Tinjauan Kinetika Pyrolysis Limbah Polystiren

Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan” 2012

Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia Yogyakarta, 6 Maret 2012

ISSN: 1693-4393

Tinjauan Kinetika Pyrolysis Limbah Polystiren Tjukup Marnoto dan Endang Sulistyowati Teknik Kimia, Fak Teknologi Industri, UPN “Veteran” Yogyakarta. Jln. SWK 104, Lingkar utara Condongcatur, Yogyakarta. 55283 Email : [email protected]

Abstract Plastic waste in the world is increasing along with rising production and consumption of plastic materials, plastic materials is one of polystiren (PS). The handling plastic waste causes air pollution, while only a fraction of plastic waste is recycled, and ordinary plastics are not biodegradable. Pyrolysis one of the most promising alternative and it can convert plastic waste into valuable raw materials without generating emissions of toxic gases such as combustion. This paper presents the pyrolysis of granular and cork PS, it's performed in the batch reactor. Operating temperature varied at 700 - 1002oC. Polystirene pyrolysis yield are styrene, isopropyl benzene, toluene, benzene and xylen, as the main outcome is styrene and isopropyl benzen. This reaction follows the first order of reaction and the reaction rate constant (k) follow the Arhenius equation. Activation energy of PS Granular material is greater and otherwise the collision factor is smaller than the PS cork mater At the same operating conditions, the pyrolysis of polystirene granular product more than polystirene cork. The liquid obtained from PS cork is 18, 8 grams and 21.1 grams of PS granular. Keywords: Kinetics, pyrolysis, polystirene, cork, granular.

Pendahuluan Konsumsi maupun produksi bahan bahan polimer semakin meningkat diseluruh dunia, sehingga peningkatan jumlah limbah polimer sangat pesat, hal ini menciptakan masalah lingkungan yang serius. Bahan plastik yang paling besar digunakan di dunia adalah polyetilena (PE), Polyvinilckhorida (PVC) Polypropilena (PP) dan Polystirena (PS). Sampai saat ini,sebagian besar limbah plastik telah ditimbun atau dibakar bersama dengan limbah rumah tangga lainnya. Penanganan limbah plastik semacam ini menyebabkan polusi udara oleh gas beracun yang dihasilkan dari proses pembakaran. Limbah plastik hanya sebagian kecil didaur ulang, sementara sebagian besar plastik tidak biodegradasi. Sehingga limbah ini perlu diperlakukan secara memadai untuk mencegah masalah lingkungan dan memungkinkan pembangunan berkelanjutan bagi masyarakat modern. Pyrolysis sebagai salah satu alternatif yang paling menjanjikan. Pyrolysis dapat mengkonversi plastik terbuang menjadi bahan baku berharga atau bahan bakar tanpa menghasilkan emisi gas beracun dari proses itu sendiri tidak seperti pembakaran. Pyrolysis adalah teknik memecah bahan komplek menjadi molekul-molekul yang lebih kecil dengan pemanasan pada suhu tinggi. Pyrolysis mempunyai beberapa keuntungan, karena dapat mendaur ulang polimer menjadi bahan-bahan yang bernilai seperti

pada pyrolysis Polystirena menghasilkan stirena sebagai bahan bauku polysterena,tluen, isopropilbenzen, Benzen, etil benzen, xelena(Cooley & William, 2003). Pada artikel ini hanya akan membahas pyrolysis Polysterena. Polysterena mempunyai rumus molekul :

