Penulis
menyelesaikan skripsi dengan judul KARAKTER PIROLISIS LINDI HITAM PROSES SODA dibimbing oleh Nyoman Wistara, Ph.D dan Dr. Gustan Pari, MSi.
i
KATA PENGANTAR Penulis bersyukur kepada Tuhan Yang Maha Kuasa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Skripsi ini disusun berdasarkan data dan fakta penelitian yang telah dilakukan pada bulan Juli – Agustus 2008 di Laboratorium Kimia Hasil Hutan Fakultas Kehutanan IPB, Laboratorium Kimia dan Energi Pusat Penelitian Hasil Hutan Bogor (Puslitbang), dan Laboratorium Minerallogi Departemen Tanah Fakultas Pertanian (IPB). Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat dan terima kasih kepada keluarga penulis atas dukungan moril, doa, dan curahan kasih sayang yang tiada berkesudahan. Rasa terima kasih yang tulus juga penulis sampaikan kepada Bapak Nyoman Wistara dan Gustan Pari atas kesabaran dalam membimbing penulis selama proses penyelesaian skripsi ini. Penulis juga tidak akan melupakan kontribusi yang sangat berharga dari Staf Laboratorium Kimia Hasil Hutan Fahutan IPB (Bapak Supriatin dan Bapak Gunawan) dan PT. Kertas Padalarang Bandung, teman-teman (Hotman, Puy, Edo, Zee, Patria, Adi, Hanif, Meita, Eka) dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu – persatu dalam merealisasikan skripsi ini. Semoga Tuhan Yang Maha Kuasa semakin melimpahkan rahmat-Nya dan membalas kebaikan mereka yang berjasa dalam penyelesaian studi penulis. Penulis terbuka atas segala kritik dan saran membangun untuk menyempurnakan pengetahuan yang tertuang dalam skripsi ini. Penulis berharap skripsi ini akan bermanfaat bagi semua pihak yang memerlukannya.
Bogor, Januari 2009
Penulis
ii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR
Halaman i
DAFTAR ISI
ii
DAFTAR GAMBAR
iii
DAFTAR TABEL
iv
DAFTAR LAMPIRAN
v
BAB I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
1
1.2. Tujuan
2
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
3
BAB III. METODOLOGI
5
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Sifat Fisis dan Kimia
7
4.2. Nilai Kalor
9
4.3. Rendemen Arang
10
4.4. Prilaku Kehilangan Bobot
11
4.5. Perubahan Kimia
12
BAB V. KESIMPULAN
15
DAFTAR PUSTAKA
16
LAMPIRAN
18
iii
DAFTAR GAMBAR No.
Teks
Halaman
1.
Diagram alir penelitian
5
2.
Hubungan kadar air, kadar abu, karbon terikat dan zat menguap
7
dengan suhu pirolisis 3.
Kecenderungan nilai kalor, kadar air, karbon terikat dan zat
9
menguap pada suhu pirolisis yang beragam 4.
Prilaku kehilangan bobot lindi hitam (a) dan pulp soda jerami (b) o
11
o
selama proses pirolisis dari suhu 100 C sampai dengan 1000 C 5.
Pola spektrum FTIR lindi hitam pada suhu pirolisis berbeda
13
iv
DAFTAR TABEL No. 1. 2.
Teks Rendemen hasil pirolisis pada suhu yang berbeda Serapan bilangan gelombang lindi hitam yang dipirolisis pada suhu berbeda
Halaman 10 12
v
DAFTAR LAMPIRAN No.
Teks
Halaman
1.
Hasil pengujian dan analisis keragaman kadar air arang
19
2.
Hasil pengujian dan analisis keragaman kadar uap arang
20
3.
Hasil pengujian dan analisis keragaman kadar abu arang
21
4.
Hasil pengujian dan analisis keragaman kadar karbon arang
22
5.
Hasil pengujian dan analisis keragaman nilai kalor
23
6.
