METHANE STORAGE PADA KARBON AKTIF PADA TEMPERATUR 27 o C, 35 o C dan 65 o C

ISSN 1978 - 2365 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

METHANE STORAGE PADA KARBON AKTIF PADA TEMPERATUR 27oC, 35oC dan 65oC Awaludin Martin, Bambang Suryawan, M. Idrus Alhamid, Nasruddin Laboratorium Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik-Universitas Indonesia [email protected]

ABSTRAK Sistem adsorbed natural gas (ANG) adalah metode distribusi bahan bakar gas yang lebih baik dibandingkan dengan menggunakan compressed natural gas (CNG) hal tersebut dikarenakan ANG menggunakan sistem penyerapan (adsorption system) yang hanya membutuhkan tekanan penyimpanan sekitar 4 MPa. Pada rancangan untuk aplikasi sistem adsorpsi seperti pada penyimpanan gas alam, disamping data karakteristik adsorben seperti luas permukaan dan volume pori, data penyerapan adsorbat pada adsorben juga dibutuhkan. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan data kapasitas penyerapan CH4 pada karbon aktif sebagai adsorben dengan menggunakan metode volumetrik pada tekanan sampai dengan 3,5 MPa dan pada temperatur 27 oC, 35oC dan 65oC. Kapasitas penyerapan maksimum pada karbon aktif KT adalah 0.05138 kg/kg pada temperatur 27oC dan tekanan equilibrium 3495,75 kPa. Data eksperimen dianalisis dengan menggunakan model Langmuir dan Toth. Hasil regresi data eksperimen dengan menggunakan model Langmuir dan Toth adalah 3,45% dan 2,72% untuk karbon aktif komersial dan 3,95% dan 2,78% untuk karbon aktif KT. Kata Kunci: isohtermal adsorpsi, kapasitas adsorpsi, model langmuir, model dubinin-astakhov ABSTRACT Adsorbed natural gas system is a better distribution method for gas fuel than compressed natural gas, it cause ANG using adsorption system that only need storage pressure up to 4 Mpa. For design adsorption system application such as natural gas storage beside of caractheristic of adsorbent such as surface area and pore volume, adsorption capacity data of adsorbate on adsorbent is needed too. The aim of this research is to find adsorption capacity CH4 on activated carbon as adsorbent by volumetric method up to 3.5 Mpa in range of temperature are 27oC, 35oC dan 65oC. The maximum adsorption capacity on KT activated carbon is 0.05138 kg/kg at the temperature of 27oC and the pressure equilibrium of 3495.75 kPa. The experimental data were analyzed using the Langmuir and Toth models. The regression results fit the experimental data of Langmuir and Toth models within 3.45% and 2.72% for commercial activated carbon and 3.95% and 2.78% for KT activated carbon. Keywords: adsorption isohtermal, adsorption capacity, langmuir model, dubinin-astakhov model bakar gas disamping harganya yang lebih

PENDAHULUAN Penggunaan bahan bakar gas (Natural Gas) terus mengalami peningkatan diseluruh dunia baik untuk kendaraan, komersial maupun sebagai fasilitas industri

[1]

. Penggunaan bahan

murah jika dibandingkan bahan bakar minyak, juga lebih ramah lingkungan [2]. Masalah utama dalam penngunaan bahan bakar gas, baik untuk keperluan kendaraan,

Naskah diterima: 8 April 2010, revisi kesatu: 7 Juni 2010, revisi kedua: 28 Juni 2010

45

ISSN 1978 - 2365

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, 46 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52 Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

komersial

maupun

industri adalah sistim

menggunakan model persamaan Langmuir dan

distribusi. Saat ini distribusi bahan bakar gas

Toth.

masih menggunaan sistem pemipaan dan

METODE PENELITIAN

menggunakan tabung-tabung bertekanan tinggi [1]

(Compressed Natural Gas/CNG) . Metode

distribusi

Ada empat metoda pengukuran adsorpsi Isotermal, yaitu

seperti

metoda carrier gas, metoda

ini

volumetrik, metoda gravimetrik dan metoda

menyebabkan peningkatan harga jual gas alam,

kalorimetrik. Keempat metoda pengukuran

karena gas alam harus diangkut dengan

penyerapan adsorpsi tersebut telah digunakan

menggunakan truk atau trailer dengan tabung

di berbagai negara dan telah diakui secara

baja yang tebal sehingga menambah beban

internasional

[1]

angkutan pada truk atau trailer tersebut. .