Gambar 1: Rumus molekul Polystiren Sifat fisis Polystirena pada suhu kamar berupa padatan dengan spesifik grafity 1,054, melunak pada suhu 100oC, pada suhu 120-180oC menjadi cairan kental dan pada suhu 250oC menjadi encer. Polystirena larut dalam ester, hidrokarbon aromatis dan tidak larut dalam hidrokarbon alifatis. (Cowd, 1991; Shinroku Saito,1995). Penggunaan Polystirene berupa gabus atau yang sisebut Styrofoam dan juga bentuk plastic (pada penelitian ini berbentuk granular). Menurut Bellmeyer (1984) hasil utama reaksi pyrolisys PS adalah Stirena (40%) dan Toluen (2,4%) dan produk lain dengan jumlah yang kecil. Reaksi pirolisis stirena berbasis polimer dapat dimodelkan sebagai pemotongan rantai akhir, atau lebih fleksibel merupakan

kombinasi degradasi acak dan spesifik terhadap monomer, dimer, trimer, dan seterusnya. rantai yang lemah [Madras et al, 1997. ; Cha et al, Menggabungkan kedua jalur reaksi dapat 2002]. Pada ikatan posisi tertentu akhir polimer diasumsikan degradasi polimer terjadi dengan dengan energi ikatan relatif rendah mudah diserang pemotongan acak dan secara bersamaan/simultan. oleh rantai-akhir pemotongan, melepaskan PolyStirena→Stirena + Toluen + Isopropil Benzen + Benzen + Xylena Oleh karena reaksi secara simultan , dapat didekati dengan reaksi paralel seperti berikut :

ki

Stiren Toluen Isopropil Benzen Benzen Xylen

Poly Stiren

Pyrolysis PS dilakukan di dalam reactor batch, reaksi ini mengikuti order satu, dan harga konstanta kecepatan reaksi (k) dianggap mengikuti persamaan Arhenius (Westerhout et al, 1997; Aguado et al, 2003; Aboulkas et al,2011), merujuk neraca massa disekitar reaktor didapat:

Apabila:

(5)

atau (6)

(1) Persamaan Arhenius untuk konstanta kecepatan reaksi :

atau: (2)

atau (3) (7)

Hasil integrasi dari persamaan tersebut adalah : Metodologi (4)

Alat alat yang digunakan dapat dilihat pada skema rangkaian alat yag ditunjukan pada gambar 2

7

2

5

Keterangan:

6

3

8 4 9 1 10

Gambar 2. Rangkaian alat

D08-2

1. Tangki Nitrogen 2. Valve 3. Premanas 4. Regulator 5. Reaktor 6. Termokopel 7. Isolator 8. Condensor 9. Termometer 10. Penampung hasil

Bahan Polistirena yang digunakan adalah polystirena gabus (stirofoam) dan glanular, bahan ini ditimbang seberat 30 gram dan dimasukan ke dalam reaktor dan ditutup rapat, selanjutnya dialiri gas N2 untuk mengusir udara dari sistem reaktor. Selanjutnya reaktor dipanaskan sampai suhu reaksi yang diinginkan (ditentukan).Cairan atau embuknan yang pertama kali diambil adalah merupakan akumulasi cairan pada suhu dibawah yang diinginkan. Pengambilan sampel berikutnya dilakukan dengan interval waktu tertentu. Pyrolysis dihentikan setelah tidak ada lahgi hasil cairan. Hasil cairan selanjutnya di analisis dengan gas kromatografi.