Rendemen hasil pirolisis
24
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Konsumsi energi terutama bahan bakar akan semakin meningkat sejalan dengan meningkatnya jumlah penduduk dan perekonomian suatu negara. Indonesia sebagai negara berpenduduk banyak mengkonsumsi 1,1% total energi dunia. Energi dominan yang dipergunakan Indonesia dan dunia saat ini adalah energi berbasis fosil yang bersifat tak terbarukan. Sifat tak terbarukan ini telah menyebabkan persediaannya terbatas dan tidak akan dapat mendukung kebutuhan energi akibat jumlah penduduk yang semakin meningkat (Yuliarto 2006). Menurunnya persediaan energi berbasis fosil mendorong hampir semua negara di dunia untuk mencari energi alternatif yang bersifat terbarukan. Beberapa energi alternatif terbarukan yang telah dicoba untuk dikembangkan adalah energi hidro, surya, dan lain sebagainya (Yuliarto 2006). Sumber energi terbarukan untuk masa depan dunia adalah sumber energi berbasis biomasa. Biomasa potensial yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi dapat berasal dari limbah pertanian, perkebunan, kehutanan, dan komponen organik industri dan rumah tangga. Sumber energi ini dapat menjadi pengganti bahan bakar berbasis fosil (Kementerian Negara BUMN 2008). Salah satu limbah industri kehutanan potensial adalah limbah organik pabrik pulp dan kertas. Limbah organik pabrik ini terutama terdapat di dalam lindi hitam sisa pemasakan. Lindi hitam (black liquor) merupakan larutan sisa pemasak atau limbah yang dihasilkan dari proses pembuatan pulp yang mengandung komponen dari biomassa (terutama lignin). Proses soda menghasilkan lindi hitam sekitar 30 %. Dengan kadar ligninnya yang tinggi, yaitu sekitar 46% (Sjostrom 1995), lindi hitam berpotensi besar untuk dijadikan bahan baku energi terbarukan. Kandungan energi lignin dapat ditingkatkan melalui proses pengarangan (pirolisis). Untuk dapat memanfaatkan lindi hitam sebagai
2
sumber energi secara tepat, karakter pirolisisnya perlu dipelajari secara lebih seksama.
1.2. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah untuk menentukan karakter hasil pirolisis lindi hitam proses soda. Hasil penelitian dapat dijadikan dasar untuk memanfaatkan lindi hitam sebagai sumber energi tepat guna.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA Lindi
hitam
mengandung
komponen
organik
dan
inorganik.
Komponen organiknya terdiri dari lignin (sekitar 46% dari total padatan), karbohidrat terdegradasi dan ekstraktif (Sjostrom 1995). Di dalam proses daur ulang bahan kimia, komponen organik berfungsi sebagai sumber energi dan komponen inorganiknya didaur untuk bahan kimia pemasak. Arang adalah residu pembakaran bahan biomaterial tanpa oksigen yang mengandung karbon padat dan berpori. Pori-pori arang sebagian besar tertutup oleh hidrokarbon, ter dan senyawa organik lain. Komponen arang terdiri dari karbon terikat (fixed carbon), abu, air, nitrogen dan sulfur. Arang bermutu dicirikan oleh kadar karbon terikat lebih dari 75%, kadar abu kurang dari 5%, zat menguap kurang dari 15%, bebas kotoran dan tidak mudah hancur (Komarayati 1997). Parameter lain penentu mutu arang adalah nilai kalor (Hendra dan Darmawan 2000). Dalam proses pirolisis, masing-masing komponen struktural kimia kayu akan terdegradasi pada suhu yang berbeda. Hemiselulosa, selulosa, dan lignin masing-masing terdegradasi pada selang suhu 200-260 oC, 240-350 oC dan 280-500 oC (Nugraha dan Fatimah 2005). Sedangkan ekstraktif dan sedikit asam hidroksil terdekomposisi pada suhu 100–200 oC (Guo et al. 2008). Lignin terdegradasi menghasilkan senyawa-senyawa khas sesuai dengan jenis kayu yang dipirolisis. Pengarangan (pirolisis) terhadap kayu sangat berpengaruh dalam meningkatkan nilai kalornya. Nilai kalor kayu berkisar dari 4350 – 4625 cal/g, sedangkan arang kayu memiliki nilai kalor berkisar dari 6960 – 7180 cal/g (Komarayati et al. 1997). Produk pirolisis sangat bervariasi bergantung pada jenis pirolisis yang dilakukan. Pirolisis primer lambat (150-300
o
C)
menghasilkan arang, H2O, CO dan CO2, dan pirolisis primer cepat (300-400 o
C) menghasilkan arang, H2O dan uap. Pirolisis terhadap gas hasil pirolisis
primer disebut sebagai pirolisis sekunder yang berlangsung pada suhu di atas 600 oC. Pirolisis sekunder menghasilkan CO2, H2 dan hidrokarbon. Pirolisis
4
primer cepat terhadap lignin akan menghasilkan arang dan pirolisis sekundernya akan menghasilkan gas sintesis kasar dan arang aktif (Alvarez et al. 1998; Agustina 2002 dalam Pari 2004). Pentingnya mengetahui perubahan kimia dan struktur arang selama pengarangan untuk menentukan mutu arang telah disebutkan dalam Pari et al. (2003). Perubahan kimia arang biasanya dapat ditentukan dengan analisis spektroskopi Fourier Transformed Infra Red (FTIR). FTIR mengukur intensitas serapan atau pancaran panjang gelombang infra merah yang khas oleh ikatan kimia berbeda. Serapan atau pancaran gugus fungsional berada pada daerah 1400 cm-1- 4000 cm-1 (Murad et al. 2006 dalam Iswantini et al. 2007). Kehilangan bobot arang pada saat pirolisis ditentukan dengan menggunakan alat Thermogravimetric Analysis (TGA). TGA mengukur kehilangan bobot dengan maksud untuk memprediksi pengaruh pemanasan terhadap karakteristik arang yang dihasilkan (Worasuwannarak et al. 2004).
