Jurnal Bioproses Komoditas Tropis Vol. 1 No. 2, Agustus 2013
PENGARUH UKURAN ZEOLITE TERHADAP PENYERAPAN KARBONDIOKSIDA (CO2) PADA ALIRAN BIOGAS Effect of Zeolite Size during Carbondioxide (CO 2 ) Adsorption in Biogas Flow Ahmad Yamliha, Bambang Dwi Argo*, Wahyunanto Agung Nugroho. Jurusan Keteknikan Pertanian - Fakultas Teknologi Pertanian - Universitas Brawijaya Jl. Veteran, Malang 65145 *Penulis Korespondensi, E-mail :
[email protected]
ABSTRAK Gas karbondioksida yang terdapat di dalam kandungan biogas berpengaruh terhadap menurunnya nilai kalor pada saat proses pembakaran, sehingga diperlukan proses lanjutan untuk memisahkan kandungan gas tersebut. Salah satu bahan adsorbent yang dapat digunakan untuk mengurangi kandungan gas karbondioksida adalah zeolite. Perbedaan ukuran zeolite dapat mempengaruhi hasil persentase penyerapan kandungan gas karbondioksida pada biogas. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui pengaruh variasi ukuran zeolite untuk menurunkan kandungan CO2 dalam aliran biogas dan efektifitas zeolite untuk menurunkan kandungan CO2 dalam aliran biogas. Pada penelitian ini zeolite yang digunakan berukuran 5 mesh, 16 mesh, 60 mesh. Untuk mengoptimalkan proses adsorpsi zeolite maka perlu dilakukan proses aktivasi terlebih dahulu, Sedangkan untuk pengambilan data dilakukan pada selang waktu yang berbeda yaitu 0, 15, 30, 45 dan 60 menit. Hasil analisa penelitian yang telah dilakukan menunjukkan rata-rata penurunan kandungan CO2 yang terbesar terjadi pada zeolite berpartikel ukuran 60 mesh yaitu sebesar 3.80 %, pada partikel 16 mesh sebesar 2.28 %,sedangkan berpartikel 5 mesh yaitu sebesar 2.02 %. Sedangkan efektifitas penyerapan CO2 oleh zeolite berpartikel 60 mesh yaitu sebesar 76.8 %, pada 16 mesh sebesar 46.1 %, sedangkan partikel 5 mesh effektitasnya sebesar 40.5 %,hal ini menunjukkan penggunaan zeolite berpartikel 60 mesh lebih effektif dan optimal bila dibandingkan dengan zeolite berpartikel 5 mesh dan 16 mesh,sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin kecil ukuran partikel zeolite mempunyai luas permukaannya semakin besar maka diperoleh daya serap (adsobansi) pada zeolite yang berfungsi untuk menurunkan kandungan CO2 dalam aliran biogas. Kata Kunci: Biogas, Zeolite, CO2, Adsorbent.
ABSTRACT Carbon dioxide contained within the biogas effect on decreasing calorific value of biogas during the combustion process, so that, it is necessary for further process to purify the gas. One of the adsorbent materials that can be used to reduce the content of carbon dioxide of the native biogas is zeolite. Differences in the particle size of zeolite may affect the percentage of absorption of carbon dioxide content of native biogas. The aim of present study was to determine the effect of variations in the particle size of zeolite to reduce the CO2 content in the biogas flow and determine the effectiveness of zeolite to reduce the CO2 content in the biogas stream. In this study, 5, 16 and 60 mesh of zeolite was used as adsorbent. In order to optimize the zeolite adsorption process, zeolite was activated by thermo-chemical reaction. The adsorption process was conducted with 0, 15, 30, 45 and 60 min of retention time. Results indicates an average reduction of CO2 content is greatest in the 60 mesh zeolite with 3.80%, while 2.28% and 2.02% for respective 16 and 5 mesh. The effectiveness of CO 2 adsorption by 60 mesh zeolite was 76.8%, while 46.1% and 40.5% for respective 16 and 5 mesh. It concludes that smaller particle of adsorbent imply more effective and optimal when compared with other particle size. Keyword: Biogas, Zeolite, CO2, Adsorbent.