Gambar 2. Hasisl Pyrolysis PS Gabus dalam fraksi berat

Hasil dan Pembahasan Bahan baku yang berawal bentuk padatan dengan pemanasan didalam reaktor meleleh menjadi cairan, pada suhu proses pyrolysis hasil berupa uap dan dikondensasi di dalam konensor. Kondensat berwarna kekuning-kuningan dan semakin tinggi suhu warna cairan menjadi kecoklatan, hal ini menunjukan semakin tinggi suhu fraksi senyawa yang bereaksi semakin banyak dengan hasil senyawa yang lebih berat. Variasi suhu yang dilakukan adalah 700oC, 748oC, 802oC, 849oC, 900oC, 947oC dan 1002oC. Sisa bahan yang tidak bereaksi sebagai residu berwarna coklat kehitaman dan mudah memadat saat reaktor turun suhunya. Polystiren tidak hanya tersusun oleh monomer-monomer stiren, akan tetapi ada bahan aditif tambahan misalnya untuk pembusa dan filer, sehingga diasumsi berat polystiren sama dengan berat cairan hasil, Berat cairan hasil dari PS Gabus adalah 18,8 gram dan PS Granular adalah 21,1 gram. Dengan analisa kromatografi gas, dapat diketahui prosen berat senyawa-senyawa didalam cuplikan. Senyawa-senyawa yang terindentifikasi dengan analisa gas kromatografi yaitu stirena, toluen, isopropil benzen, benzen dan xylen. Berat senyawa pada berbagai suhu diperoleh dengan prosen berat dikalikan dengan berat cairan hasil pada bernagai suhu, sedangkan fraksi berat merupakan berat senyawa dibagi dengan berat cairan hasil. Fraksi berat pada cairan hasil pyrolysis dapat dilihat pada gambar 3 dan 4. Senyawa stiren dan isopropil benzen merupakan hasil pyrolysis yang paling banyak baik dari bahan PS Gabus maupun Granular, bahkan pada suhu tinggi hasil stiren dan isopropil benzen semakin dominan. Pada suhu 1002oC hasil stiren dari PS Gabus dan Granular adalah 2,069 gram dan 2,254 gram, sedangkan isopropil bensen adalah 1,954 gran dan 2,986 gram.

Gambar 3. Hasisl Pyrolysis PS Granular dalam fraksi berat. Merujuk persamaan 5, maka fraksi berat senyawa adalah konversi PS yang membentuk senyawa tersebut. Konversi keseluruhan merupakan jumlah dari konversi PS yang menjadi senyawa-senyawa. Dengan persamaan 6 dapat dievaluasi harga konstante kecepatan reaksi dari masing-masing senyawa pada berbagai variasi suhu. Gambar 4 menunjukan konstante kecepatan reaksi (k) pada pembentukan senyawa dari PS Gabus dan gambar 5 dari PS Granular. Dari gambar 4 dan 5 menunjukan bahwa senyawa stiren dan isopropil benzen merupakan hasil utama pyrolysis PS dengan konstanta kecepatan reaksi yang paling menonjol dibanding dengan senyawa-senyawa lain, dan pada suhu yang semakin tinggi harga k semakin besar. Konstanta kecepatan reaksi pyrolysis polystiren mengikuti persamaan Archenius (persamaan 7) dan dengan logaritma persamaan tersebut, menjadi persamaan linier dengan variabel ln(k) dan variabel bebas (1/T) dengan slope (E/R) dan intersept (ln A), sehingga dengan regresi data 1/T VS –ln(k). Gambar 6 dan 7 menunjukan bahwa data –ln(k) eksperimen tidak jauh berbeda dengan data regresi, sehingga dari persamaan regresi diperoleh nilai-nilai (E/R) merupakan energi aktivasi per konstanta gas ideal (R) dan D08-3

faktor tumbukan (A) dari masing masing senyawa. Tabel 2 menunjukan hasil evaluasi enertgi aktivasi (E/R) serta faktor tumbukan (A) dari pyrolysis PS Gabus dan Granular.

Gambar 7: -ln(k) VS 1/T untuk PS Granular Tabel 1, menunjukan bahwa energi aktivasi dari masing-masing senyawa hasil pyrolysis PS Granular lebih besar dari hasil pyrolysis PS gabus, artinya untuk mengurai atau mendegradasi polymer granular yang lebih padat memerlukan energi yang lebih besar dibanding polymer gabus yang kurang rapat. Sebaliknya faktor tumbukan PS granular lebih kecil dibandingkan dengan PS Gabus, hal ini karena PS granular yang relatif lebih padat kerapatan antar molekul lebih rapat sehingga aliran panas secara konveksi lebih mudah, dibanding PS Gabus. Merujuk nilai energi aktivasi yang merupakan slope dari persamaan (7) maka pyrolysis PG Granular dengan meningkatnya suhu kenaikan kecepatan reaksi nya lebih cepat dibanding PS Gabus, sehingga hasil senyawa pyrolysis lebih banyak dibanding PS Gabus.Seperti pada suhu 1002oC hasil stiren dari PS Gabus dan Granular adalah 2,069 gram dan 2,254 gram, sedangkan hasil isopropil benzen adalah 1,954 gran dan 2,986 gram.