BAB III METODE PENELITIAN Secara garis besar penelitian ini meliputi analisis gugus fungsi, kehilangan bobot, dan analisis sifat fisis dan kimia. Analisis ini dilakukan terhadap lignin hasil isolasi lindi hitam proses soda merang. Tahapan penelitian diperlihatkan oleh Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir proses penelitian Dalam mengisolasi lignin, lindi hitam yang bersifat sangat basa dinetralkan dengan larutan H2SO4 7%. Lindi hitam netral ini kemudian dievaporasi dan padatan yang diperoleh dikeringkan sampai dengan kadar air ±10%. Pirolisis lignin kering dilakukan di dalam tungku baja tahan karat yang dilengkapi termokopel pengatur suhu. Jumlah sampel yang digunakan dalam setiap tingkat suhu pirolisis (100, 200, 300, 400, 500, 650, 750 oC) adalah 150 gram dengan waktu tinggal selama 1 jam.
6
Untuk mengetahui perubahan kimia yang terjadi selama pirolisis, lignin dianalisis dengan spektroskopi FTIR Hitachi 270-50. Dalam metode KBr yang digunakan, 2 mg sampel dicampur dengan 100 mg KBr dan digerus halus. Campuran ini dibuat pelet lalu dibaca dengan spektroskopi FTIR pada jangkauan bilangan gelombang 4000-400 cm-1. Spektrogram serapan kemudian dianalisis untuk menentukan perubahan kimia yang terjadi pada sampel. Kehilangan masa lignin dalam setiap tahap pirolisis (100. 200, 300, 400, 500, 650, 750 oC) diukur dengan menggunakan Shimadzu DTG-60H Simultaneous DTA-TG Apparatus. Dalam analisis ini 2,3 mg sampel lignin dimasukkan ke dalam cawan aluminium pertama dan sebagai kontrol 2,3 mg bubuk α-alumina (α-Al2O3 powder) dimasukkan ke dalam cawan aluminium kedua. Kedua cawan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam Shimadzu DTG-60H Simultaneous DTA-TG Apparatus. Laju pemanasannya 0,1 oC/jam. Pengujian sifat fisis dan kimia arang dilakukan berdasarkan metode standar ASTM. Kadar air, kadar abu, kadar zat menguap dan kadar karbon terikat diukur dengan mengikuti metode standar ASTM 1979. Sedangkan nilai kalor bakar arang ditentukan dengan mengikuti metode standar ASTM 1984.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Sifat Fisis dan Kimia Suhu pirolisis berpengaruh nyata pada tingkat kepercayaan 95% terhadap kadar air, zat menguap, dan karbon terikat arang, tetapi tidak secara nyata mempengaruhi kadar abu. Kadar air dan zat menguap menurun dengan meningkatnya suhu pirolisis, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2. Sedangkan kandungan karbon terikat menunjukkan pola hubungan yang sebaliknya.
Gambar 2. Hubungan kadar air, kadar abu, karbon terikat dan zat menguap dengan suhu pirolisis. Gambar 2 menunjukkan bahwa penurunan kadar air secara relatif tajam terjadi sampai dengan suhu 500 oC. Selanjutnya, kadar air relatif tidak berubah. Prilaku seperti ini kemungkinan disebabkan oleh cepatnya penguapan air bebas mulai suhu 100 oC sampai dengan suhu 500 oC. Pirolisis pada suhu ekstrim (di atas 500 oC) menyebabkan selulosa dan
8
lignin terdegradasi (Guo et al. 2008). Pada suhu 500 – 750 oC terjadi pemecahan rantai karbon pada selulosa, hemiselulosa dan lignin (Nugraha dan Fatimah 2005) yang kemungkinan berakibat terlepasnya air terikat yang jumlahnya relatif sedikit dibandingkan dengan air bebas. Menguapnya air terikat setelah penguapan air bebas tidak menyebabkan penurunan kadar air secara tajam. Kadar air arang hasil pirolisis pada suhu 100 - 750 oC berada di bawah 6% dan memenuhi persyaratan kadar air maksimum SNI 1989. Arang bermutu tinggi harus memiliki kadar air yang rendah (Hendra dan Winarni 2003). Zat menguap adalah zat dapat menguap hasil dekomposisi senyawa yang terdapat di dalam arang selain air. Kadar zat menguap hasil penelitian ini berselang dari 15,26 – 52,24%. Penurunan kadar zat menguap dengan meningkatnya suhu pirolisis dapat disebabkan oleh menurunnya jumlah zat yang mudah terdekomposisi secara termal dan meningkatnya kesempurnaan pirolisis (Yuliarto 2006). Kesempurnaan pirolisis ditunjukkan oleh meningkatnya kadar karbon terikat dengan meningkatnya suhu pirolisis. Keberadaan