PENDAHULUAN Pada saat ini sumber energi yang berasal dari bahan bakar fosil yang mempunyai sifat unrenewable (yang tidak dapat diperbahurui) makin berkurang persediaannya dan harga bahan bakar tersebut semakin mahal. Diperlukan energi alternatif yang bersifat renewable (dapat diperbaharui) untuk menggantikan bahan bakar fosil. Salah satu sumber renewable energy yang bisa membantu tersedianya
67
Jurnal Bioproses Komoditas Tropis Vol. 1 No. 2, Agustus 2013 bahan bakar selain bahan bakar minyak dan gas adalah biogas. Bahan biogas dapat diperoleh dari limbah pertanian yang basah, kotoran hewan (manure), kotoran manusia dan campurannya. Kotoran hewan seperti kerbau, sapi, babi dan ayam telah diteliti untuk diproses dalam alat penghasil biogas dan hasil yang diperoleh memuaskan (Nurtjahya, 2003). Biogas adalah gas produk akhir pencernaan atau degradasi anaerobik bahan organik oleh bakteribakteri anaerobik dalam lingkungan bebas oksigen atau udara. Komposisi biogas yang dihasilkan dari fermentasi tersebut terbesar adalah gas Methan (CH4) sekitar 54 - 70% serta gas karbondioksida (CO2) sekitar 27 - 45%. Usaha untuk mengurangi CO2 pada biogas diduga akan meningkatkan kualitas pembakaran dan kalori biogas (Nurhasanah dkk, 2008). Salah satu bahan adsorbent yang dapat mengurangi CO2 pada biogas yaitu zeolite. Zeolite adalah adsorbent yang unik, karena memiliki ukuran pori yang sangat kecil dan seragam jika dibandingkan dengan adsorbent yang lain seperti karbon aktif dan silikagel, sehingga zeolite hanya mampu menyerap molekul-molekul yang berdiameter sama atau lebih kecil dari diameter celah rongga,sedangkan molekul yang diameternya lebih besar dari pori zeolite akan tertahan dan hanya melintasi antar partikel Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolite terisi oleh molekul air yang berada disekitar kation. Bila zeolite dipanaskan maka air tersebut akan keluar. Zeolite yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan (Khairinal, 2000). Menurut (Weitkamp dan Puppe, 1999), zeolite memiliki kemampuan untuk meningkatkan konsentrasi oksigen terutama jenis mordenit. Struktur zeolite juga dapat melakukan adsorpsi dan absorbsi terhadap senyawa H2O, CO2, SO2, H2S (Weitkamp dan Puppe, 1999), dengan kemampuan penyerapan zeolite terhadap gas – gas tersebut sampai 25 % (Sutarti dan Rachmawati, 1994). Zeolite memiliki kemampuan untuk meningkatkan kemurnian biogas karena mampu menyerap semua gas pengotor utama yaitu uap air, CO2 dan H2S, namun tidak menyerap gas utama yang ingin dimurnikan yaitu CH4 (Wahono, 2008).
METODE PENELITIAN Alat dan Bahan. Bahan yang digunakan meliputi pipa PVC 4 inci, pipa PVC 0,5 inci, lem pipa, selotif, biogas, kayu, larutan HCl, sedangkan peralatan yang digunakan adalah gergaji, kran, timbangan digital, kantong plastik. Metode Penelitian. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Menurut Surachmad (1975) metode eksperimen yaitu mengadakan kegiatan percobaan untuk melihat suatu hasil yang akan menegaskan bagaimanakah kedudukan perhubungan kausal antara variabel-variabel yang diselidiki. Tujuan eksperimen bukanlah pada pengumpulan dan deskripsi data melainkan pada penemuan faktorfaktor penyebab dan faktor-faktor akibat. Prosedur penelitian meliputi tahap perencanaan dan pembuatan alat, pengujian alat, proses aktivasi zeolite, analisa penelitian, dan analisa data Pengujian alat Bahan yang digunakan adalah zeolite berukuran 5 mesh, 16 mesh dan 60 mesh sebanyak 1 kg tiap percobaan. Pengambilan data dilakukan dalam lima tahapan yaitu: 0, 15, 30, 45, 60 menit. Pengujian alat meliputi pengujian debit biogas masuk dan pengujian efektifitas penyerapan CO2 dengan zeolite. Desain Alat Penelitian Desain alat penelitian seperti terlihat pada Gambar 1. Alat berupa tabung berdiatemer 4 inchi panjang 30 cm. Pada tabung dilengkapi 2 lubang untuk pengeluaran dan pemasukkan gas. Pada kran pemasukkan ditempatkan manometer yang berfungsi untuk memonitor tekanan.