Gambar 4 : Konstanta kec. Reaksi untuk PS Gabus

Gambar 5: Konstanta kec. Reaksi untuk PS Granular

Tabel 1 : Energi Aktivasi (E/R) dan Faktor tumbukan (A) PS. Gabus

PS. Granular

Senyawa

E/R

A

E/R

A

Stiren ip-Benzen

6189.9 11125

0.122444 0.002676

11310 23772

0.006217 2.46E-07

Toluen

7057.6

0.243169

11277

0.024256

Benzen Xylen

11155 8861

0.005034 0.147033

24576 13783

6.94E-07 0.009224

Kesimpulan Pyrolysis Polytriren (PS) Gabus dan Granular dilakukan pada suhu antara 700oC sampai dengan 1002oC, menghasilkan senyawa-senyawa Stiren, Isopropil Benzen, Toluen, Benzen dan Xylen. Hsil yang dominan dari kedua bahan

Gambar 6: -ln(k) VS 1/T untuk PS Gabus

D08-4

baku adalan Stiren dan Isopropil benzen, pada suhu 1002oC hasil stiren dari PS Gabus dan Granular adalah 2,069 gram dan 2,254 gram, hasil isopropil benzen adalah 1,954 gran dan 2,986 gram. Reaksi pyrolysis polysteren mengikuti reaksi order satu dan konstante kecepatan reaksi mengikuti persamaan Arhenius. Mendegradasi PS Granular memerlukan energi aktivasi yang lebih besar dan sebaliknya faktor tumbukannya lebih kecil dibanding degradasi PS gabus. Pada kondisi operasi yang sama, hasil pyrolysis PS Granular lebih banyak dibanding PS gabus, cairan diperoleh dari PS Gabus adalah 18, 8 gram dan PS Granular 21,1 gram.

http://chemeducator.org/sbibs/s0008005/spa pers/850309rw.htm. Hyun-Seob Song, Joo Sung Lee and Jae Chun Hyun, 2002, A Kinetic Model for Polystyrene (PS) Pyrolysis Reaction, Korean J. Chem. Eng., 19(6), 949-953. Karaduman ,A., Simsek, E.H., Cicek, B., Bilges, A.Y., 2001, Flash pyrolysis of polystyrene wastes in a free-fall reactor under vacuum, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 60: 179–186 Onwudili, J. A., Insura, N., Williams, P. T., 2009, Composition of products from the pyrolysis of polyethylene and polystyrene in a closed batch reactor: Effects of temperature and residence time, J. Anal. Appl. Pyrolysis : 293–30 Seung-Soo Kim, Seungdo Kim, 2004, Pyrolysis characteristics of polystyrene and polypropylene in a stirred batch reactor,Chemical Engineering Journal 98: 53–60 Westerhout, R. W. J., Waanders, J., Kuipers, J. A. M., and Van Swaaij, W. P. M., 1997, Kinetics of the Low-Temperature Pyrolysis of Polyethene, Polypropene, and Polystyrene Modeling, Experimental Determination, and Comparison with Literature Models and Data, Ind. Eng. Chem. Res., 36, 1955-1964

Pustaka Aboulkas, A., El harfi, K., Nadifiyine1, M. and Benchanaa, M., 2011, Pyrolysis behaviour and kinetics of Moroccan oil shale with polystyrene, Journal of Petroleum and Gas Engineering Vol. 2(6), pp. 108-117 Aguado, R., Olazar, M., Gaisán, B., Prieto, R., Bilbao,J., 2003, Kinetics of polystyrene pyrolysis in a conical spouted bed reactor, Chemical Engineering Journal 92 : 91–99. Billmeyer,W.F.,1984, TextBook of Polymer Science, John Eiley&Sins,Inc, New York. Cooley, JH. and Williams, R.V., 2003, The Pyrolysis of Polystyrene, The Chemical Educator, Vol. 8, No. 5.

D08-5