zat
menguap dalam arang
tidak dikehendaki karena
menyebabkan timbulnya asap saat pembakaran (Hendra dan Winarni 2003). Meskipun Gambar 2 menunjukkan bahwa kadar abu cenderung menurun dengan meningkatnya suhu pirolisis, tetapi uji statistik menunjukkan perbedaan itu tidak nyata. Kadar abu ditentukan oleh kadar komponen inorganik lindi hitam (Hendra dan Darmawan 2000) dan tidak terbakar pada semua tingkat suhu pirolisis yang dipergunakan. Temuan serupa telah dilaporkan oleh Zapusek et al. (2003). Gambar 2 menunjukkan bahwa kadar karbon terikat berhubungan hampir linier dengan suhu pirolisis, dimana peningkatan suhu pirolisis menyebabkan peningkatan kadar karbon terikat. Kadar karbon terikat hasil penelitian ini berselang dari 43,22 – 81,68%. Pirolisis pada suhu 100 – 200 o
C menyebabkan dehidrasi dan dekomposisi termal ekstraktif dan gugus
asam hidroksil (Guo et al. 2008) yang menghilangkan komponen hydrogen dan oksigen sehingga kemurnian arang meningkat yang ditunjukkan oleh peningkatan kadar karbon terikat (Sjostrom 1995). Kadar karbon terikat
9
adalah salah satu parameter penting penentu mutu arang. Arang yang baik memiliki kadar karbon terikat lebih dari 75% (Komarayati et al. 1997). Hasil penelitan ini menunjukkan bahwa pirolisis pada suhu 650 dan 750 oC menghasilkan arang dengan kadar karbon terikat sekitar 82%. Dengan demikian, untuk menghasilkan mutu arang yang baik dari lindi hitam proses soda memerlukan suhu pirolisis di atas 500 oC. 4.2. Nilai Kalor Nilai kalor arang menunjukkan jumlah panas hasil reaksi pembakaran arang pada volume tetap. Nilai kalor hasil penelitian ini berselang dari 2782 – 4716 (cal/g). Nilai kalor dipengaruhi oleh kadar air, karbon terikat, zat mudah menguap dan abu. Komponen kimia kayu penyumbang kalor terbesar adalah lignin. Pembakaran bahan dengan kadar lignin tinggi akan menghasilkan nilai kalor yang tinggi (Komarayati et al. 1997). Gambar 3 berikut menunjukkan hubungan antara nilai kalor dan kadar air, karbon terikat dan zat mudah menguap.
Gambar 3. Kecenderungan nilai kalor, kadar air, karbon terikat dan zat menguap pada suhu pirolisis yang beragam.
10
Nilai kalor meningkat dengan meningkatnya suhu pirolisis. Nilai kalor hasil penelitian ini berselang dari 2782 – 4716 cal/g. Pirolisis pada suhu 650 – 750 oC menghasilkan arang dengan nilai kalor setara dengan nilai kalor beberapa jenis kayu yang dilaporkan oleh Komarayati et al. (1997), tetapi jauh lebih rendah dari nilai kalor arang kayu yang ditemukan oleh penulis yang sama. Nilai kalor kayu dan arang kayu temuan peneliti ini masingmasing adalah 4350 – 4625 cal/g dan 6960 - 7180 cal/g yang diperoleh dari pirolisis pada suhu 500 oC selama 12 jam. Kadar abu dan kadar zat menguap mempengaruhi nilai kalor secara negatif (Hendra dan Darmawan 2000). Kadar abu dan kadar zat menguap hasil pirolisis pada suhu 500 oC dari penelitian ini masing-masing adalah 5,27% dan 26,07%. Keduanya lebih tinggi dari temuan yang dilaporkan Komarayati et al. (1997) untuk arang beberapa jenis kayu yang masingmasing berselang dari 1,04 – 3,86% dan 17,12 – 20,23%. Dengan demikian, nilai kalor arang lindi hitam yang relatif rendah dari penelitian ini disebabkan oleh tingginya kadar abu dan zat menguap arangnya.
4.3. Rendemen Arang Rendemen arang menurun dengan menurunnya suhu pirolisis. Rendemen hasil pirolisis hasil penelitian ini tertera dalam Tabel 1. Tabel 1. Rendemen hasil pirolisis pada suhu yang berbeda Suhu (oC)
Rendemen (%)
100
88.66
200
71.33
300
65.66
400
51.33
500
48.66
650
45.66
750
42.66
Pada Tabel 1 terlihat bahwa rendemen hasil pirolisis pada penelitian ini berselang dari 42,66% - 88,66%. Rendemen terendah diperoleh pada
11
suhu pirolisis 750 oC dan yang tertinggi pada saat suhu pirolisis 100 oC. Penurunan rendemen akibat peningkatan suhu pirolisis disebabkan oleh jumlah zat yang mudah terdekomposisi secara termal semakin menurun dan pirolisis semakin sempurna (Yuliarto 2006).