68
Jurnal Bioproses Komoditas Tropis Vol. 1 No. 2, Agustus 2013
Gambar 1. Desain Alat Penelitian
Debit aliran biogas yang masuk pada alat penyerapan dihitung dengan menggunakan persamaan: 𝑄 = 𝛾𝐴𝑉 Dimana Q : debit udara (m2/s) A : luas penampang (m2) : Bobot spesifik (kg/m3) V : kecepatan rata-rata pada suatu penampang (m/s2)
Kandungan CO2 pada sampel biogas reaksi dapat diketahui dengan menggunakan Gas Analyzer. Efektifitas penyerapan CO2 oleh zeolite didapatkan melalui persamaan:
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Data Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, pengambilan data dilakukan dengan tiga perlakukan yang berbeda, perlakukan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bentuk ukuran bahan zeolite, yaitu 5 mesh, 16 mesh, 60 mesh. Pengukuran kecepatan aliran biogas menggunakan manometer sederhana. Pengambilan sampel biogas tiap partikel zeolite dalam penelitian ini dilakukan 5 tahap yaitu pada tahap awal sebelum pemurnian, menit ke 15, menit ke 30, menit ke 45, menit ke 60. Interval waktu pengambilan sampel biogas dalam penelitian ini selama 60 menit dengan jarak 15 menit tiap pengambilan sampel biogas dikarenakan untuk mengetahui kemampuan daya serap adsorbent, karena berdasarkan penelitian sebelumnya interval pengambilan sampel menggunakan jarak 15 menit. Pada penelitian ini berat zeolite yang digunakan setiap partikelnya adalah 1 kg tiap perlakuan. Sebelum penelitian zeolite terlebih dahulu diaktivasi dengan cara dipanaskan dan direndam menggunakan 1 ml Hcl selama 24 jam.
69
Jurnal Bioproses Komoditas Tropis Vol. 1 No. 2, Agustus 2013
Kandungan Karbondioksida (CO2) Pada penelitian ini sampel biogas dilakukan analisa dengan menggunakan Gas Analyzer untuk mengetahui kandungan CO2. Alat ini dapat menganalisa secara langsung kandungan yang terdapat sampel biogas tersebut dengan hasil analisa adalah persentase volume (% volume). Terdapat kelemahan penggunaan sensor pada gas analyzer ini yaitu kemampuan membaca kandungan gas CO2 maksimal 20 %. Cara kerja alat ini adalah dengan meletakkan sampel biogas yang ditampung menggunakan plastik berperekat untuk mengurangi kebocoran agar pada saat akan dianalisa. Penelitian ini kecepatan aliran biogas dibuat agar tetap konstan menggunakan manometer. Pada saluran masuk alat penyerapan ada kran pembuka yang fungsi untuk mengatur kecepatan aliran jika terjadi penurunan tekanan. Hasil dari proses pemurnian kandungan CO2 pada penelitian ini tertera pada Gambar 2.
Gambar 2. Grafik Penurunan Kandungan CO2 Pada Proses Pemurnian. Berdasarkan grafik pada Gambar 8 dapat dilihat bahwa terjadi penurunan kandungan CO 2 pada masing-masing partikel zeolite. Pada zeolite berpartikel 5 mesh terjadi penurunan kandungan CO 2 pada sampel biogas sebesar 1.38 % dari kandungan CO2 sebelum pemurnian ke menit 15, sedangkan dari menit 15 ke menit 30 terjadi penurunan kandungan CO2 sebesar 1.95 %, kemudian kandungan CO2 dari menit 30 sampai menit ke 45 mengalami penurunan lagi sebesar 2.55 %, dan pada menit 45 ke menit 60 terjadi lagi penurunan kandungan CO2 sebesar 2.21 %. Pada zeolite berpartikel 16 mesh terjadi penurunan kandungan CO2 pada sampel biogas sebesar 1.81 % dari kandungan CO2 sebelum pemurnian ke menit 15, sedangkan dari menit 15 ke menit 30 terjadi kenaikkan kandungan CO2 sebesar 0.43 % dikarenakan volume sampel gas mengempes sehingga pada saat pengujian sensor Gas Analyzer belum sampai konstan gas telah habis, kemudian kandungan CO2 dari menit 30 sampai menit ke 45 mengalami penurunan lagi sebesar 4.05 %, dan pada menit 45 ke menit 60 terjadi lagi penurunan kandungan CO2 sebesar 2.83 %. Pada zeolite berpartikel 60 mesh