[7]

. Dalam penelitian ini metoda

adsorpsi Isotermal yang digunakan adalah

Adsorbed natural gas (ANG) adalah teknologi penyimpanan gas alam (natural gas

metoda volumetrik. Metode Pengambilan Data

storage) yang sedang berkembang saat ini

Dasar pengukuran metoda volumetrik

karena disamping lebih murah juga karena pada

adalah tekanan, volume dan temperatur, Data

sistem penyerapan (adsorption system) tekanan

pengukuran pada metoda volumetrik adalah

penyimpanan yang dibutuhkan sekitar 3,5 MPa

tekanan dan temperatur, dimana data diukur

pada temperatur ruang

[3,4,5]

.

saat adsorbat masuk ke tempat diletakkannya

Pada rancangan untuk aplikasi sistem

adsorben

(adsorption

bulb).

Setelah

adsorbed natural gas storage, disamping data

keseimbangan adsorpsi terjadi, jumlah adsorbat

karakteristik material berpori (adsorben) data

yang terserap dihitung dari perubahan tekanan

penyerapan (kinetik dan thermodinamika) juga

yang terjadi, skema keseimbangan massa dapat

[6]

dibutuhkan .

dilihat pada Gambar 1.

Paling tidak terdapat dua metoda untuk mendapatkan

data

penyerapan

(adsorption

equilibrium), pertama adalah metode langsung (metode gravimetrik/gravimetric method) dan yang kedua metode tak langsung (metode volumetrik/volumetric method). Penelitian

ini

bertujuan

untuk

mendapatkan data adsorpsi isotermal CH4 pada

Gambar 1. Skema Keseimbangan Massa pada Proses Penyerapan

karbon aktif pada tekanan sampai dengan 3,5 Kesetimbangan

MPa pada temperatur isotermal 27oC, 35oC dan 65oC

dengan

menggunakan

langsung

(metode

eksperimen

juga

akan

metoda

tak

volumetrik).

Data

dikorelasi

dengan

massa

dalam measuring cell

uap

adsorbat

dapat diasumsikan

sebagai berikut [8] : dm d,ms dt

& vv - m & ads =m


(1)

Methane Storage Pada Karbon Aktif Pada Temperatur 27oC, 35oC dan 65oC Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

Dimana: dmd,ms/dt = laju aliran massa adsorbat di measuring cell (kg/s)

0,1oC. Tekanan pada kedua silinder diukur dengan menggunakan pressure transmitter

vapour vessel (kg/s) = laju aliran massa adsorbat yang diserap oleh adsorben (kg/s).

dengan kisaran pengukuran 0-40 bar absolut (DRUCK PTX 1400) dengan akurasi 0,15%. Thermocouple kelas A tipe K digunakan untuk mengukur temperatur adsorbat (gas CH4) dan adsorben (karbon aktif). Data tekanan dan

Bahan dan Alat Uji Adsorben

47

Thermal Bath (merk HUBER) dengan akurasi

& vv = laju aliran massa adsorbat di m & ads m

ISSN 1978 - 2365

yang

digunakan

pada

penelitian ini adalah karbon aktif yang berbahan dasar batubara dari Kalimantan Timur dan karbon aktif komersial. Tabel 1 adalah properti karbon aktif yang digunakan.

temperatur direkam melalui data akuisisi (merk National Instrument). Proses awal pengujian adalah proses degasing dimana measuring cell yang telah berisi

karbon

aktif

dihubungkan

dengan

charging cell kemudian dililiti dengan pemanas (heater). Proses degassing dimaksudkan untuk

Tabel 1. Properti Karbon Aktif Karbon Aktif Komersial KT

Volume

mengeluarkan seluruh unsur atau zat pengotor Luas Permukaan

3

Mikropori m ·kg

-1

2

m ·kg

-1

karbon aktif selama penyimpanan. Proses

-4

0.885 x 106

-4

6

0.514 x 10 0.470 x 10

(impurity) yang kemungkinan terserap oleh

0.668 x 10

degassing berlangsung sampai dengan 8 jam dan selama proses sistem di vakum dengan

Metana (CH4) yang digunakan adalah

pompa vakum satu tingkat (merk ARUKI)

metana ultra high purity dengan kemurnian

sampai dengan tekanan mendekati 0,01 mbar.

99,995%.