4.4. Prilaku Kehilangan Bobot Kehilangan bobot arang selama pirolisis diukur melalui analisis termogravimetri. Gambar 4 menunjukkan pola kehilangan bobot lindi hitam dan pulp soda jerami sebagai pembanding.
Gambar 4. Perilaku kehilangan bobot lindi hitam (a) dan pulp soda jerami (b) selama pirolisis dari suhu 100 oC sampai dengan 1000 oC. Gambar 4 memperlihatkan bahwa kehilangan bobot dan rendemen menurun dengan meningkatnya suhu pirolisis. Kehilangan bobot pulp lebih besar dari kehilangan bobot lindi hitam. Hal ini disebabkan oleh kadar selulosa pulp lebih tingi dari kadar lignin. Kehilangan bobot lignin lebih rendah dari kehilangan bobot selulosa dalam pirolisis pada suhu tinggi (Worasuwannarak et al. 2004, Shafizadeh 1984). Gambar 4 menunjukkan bahwa kehilangan bobot lindi hitam menurun secara lebih teratur dibandingkan dengan kehilangan bobot pulp. Pulp mengalami kehilangan bobot secara tajam mulai suhu 200 – 400 oC dan kehilangan bobotnya tidak berbeda jauh di atas suhu 400 oC. Resistensi komponen kimia kayu terhadap pengaruh termal yang berbeda dapat
12
menyebabkan perilaku sejenis ini (Hussain et al. 2006, Guo et al. 2008). Pada suhu 200 – 400 oC hemiselulosa, selulosa dan sejumlah kecil lignin dalam pulp terbakar. Hemiselulosa dan selulosa terbakar pada suhu 200 350 oC dan lignin terbakar pada suhu 280 – 500 oC (Nugraha dan Fatimah 2005). Kehilangan bobot lindi hitam berlangsung lebih seragam karena kadar selulosa dan hemiselulosanya relatif rendah. Kadar lignin lindi hitam sampel penelitian ini adalah sekitar 38%.
4.5. Perubahan Kimia Perubahan gugus fungsi pada lindi hitam diketahui melalui analisis dengan FTIR. Nilai serapan spektrum lindi hitam tertera pada Tabel 2 dan pola serapannya diperlihatkan oleh Gambar 5. Tabel 2. Serapan Bilangan Gelombang Lindi Hitam yang Dipirolisis pada Suhu Berbeda. Suhu (oC)
Bilangan Gelombang (cm-1)
Lignin
3463-2800-1750-1300-1200-900-800
100
3436-2900-1700-1350-1200-950-600
200
3440-2900-1700-1000-600
300
2900-1600-750-750
400
1600-1000-900-750-700
500
1500-1100-800-600
650
2800-1700-800-700
750
2900-1700-800-700
Tabel 2 menunjukkan bahwa selama proses pirolisis, terjadi perubahan struktur kimia yang ditunjukkan dengan perubahan pola spektrum panjang gelombang. Pemanasan menyebabkan gugus fungsi tertentu terputus dan yang lainnya dapat terbentuk (Pari et al. 2003). Pita serapan IR lindi hitam kontrol (Tabel 2) pada kisaran panjang gelombang 1750 - 2800 cm-1 menunjukkan adanya gugus OH yang terikat melalui ikatan hidrogen. Selain itu, keberadaan gugus fungsi aromatik C-H
13
ditunjukkan oleh serapan pada daerah panjang gelombang 700 - 800 cm-1. Meskipun pola spektrum IR pada suhu 100 oC dan 200 oC tetap menyerupai pola spektrum kontrol, tetapi diduga telah terjadi pemutusan ikatan dan terbentuknya senyawa aromatik yang ditunjukkan oleh penurunan intensitas C-H. Pada suhu 300 oC pelebaran pita ditunjukkan pada daerah panjang gelombang 1600 - 2900 cm-1 yang menunjukkan adanya gugus asam karboksilat (OH) dan serapan pada daerah ini memperkuat dugaan dominannya senyawa aromatik (C=C) (Pari et al. 2003).
0° 100° 200° 300° 400° 500° 650° 750°
4000
3000
2000
1000
0
-1
Panjang Gelombang (cm ) Gambar 5. Pola serapan spektrum FTIR lindi hitam pada suhu pirolisis berbeda-beda. Spektrum lindi hitam yang dipirolisis pada suhu 400 oC sampai 750 o
C mempunyai pola pita serapan yang sama, yaitu pada bilangan gelombang
14
1700 - 2900 cm-1 intensitas serapannya rendah dan di daerah bilangan gelombang 600 - 800 cm-1 terjadi pelebaran dan penurunan intensitas. Vibrasi gugus fungsi pada 400 oC sampai 750 oC adalah asam karboksilat OH pada daerah panjang gelombang 1700 - 2900 cm-1. Pembentukan senyawa gugus fungsi aromatik C-H pada panjang gelombang 700 – 800 cm-1. Dari pola spektrum terlihat bahwa makin lama waktu pirolisis, intensitas serapan di daerah 800 - 600 cm-1 makin lebar. Asam karboksilat memiliki sifat untuk membentuk ikatan hidrogen sehingga dengan tidak adanya suatu pemanasan maka hidrogen yang terkandung di dalam material akan semakin banyak. Sementara pada proses pirolisis hidrogen akan hilang atau menguap akibat adanya panas atau pembakaran, sehingga akan terbentuk ikatan yang baru yang memiliki gugus karbon. Hal ini menunjukkan bahwa permukaan arang yang dipirolisis dengan suhu yang semakin tinggi mengakibatkan semakin banyaknya
ikatan
karbon.