terjadi penurunan kandungan CO2 pada sampel biogas sebesar 2.42 % dari kandungan CO2 sebelum pemurnian ke menit 15, sedangkan dari menit 15 ke menit 30 terjadi penurunan kandungan CO2 sebesar 3.73 %, kemudian kandungan CO2 dari menit 30 sampai menit ke 45 mengalami penurunan lagi sebesar 3.29 %, dan pada menit 45 ke menit 60 terjadi lagi penurunan kandungan CO2 sebesar 5.76 %. Rata-rata penurunan kandungan CO2 penelitian ini pada zeolite berpartikel 5 mesh yaitu sebesar 2.02 %, sedangkan zeolite berpartikel 16 mesh yaitu sebesar 2.28 %, dan untuk zeolite berpartikel 60 mesh yaitu sebesar 3.80 %. Analisa statistik (ANOVA) yang dilakukan pada data penurunan kanduungan CO 2 menunjukkan bahwa interaksi antara faktor perlakuan taraf ukuran zeolite (M) dan faktor perlakuan waktu (T) berpengaruh nyata pada penyerapan kandungan CO2 dalam aliran biogas (f hitung>0,05). Hasil yang sama terjadi pada faktor perlakuan tunggal berupa perlakuan taraf ukuran zeolite (M) yang berpengaruh nyata pada penyerapan kandungan CO2 dalam aliran biogas (f hitung>0,05). Hasil yang sama tampak pada faktor perlakuan waktu (T) yang berpengaruh nyata pada penyerapan kandungan CO 2 dalam aliran biogas (f hitung>0,05). Data penelitian diatas selama proses pemurnian kandungan CO2 dapat dilihat bahwa zeolite dapat mengurangi kandungan CO2 yang cukup bagus,hal ini dikarenakan pada saat penelitian zeolite sebelumnya mengalami proses aktivasi terlebih dahulu. Aktivasi zeolite diperlukan karena pada zeolite alam, adanya molekul air dalam pori dan oksida bebas di permukaan seperti Al2O3, SiO2, CaO, MgO, Na2O, K2O dapat menutupi pori-pori atau situs aktif dari zeolit sehingga dapat menurunkan kapasitas
70
Jurnal Bioproses Komoditas Tropis Vol. 1 No. 2, Agustus 2013 adsorpsi maupun sifat katalisis dari zeolit tersebut (Weitkamp dan Puppe, 1999). Proses aktivasi dalam penelitian ini menggunakan cara kimia dengan larutan asam (Hcl) yang berfungsi membersihkan permukaan pori, membuang pengotor, dan mengatur kembali letak atom yang dipertukarkan sehingga pori-pori didalam zeolite adsorbent semakin bersih dan mengakibatkan penyerapan kandungan gas CO 2 pada biogas semakin besar. Aktivasi asam menyebabkan terjadinya dekationisasi yang menyebabkan bertambahnya luas permukaan zeolite karena berkurangnya pengotor yang menutupi pori - pori zeolite. Penelitian ini zeolit berpartikel 60 mesh dapat menurunkan kandungan CO 2 terbesar di bandingkan dengan zeolite berpartikel 5 mesh dan 16 mesh disebabkan ukurannya yang kecil sehingga mempunyai daya serap yang tinggi. Penurunan kandungan CO2 pada biogas dapat terjadi disebabkan oleh proses penyerapan gas CO2 yang diserap ke dalam rongga-rongga zeolite. Gas CO2 yang terserap tersebut akan diuraikan menjadi satu atom C dan dua atom O. Atom C akan tetap terperangkap di rongga-rongga zeolite sedangkan atom O akan diteruskan. Menurut IUPAC (1997), penyebab terjadinya penyerapan gas CO 2 ada 3 macam, yaitu akibat reaksi termal, elektrolisis, dan adsorbent. Zeolite memiliki sifat yaitu sebagai adsorbent sehingga proses penyerapan CO2 dapat terjadi. Berikut ini adalah reaksi penguraian gas CO2 menjadi gas CO dan O2: 2CO2 2CO+ O2. Zeolite memiliki kemampuan untuk meningkatkan kemurnian biogas karena mampu menyerap semua gas pengotor utama yaitu uap air, CO 2 dan H2S, namun tidak menyerap gas utama yang ingin dimurnikan yaitu CH4 (Wahono, 2008). Dan kemampuan penyerapan zeolite terhadap gas - gas tersebut sampai 25 % (Sutarti dan Rachmawati, 1994). Efektifitas Zeolite Efektifitas dalam penelitian ini di gunakan bertujuan untuk mengetahui hubungan keberhasilan zeolite sebagai adsorbent dalam menyerap kandungan