Selama

proses

tersebut

measuring

cell

dipanaskan dengan cara dililiti dengan pemanas Alat Uji Adsopsi Isotermal

(heater) untuk menjaga temperatur karbon aktif pada

pada kisaran 130–140oC. Gas Helium (He)

prinsipnya terdiri atas dua buah silinder yaitu

dimasukkan kedalam system pada tekanan

silinder pengisian (charging cell) dan silinder

sampai dengan 7 bar untuk meningkatkan

pengukuran (measuring cell) dengan volume

proses pengeluaran zat pengotor pada karbon

masing-masing adalah 1173 ml dan 83,4 ml

aktif.

Alat

uji

adsorpsi

Isotermal

yang terbuat dari stainless steel 304 (SS 304) seperti terlihat pada Gambar 2. Kedua tabung tersebut dihubungkan dengan tube stailess steel dimana keduanya terendam dalam fluida yang temperaturnya dikendalikan oleh circulating


ISSN 1978 - 2365

Jurnal Ketenagalistrikan Dan Energi Baru Terbarukan, 48 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52 Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

HASIL DAN PEMBAHASAN Adsorpsi Isotermal Data adsorpsi Isotermal CH4 pada karbon aktif telah dilakukan pada temperatur 27, 35, dan 65oC sampai dengan tekanan 3.5 Mpa dengan

menggunakan

metoda

volumetrik.

Gambar 3 dan 4 adalah grafik adsorpsi isotermal CH4 pada karbon aktif, dari gambar tersebut terlihat bahwa adsorpsi isotermal CH4 pada karbon aktif masuk dalam klasifikasi penyerapan IUPAC tipe I [9] . Gambar 3 dan 4 juga menjelaskan bahwa

Gambar 2. Skema Alat Uji

kapasitas penyerapan CH4 semakin besar dengan semakin besarnya tekanan equilibrium Setelah proses

degassing,

kemudian

dan semakin rendahnya temperatur isotermal.

charging cell dan measuring cell direndam

Dengan demikian didapat bahwa kapasitas

dengan air yang disirkulasikan oleh circulating

penyerapan

Thermal Bath (merk HUBER) dengan akurasi

tergantung

o

0,1 C untuk menjaga agar temperatur pada

0,06

diinginkan. Setelah temperatur pada sistem

0,05

konstan (isotermal),

0,04

dimasukan

kedalam charging cell dimana sebelumnya katup yang menghubungkan antara charging cell dan measuring cell ditutup. Setelah temperatur pada charging cell kembali ke temperatur

isotermal

katup

penghubung

tersebut dibuka, proses ini adalah proses awal adsorpsi isotermal. Gas CH4 kembali diisikan pada tekanan berikutnya kedalam charging cell

Uptake (kg/kg)

CH4

temperatur

semula.

Proses

besarnya

adsorben

tekanan

dan

0,03

0,02

0,01

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Pressure (kPa)

Gambar 3. Adsorption Isotermal CH4 Karbon Aktif KT; w 27oC; 45oC; ▲65oC

setelah temperatur pada charging cell kembali pada

pada

terhadap

temperatur.

sistem konstan pada temperatur tertentu yang gas

adsorbat

tersebut

berlangsung sampai dengan tekanan pengisian 3,5 MPa. Proses di atas dilakukan kembali untuk temperatur isotermal yang berbeda.


pada ■


49

■ Karbon Aktif Komersial; Karbon Aktif KT

0,07 0,06 0,05 Uptake (kg/kg)

ISSN 1978 - 2365

▲

Korelasi Adsorpsi Isotermal

0,04

Model Langmuir dan Toth digunakan

0,03

untuk meregresi data keseimbangan adsorpsi.

0,02

Asumsi

model

Langmuir

adalah

bahwa

0,01

permukaan adsorben homogen dimana energi

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

adsorpsi konstan pada seluruh permukaan

Pressure (kPa)

Gambar 4. Adsorption Isotermal CH4 pada Karbon Aktif Komersial; w 27oC; ■ 45oC; ▲65oC Data adsorpsi isotermal CH4 pada karbon

adsorben. Model ini juga mengasumsikan bahwa adsorpsi dilokalisasi dan tiap lokasi hanya dapat mengakomodasi satu molekul atau [10]

atom

. Model Langmuir adalah sebagai

aktif yang diperoleh dibandingkan dengan data

berikut

adsorpsi isotermal yang dilakukan oleh Lee,

C = C0

Jae-Wook dkk., 2007 seperti terlihat pada

[11]

:.

k 0 . exp (hst / RT )P [(1 + k 0 exp(hst / RT )P )]

(2)

Gambar 5. Karbon aktif yang digunakan adalah

Dengan C adalah kapasitas adsorpsi per

karbon aktif (R-15) dengan luas permukaan

unit massa adsorben pada kondisi equilibrium,

1493 m2/g dengan volume pori 0,658 ml/g

.