Secara
keseluruhan,
hasil
analisis
IR
memperlihatkan terjadinya perubahan gugus fungsi yang terdapat di dalam bahan baku, hal ini terlihat dari menurunnya intensitas serapan (Pari et al. 2004). Hal ini akan semakin meningkatkan kualitas arang yang dihasilkan, yaitu memiliki karbon yang semakin banyak yang akan meningkatkan nilai kalor arang.
BAB IV KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitan dapat disimpulkan bahwa peningkatan suhu pirolisis akan meningkatkan kadar karbon terikat dan nilai kalor, menurunkan kadar air dan kadar zat menguap.
Kadar abu yang dihasilkan berfluktuasi
bergantung pada kandungan organik di dalam bahannya. Kehilangan bobot lindi hitam berbeda dengan kehilangan bobot pulp. Laju kehilangan bobot pada lindi hitam hampir seragam pada semua tingkat suhu pirolisis, sedangkan pada pulp laju kehilangan bobotnya meningkat sangat tajam antara suhu 200 – 400 oC. Terjadinya perubahan gugus fungsi selama proses pirolis. Gugus hidroksil benarbenar menghilang mulai suhu 300 oC. Gugus karbonil juga menghilang pada suhu 300 – 500 oC, tetapi ada indikasi terbentuk kembali pada suhu 650 dan 750 oC. Kemungkinan disebabkan oleh deformasi ikatan kimia oksigen dalam ring structure.
DAFTAR PUSTAKA Guo, Y.L., Wu, S.B., Guo, Q.X., Wang, G.S. 2008. Thermogravimetric Analysis of
Pyrolysis
Characteristics
of
Kraft
Black
Liquor.
www.frc.kie/kr/down/p1-32. [14 November 2008]. Gusmailina, Ali, M., Saepulloh, Mahpudin. 2003. Pemanfaatan Serbuk Gergaji untuk Arang dan Arang Kompos. Buletin Penelitian Hasil Hutan Vol. 21. No. 3 : 118-140. Hendra, D., Darmawan, S. 2000. Pembuatan Briket Arang dari Serbuk Gergajian Kayu dengan Penambahan Tempurung Kelapa. Buletin Penelitian Hasil Hutan Vol. 18. No. 1 : 1-9. Hendra, D., Winarni, I. 2003. Sifat Fisis dan Kimia Briket Arang Campuran Limbah Kayu Gergajian dan Sebetan Kayu. Buletin Penelitian Hasil Hutan Vol. 21 No. 3 : 211-226. Hussain, A., Ani, F.N., Darus, A.N., Ahmed, Z. 2006. Thermogravimetric and Thermochemical Oil Palm Shell Waste. Jurnal Teknologi: 45 (A): 4353. Iswantini, D., Sholeh, M.A., Rafi, M. 2007. Model Otentifikasi Komposisi Obat Bahan Alam: Diagram Komponen Utama Spektra FTIR Bahan Penyusun Obat Pusat Studi Biofarmaka. Laporan Hasil Penelitian. Institut Pertanian Bogor. Bogor. Kementerian Negara BUMN. Bahan Energi Alternatif. www.poweralternatif.com. [14 November 2008]. Komarayati, S., Nurhayati, T., Setiawan, D. 1997. Hasil Destilasi Kering dan Nilai Kalor 9 Jenis Kayu dari Nusa Tenggara Barat. Buletin Penelitian Hasil Hutan Vol. 15. No. 1 : 94-100. Nugraha, J., Fatimah, I. 2005. Identifikasi Hasil Pirolisis Serbuk Kayu Jati Menggunakan Component Analysis. Jurnal Ilmu Dasar Vol. 6 No. 1 : 41-47. Pari, G., Sofyan, K., Syafii, W., Buchari. 2003. Suhu Karbonisasi dan Perubahan Struktur Arang Serbuk Gergaji Jati. Jurnal Teknologi Hasil Hutan Vol. 16 No. 2 : 70-79.