CO2 yang terdapat dalam biogas menggunakan partikel yang berbeda-beda dengan target yang dicapai, sedangkan untuk target dengan mengasumsikan bahwa kandungan CO2 yang ingin dihilangkan adalah sebesar 100 %. Berdasarkan hasil perhitungan yang telah didapatkan nilai efektifitas tertera pada Tabel1. Tabel 1. Efektifitas Penyerapan CO2 Menggunakan Zeolite. Partikel Zeolite Efektivitas (%) 5 Mesh 40.5 % 16 Mesh 46.1 % 60 Mesh 76.8 % Data dari tabel diketahui bahwa zeolite berpartikel 60 mesh mempunyai efektifitas yang lebih besar dibandingkan dengan zeolite berpartikel 5 mesh dan 16 mesh. Zeolite berpartikel 60 mesh memiliki luas permukaan yang lebih besar di karenakan mempunyai ukuran yang kecil sehingga saat kontak biogas dapat menyerap kandungan CO2 lebih optimal. Data tersebut dapat disimpulkan semakin kecil ukuran mempunyai luas permukaan lebih besar, sehingga penyerapan lebih efektif. Menurut Yuliusman dkk, 2010 bahwa zeolit dengan ukuran 50 μm mempunyai kemampuan menyerap gas CO relatif lebih banyak dibandingkan dengan zeolit ukuran 100 μm dan 150 μm,hal ini dikarenakan ukuran partikel yang lebih kecil memiliki luas kontak yang lebih besar, sehingga dapat mengadsorpsi CO lebih banyak dibandingkan dengan ukuran partikel yang lebih besar. Karena laju adsorpsi sebanding dengan luas kontak adsorbent, semakin besar luas kontak adsorben maka laju adsorpsi juga akan semakin besar. KESIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat dirata-rata bahwa penurunan kandungan CO2 terbesar terjadi pada zeolite berpartikel 60 mesh yaitu sebesar 3.80 %. Pada partikel 16 sebesar 2.28 %,sedangkan berpartikel 5 mesh yaitu sebesar 2.02 % dan penyerapan kandungan CO2 pada zeolite berpartikel 60 mesh mempunyai efektifitas lebih optimal dibandingkan zeolite berpartikel 5 mesh dan 16 mesh dikarenakan ukuran partikelnya lebih kecil mempunyai luas permukaan besar ,sehingga daya serap lebih besar. DAFTAR PUSTAKA IUPAC.
1997. Compendium Chemical Terminology; http://en.wikipedia.org/ wiki/Chemical_Decomposition;diakses tanggal 11 november 2011. Khairinal, Trisunaryanti, W. 2000. Dealuminasi Zeolit Alam Wonosari dengan Perlakuan asam dan Proses Hidrotermal. Prosiding Seminar Nasional Kimia VIII. Yogyakarta.
71
Jurnal Bioproses Komoditas Tropis Vol. 1 No. 2, Agustus 2013 Nurhasanah, Ana. Teguh Wikan Widodo, Ahmad Asari, dan Elita Rahmarestia. 2008. Perkembangan Digester Biogas Di Indonesia (Studi Kasus di Jawa Barat dan Jawa Tengah). ntb.litbang.deptan.go.id/2006/NP/perkembangandigester.doc. Nurtjahya, Eddy, Sientje D. Rumetor, Jerry F. Salamena, Elvia Hernawan, Sri Darwati Sri dan Murni Soenarno. 2003. Pemanfaatan Limbah Ternak Ruminansia untuk Mengurangi Pencemaran Lingkungan. Makalah Pengantar Falsafah Sains. Program Pasca Sarjana / S3 Institut Pertanian Bogor. Surachmad, W. 1975. Dasar Dan Tehnik Research Pengant Metodologi Ilmiah. CV Tarsito. Badung. Halaman 141- 42. Sutarti, M dan Rachmawati. 1994. Zeolit Tinjauan Literatur. Pusat Dokumentasi dan Informasi LIPI. Jakarta. Wahono, Satriyo Krido. 2008. Kajian: Pemanfaatan Zeolit Lokal Gunungkidul – Yogyakarta untuk Optimasi Sistem Biogas”, Prosdiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia 2008, ISSN 1410-5667, Teknik Kimia FTI – ITS Surabaya. Weitkamp, J. dan L. Puppe, 1999.Catalysis and Zeolites Fundamentals and Applications. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, Jerman. Yuliusman, Widodo WP, Yulianto SN, Yuda P. 2010. Preparasi Zeolit Alam Lampung Dengan Larutan Hf, HCl Dan Kalsinasi Untuk Adsorpsi Gas CO. Prosiding Seminar Rekayasa Kimia dan Proses. ISSN: 1411-4216. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang
72