Co adalah kapasitas penyerapan maksimum,hst

Kapasitas penyerapan yang diperoleh oleh Lee,

adalah panas adsorpsi isosterik, k0 adalah

Jae-Wook Lee, dkk., 2007

konstanta equilibrium.

[5]

lebih besar

dibandingkan dengan kapasitas penyerapan

Gambar 6 dan 7 adalah grafik data

CH4 pada pada karbon aktif KT dan karbon

adsorpsi isotermal yang diregresikan dengan

aktif komersial hal tersebut dikarenakan luas

menggunakan model persamaan Langmuir.

permukaan dan volume pori karbon aktif yang

Pada regresi yang dilakukan diperoleh nilai

digunakan lebih besar..

deviasi

data

eksperimen

dengan

persamaan adalah 3,95% untuk karbon aktif KT

0,12

dan 3,45% untuk karbon aktif komersial.

0,1

0,06

0,08

0,05

0,06

0,04

0,04

Uptake (kg/kg)

Uptake (kg/Kg)

antara

0,02

0,03

0,02

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Pressure (KPa)

Gambar 5. Adsorption Isotermal CH4 pada Karbon; w Karbon Aktif PR15;

0,01

0 0


500

1000

1500

2000

2500

Pressure (kPa)

3000

3500

4000

Jurnal Ketenagalistrikan Dan Energi Baru Terbarukan, 50 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52 Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

ISSN 1978 - 2365

CH4 pada w 27oC; ■ tebal adalah Persamaan

Gambar 8. Adsorpsi Isotermal CH4 pada Karbon Aktif KT; w 27oC; ■ 45oC; ▲65oC; Garis tebal adalah regresi dengan Persamaan Toth

biasanya

Gambar 8 dan 9 adalah grafik data

digunakan pada permukaan adsorben yang

adsorpsi isotermal yang diregresikan dengan

heterogen seperti pada karbon aktif dan juga

menggunakan model persamaan Toth. Pada

persamaan tersebut dapat digunakan pada

regresi yang dilakukan diperoleh nilai deviasi

Gambar 6. Adsorpsi Isotermal Karbon Aktif KT; 45oC; ▲65oC; Garis regresi dengan Langmuir Model

persamaan

Toth

tekanan rendah dan tekanan tinggi

[3]

. Model

antara data eksperimen dengan persamaan

persamaan Toth adalah sebagai berikut [11, 12]:

adalah 2,78% untuk karbon aktif KT dan 2,72%

k 0 . exp (hst / RT )P C = C 0 (1 + k exp(h / RT )P )t 0 st

untuk karbon aktif komersial

[

(3)

]

1/ t

0,07

dengan t adalah parameter yang mengindikasikan heterogenitas adsorben.

0,05 Uptake (kg/kg)

0,07 0,06

0,04 0,03

0,02

0,05 Uptake (kg/kg)

0,06

0,04

0,01

0,03

0 0

500

1000

0,01 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Pressure (kPa)

Gambar 7. Adsorpsi Isotermal CH4 pada Karbon Aktif Komersial; w 27oC; ■ 45oC; ▲65oC; Garis tebal adalah regresi dengan Persamaan Langmuir

Uptake (kg/kg)

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Pressure (kPa)

0,02

Gambar 9. Adsorpsi Isotermal CH4 pada Karbon Aktif Komersial; w 27oC; ■ 45oC; ▲65oC; Garis tebal adalah regresi dengan Persamaan Toth Persamaan

Toth

menghasilkan

nilai

regresi yang lebih akurat dibandingkan dengan persamaan Langmuir dimana nilai regresi

0,06

persamaan Toth adalah 2.72% sementara

0,05

persamaan Langmuir adalah 3.45% untuk karbon aktif komersial dan 2,78% dan 3,95%

0,04

untuk

0,03

karbon

aktif

KT.

Selain

karena

persamaan Toth memiliki parameter yang lebih 0,02

banyak, 0,01

persamaan

Langmuir

memiliki

keterbatasan pada tekanan yang relatif tinggi

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

dan juga dikarenakan asumsi bahwa permukaan

Pressure (kPa)

adsorben adalah homogen.