17
Pari, G., Sofyan, K., Syafii, W., Buchari. 2004. Pengaruh Lama Aktivasi Terhadap Struktur dan Mutu Arang Aktif Serbuk Gergaji Jati (Tectona grandis L.F). Jurnal Teknologi Hasil Hutan Vol. 17 No.1 : 33-44. Shafizadeh, F. 1984. The Chemistry of Pyrolysis and Combustion. In: The Chemistry of Solid Wood. Rowell, R.M. Ed. Advances in Chemistry Series 207. American Chemical Society, Washington, D.C. Sjostrom, E. 1995. Kimia Kayu Dasar-Dasar dan Penggunaan. Terjemahan. Gadjah Mada Univercity Press. Yogyakarta. Worasuwannarak, N., Potisri, P., Tanthapanichakoon, W. Carbonization Characteristic of Thai Agricultural Residues. In: The Joint International Conference Sustainable Energy and Environment (SEE). Hua-Hin, Thailand. Dec 1-3, 2004. Yuliarto,
B.
2006.
Menoropong
Konsumsi
Energi
Dunia.
www.oktadymalik.ultiply.com/journal/item/31. [14 November 2008]. Zapusek, A., Wirtgen, C., Weigandt, J., Lenart, F. 2003. Charactersation of Carbonizate Produced From Velenje Lignite In Lab-Scale Reactor. Acta Chim 50 :789-798.
LAMPIRAN
19
Lampiran 1a. Data Hasil Pengujian, Analisis Keragaman dan Uji Duncan Kadar Air Arang Hasil Pirolisis
Suhu (oC)
No
Kontrol 1 Kontrol 2 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b
Berat Awal (gram)
Berat Akhir (gram)
Kadar Air (%)
8.86 8.86 1 1 1.062 1.003 1 1 1 1 1.003 1 1.019 1.018 1.003 1.02
8.103 8.103 0.967 0.966 1.028 0.969 0.979 0.962 0.978 0.979 0.998 0.993 1.012 1.013 1.002 1.016
9.34 9.34 3.413 3.520 3.307 3.509 2.145 3.950 2.249 2.145 0.501 0.705 0.692 0.494 0.100 0.394
0 0 100 100 200 200 300 300 400 400 500 500 650 650 750 750
Kadar air ratarata (%)
9.34 3.466 3.048 3.048 2.197 0.603 0.593 0.247
Lampiran 1b. Analisis Sidik Ragam Terhadap Kadar air
Sumber Keragaman Perlakuan Galat Umum
db 7
Jumlah Kuadrat 120.389
Kuadrat Tengah 17.198
8
1.744
.218
15
12.333
F. hitung 78.884
Lampiran 1c. Analisis Uji DuncanTerhadap Kadar Air Perlakuan 1 2 3 4 5 6 7 8
Rata-rata 9.34 3.466 3.048 3.048 2.197 0.603 0.593 0.247
Duncan Grouting D C C BC B A A A
Sig. .000
20
Lampiran 2a. Data Hasil Pengujian, Analisis Keragaman dan Uji Duncan Kadar Uap Arang Hasil Pirolisis No
Suhu (oC)
Kontrol 1 Kontrol 2 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b
0 0 100 100 200 200 300 300 400 400 500 500 650 650 750 750
Berat Awal (gram)
Berat Akhir (gram)
0.913 0.915 0.967 0.966 1.028 0.969 0.979 0.962 0.978 0.979 0.998 0.993 1.012 1.013 1.002 1.016
Kadar Uap (%)
0.44 0.433 0.512 0.503 0.524 0.531 0.607 0.612 0.722 0.704 0.746 0.726 0.87 0.846 0.87 0.835
51.807 52.678 47.053 47.930 49.027 45.201 37.998 36.382 26.176 28.090 25.251 26.888 14.032 16.486 13.174 17.815
Kadar Uap rata-rata (%)
52.242 47.491 47.114 37.190 27.133 26.069 15.259 15.494
Lampiran 2b. Analisis Sidik Ragam Terhadap Kadar Uap
Sumber Keragaman Perlakuan
db 7
Jumlah Kuadrat 2997.367
Kuadrat Tengah 428.195 3.293
Galat
8
26.341
Umum
15
3023.708
F. hitung 130.048
Lampiran 2c. Analisis Uji DuncanTerhadap Kadar Uap Perlakuan 1 2 3 4 5 6 7 8
Rata-rata 52.242 47.491 47.114 37.190 27.133 26.069 15.259 15.494
Duncan Grouting E D D C B B A A
Sig. 0.000
21
Lampiran 3a. Data Hasil Pengujian, Analisis Keragaman dan Uji Duncan Kadar Abu Arang Hasil Pirolisis Suhu (oC)
No
Kontrol 1 Kontrol 2 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b