Tabel 2 dan 3 adalah besaran-besaran yang digunakan pada penyelesaian model persamaan Langmuir dan Toth

ISSN 1978 - 2365

51

DAFTAR ACUAN [1] Prauchner,

Marcos

J.,

Francisco

Rodrı´guez-Reinoso, 2008, Preparation of granular ctivated carbons for adsorption of

Tabel 2. Besaran-besaran yang digunakan pada karbon aktif KT Parameter Model Model Toth Langmuir Co (kg/kg) 0,0544 0,0636 hst/R (K) 2297,86 2160,24 ko (1/kPa) 1,54.10-06 3,11.10-06 t 0,7013 Deviasi 3,95% 2,78% Tabel 3. Besaran-besaran yang digunakan pada karbon aktif komersial Parameter Model Model Toth Langmuir Co (kg/kg) 0,0698 0,0900 hst/R (K) 1987,94 1782,74 ko (1/kPa) 2,06.10-06 4,30.10-6 t 0,6855 Deviasi 3,45% 2,72%

natural gas, Microporous and Mesoporous Materials, 109 (2008) 581–584 [2] Castello, D. Lozano, Alcaniz Monge, M.A. de la Casa-Lillo, D. Cazorla-Amoros, A. Linares-Solano, 2002, Advances in the Study of Methane Storage in Porous Carbonaceous Materials, Fuel, 81 (2002) 1777-1803 [3] Shuji Himeno, Toshiya Komatsu, and Shoichi

Fujita,

2005,

High-Pressure

Adsorption Equilibria of Methane and Carbon Dioxide on Several Activated Carbons, J. Chem. Eng. Data, 50, 369-376 [4] Pupier,O., V. Goetz, R. Fiscal, 2005, Effect of cycling operations on an adsorbed natural gas storage, Chemical Engineering

KESIMPULAN Pada penelitian ini adsorpsi Isotermal CH4 pada karbon aktif telah dilakukan pada tekanan sampai dengan 3,5 MPa dengan kisaran temperatur 27oC, 35oC dan 65oC. Kapasitas penyerapan maksimum pada karbon aktif

KT

adalah 0.05138 kg/kg pada

temperatur 27oC dan tekanan equilibrium 3495,75 kPa. Data eksperimen

dianalisis

dengan menggunakan model Langmuir dan Toth. Hasil regresi data eksperimen dengan menggunakan model Langmuir dan Toth adalah 3,45% dan 2,72% untuk karbon aktif komersial dan 3,95% dan 2,78% untuk karbon aktif KT.

and Processing 44 (2005) 71–79 [5] Lee, Jae-Wook, M. S. Balathanigaimani, Hyun-Chul Kang, Wang-Geun Shim, Chan Kim, and Hee Moon, 2007, Methane Storage

on

Phenol-Based

Activated

Carbons at (293.15, 303.15, and 313.15) K, J. Chem. Eng. Data 2007, 52, 66-70 [6] Belmabkhout,

Y.,

M

Fr`ere

and

G

DeWeireld, 2004, High-pressure adsorption measurements.A comparative study of the volumetric and gravimetric methodsMeas. Sci. Technol. 15 (2004) 848–858 [7] Keller, Jürgen U, Reiner Staudt, 2005, Gas adsorption methods


equilibria; and

Adsorptive

Experimental isotherms,

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, 52 Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan, Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52 Vol. 9 No. 1 Juni 2010 : 45 – 52

Springer Science + Business Media, Inc., Boston, United States of America, 2005 [8] Dawoud, Belal, Yuri Aristov, 2003, Experimental Study on The Kinetics of Water Vapor Sorption on Selective Water Sorbent, Silica Gel and Alumina Under Typical Operating Conditions of Sorption Heat Pumps, International Jounal of Heat and Mass Transfer, pp 273-281 [9] Bansal, Roop Chand & Meenakshi Goyal, 2005, Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis Group,USA [10]Do, Duong D., 2008, Adsorption Analysis: Equilibria and Kinetics, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, Singapore [11]Kazi Afzalur Rahman, Wai Soong Loh, Anutosh Chakraborty, Bidyut Baran Saha and Kim Choon Ng, 2009, Adsorption Thermodynamics of Natural Gas Storage onto

Pitch-Based

Activated

Carbons,

Proceedings of the 2nd Annual Gas Processing Symposium, Elsevier, 2009 [12] Wang, Xiaolin, James French, Srinivasan Kandadai, and Hui Tong Chua, 2010, Adsorption Measurements of Methane on Activated Carbon in the Temperature Range (281 to 343) K and Pressure to 1.2 MPa, J. Chem Eng. Data, Publication Date (Web) March 10, 2010


ISSN 1978 - 2365

METHANE STORAGE PADA KARBON AKTIF PADA TEMPERATUR 27 o C, 35 o C dan 65 o C

Recommend Documents