Berat Awal (gram)
0 0 100 100 200 200 300 300 400 400 500 500 650 650 750 750
Berat Akhir (gram)
0.44 0.433 0.512 0.503 0.524 0.531 0.607 0.612 0.722 0.704 0.746 0.726 0.87 0.846 0.87 0.835
Kadar Abu (%)
0.39 0.4 0.446 0.445 0.486 0.495 0.565 0.563 0.674 0.661 0.685 0.682 0.828 0.826 0.84 0.806
Kadar Abu ratarata (%)
5.476 3.607 6.825 6.004 3.696 3.715 4.290 5.094 4.908 4.392 6.112 4.431 4.150 1.974 2.994 2.854
4.542 6.415 3.706 4.692 4.650 5.272 3.062 2.924
Lampiran 3b. Analisis Sidik Ragam Terhadap Kadar Abu
Sumber Keragaman Perlakuan
db 7
Jumlah Kuadrat 18.872
Kuadrat Tengah 2.696
Galat
8
86.330
0.791
Umum
15
25.203
F. hitung 3.407
Lampiran 3c. Analisis Uji DuncanTerhadap Kadar Abu Perlakuan 1 2 3 4 5 6 7 8
Rata-rata 4.542 6.415 3.706 4.692 4.650 5.272 3.062 2.924
Duncan Grouting ABC C AB ABC ABC BC AB A
Sig. 0.054
22
Lampiran 4a. Data Hasil Pengujian, Analisis Keragaman dan Uji Duncan Kadar Terikat Arang Hasil Pirolisis
Karbon
No
Suhu (oC)
Kadar Uap (%)
Kadar Abu (%)
Karbon Terikat (%)
Rata-rata Karbon Terikat (%)
Kontrol 1
0
51.807
5.476
42.716
43.216
Kontrol 2
0
52.678
3.607
43.716
1a
100
47.053
6.825
46.122
1b
100
47.930
6.004
46.066
2a
200
49.027
3.696
47.276
2b
200
45.201
3.715
51.084
3a
300
37.998
4.290
57.712
3b
300
36.382
5.094
58.524
4a
400
26.176
4.908
68.916
4b
400
28.090
4.392
67.518
5a
500
25.251
6.112
68.637
5b
500
26.888
4.431
68.681
6a
650
14.032
4.150
81.818
6b
650
16.486
1.974
81.540
7a
750
13.174
2.994
83.832
7b
750
17.815
2.854
79.331
46.094 49.180 58.118 68.217 68.659 81.679 81.582
Lampiran 4b. Analisis Sidik Ragam Terhadap Kadar Karbon Terikat
Sumber Keragaman Perlakuan
db 7
Jumlah Kuadrat 3277.768
Kuadrat Tengah 468.253 2.403
Galat
8
19.228
Umum
15
3296.996
F. hitung 194.821
Lampiran 4c. Analisis Uji DuncanTerhadap Kadar Karbón Terikat Perlakuan 1 2 3 4 5 6 7 8
Rata-rata 43.216 46.094 19.180 58.118 68.217 68.659 81.679 81.582
Duncan Grouting A AB B C D D E E
Sig. 0.000
23
Lampiran 5a. Data Hasil Pengujian, Analisis Keragaman dan Uji Duncan Nilai Kalor Arang Hasil Pirolisis No
Suhu (oC)
Nilai Kalor (cal/gram)
(T2-T1)oC
A
Nilai Kalor (cal/gram)
Rata-rata nilai kalor (cal/gram)
Kontrol 1
0
2358
1.181
1
2784.798
2782.44
Kontrol 2
0
2358
1.179
1
2780.082
1a
100
2358
1.368
1
3225.744
1b
100
2358
1.372
1
3235.176
2a
200
2358
1.559
1
3676.122
2b
200
2358
1.561
1
3680.838
3a
300
2358
1.606
1
3786.948
3b
300
2358
1.604
1
3782.232
4a
400
2358
1.634
1
3852.972
4b
400
2358
1.636
1
3857.688
5a
500
2358
1.681
1
3963.798
5b
500
2358
1.679
1
3959.082
6a
650
2358
1.943
1
4581.594
6b
650
2358
1.947
1
4591.026
7a
750
2358
2.001
1
4718.358
7b
750
2358
1.999
1
4713.642
3230.46 3678.48 3784.59 3855.33 3961.44 4586.31 4716
Lampiran 5b. Analisis Sidik Ragam Terhadap Nilai Kalor
Sumber Keragaman
db
Jumlah Kuadrat
Kuadrat Tengah
F. hitung
Sig.
Perlakuan
7
5713033.759
816147.680
41938.520
0.000
Galat
8
155.685
19.461
Umum
15
5713189.444
Lampiran 5c. Analisis Uji Duncan Terhadap Nilai Kalor Perlakuan
Rata-rata
Duncan Grouting
1
2782.44
A
2
3230.46
B
3
3678.48
C
4
3784.59
D
5
3855.33
E
6
3961.44
F
7
4586.31
G
8
4716
H
24
Lampiran 6. Rendemen Hasil Pirolisis
Suhu (oC)
Rendemen (%)
100
88.66
200
71.33
300
65.66
400
51.33
500
48.66
650
45.66
750
42.66
