ISSN 2087-6920
JURNAL TEKNOLOGI & INDUSTRI Vol. 3 No. 1; Juni 2014
UNJUK KERJA DAN EMISI GAS BUANG MOTOR DIESEL MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR CAMPURAN MINYAK HASIL PIROLISIS LIMBAH PLASTIK DAN BIOSOLAR SEBAGAI BAHAN BAKAR ALTERNATIF *TINTON NORSUJIANTO1
1
Program Studi Teknik Mesin Otomotif, Politeknik Negeri Tanah Laut
Naskah diterima: 04 April 2014; Naskah disetujui: 03 Juni 2014
ABSTRAK Selama ini penanganan sampah kota di negara-negara berkembang seperti Indonesia hanya menimbun dan membakar langsung sampah di udara terbuka pada TPA (Tempat Pembuangan Akhir). Perlu waktu bertahun-tahun untuk menguraikan limbah dari bahan plastik tersebut. Proses recycle (daur ulang) menjadi salah satu proses untuk mengurangi sampah di landfill. Namun hanya recycle jenis plastik tertentu seperti PP, PET dan HDPE yang selama ini dimanfaatkan. Padahal ada banyak alternatif proses recycle yang lebih menjanjikan dan berprospek ke depan. Salah satunya konversi sampah plastik menjadi minyak setara bensin dan solar salah satunya dengan metode pirolisis. Reaktor yang digunakan adalah tipe batch dengan variasi temperatur 450 oC dengan laju aliran nitrogen 0,8 l/menit. Bahan baku yang digunakan limbah plastik LDPE (Low Density Polyethylene). Campuran minyak pirolisis limbah plastik dan biosolar diujikan pada motor diesel Engine Research and Test Bed Nissan Diesel SD22 Series tanpa dimodifikasi. Kata kunci : Pirolisis, Motor Diesel, Limbah Plastik LDPE dan Emisi Gas Buang
PENDAHULUAN Selama ini penanganan sampah kota di negara-negara berkembang seperti Indonesia hanya menimbun dan membakar langsung sampah di udara terbuka pada TPA (Tempat Pembuangan Akhir). Hal ini juga tidak bisa mengurangi 100% sampah dan akan menimbulkan permasalahan karena gas polutan hasil hasil pembakaran sampah yang dapat mencemari lingkungan seperti CO2, NOx, SO2 dan poly chloro dibenzzodioxins (Ermawati, 2011). Plastik mempunyai banyak kelebihan dibandingkan bahan lainnya, antara lain memiliki densitas yang rendah dan bersifat isolasi terhadap listrik. Jenis polimer plastik yang digunakan pada umumnya adalah Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), Polystyrene (PS) dan Polyvinyl Chloride (PVC). Ada dua jenis Polyethylene (PE), yaitu high density polyethylene (HDPE) dan Low Density Polyethylene (LDPE). Proses daur ulang plastik menjadi salah satu proses untuk mengurangi sampah di TPA. Namun hanya daur ulang jenis plastik tertentu yang selama ini dimanfaatkan. Padahal ada banyak alternatif proses daur ulang yang lebih menjanjikan dan berprospek ke depan. Salah satunya konversi sampah plastik menjadi minyak setara bensin dan solar. Itu bisa dilakukan karena pada dasarnya plastik berasal dari minyak bumi,
*Korespondensi penulis: Telepon/nomor faks Email
: 0512-21537 :
[email protected] [23]
sehingga tinggal dikembalikan ke bentuk semula. Penanganan sampah plastik yang efektif adalah memutus rantai polimer (fraksinasi). Metode pemecahan rantai polimer yang sudah dikenal salah satunya adalah pirolisis. Beberapa penelitian tentang konversi sampah plastik menjadi produk cair berkualitas bahan bakar, telah dilakukan dan menunjukkan hasil yang cukup prospektif untuk dikembangkan. Perbandingan karakteristik produk pirolisis serta potensi aplikasinya pada mesin diesel baru mulai dikembangkan. Secara umum (Behera dkk, 2013; Mani dkk, 2010; Guntur dkk, 2011; Kumar dkk, 2012; Pratoomyod dkk, 2013) hasil penelitian menyebutkan bahwa minyak pirolisis plastik dapat diaplikasikan pada motor diesel.
METODOLOGI Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah plastik LDPE (Low Density Polyethylene). Limbah plastik LDPE diperoleh dari industri pengolah limbah plastik bekas di Wates, Yogyakarta. Limbah plastik LDPE dipisahkan dari kumpulan limbah plastik jenis lain, kemudian dipotongpotong menjadi bagian yang lebih kecil.
Alat Pengujian Penelitian pirolisis limbah plastik menjadi bahan bakar minyak dilakukan menggunakan reaktor tipe Batch pada temperature 450 oC dengan dialirkan nitrogen dengan laju 0,8 l/menit. Temperatur optimal proses pirolisis untuk menghasilkan liquid terbanyak adalah pada temperatur 450 oC (Syamsiro, 2011). Nilai laju nitrogen berpengaruh terhadap kualitas proses pirolisis yang berlangsung dalam reaktor, semakin tinggi lajunya maka persentase produk cair akan naik. Pemanasan dilakukan menggunakan kawat nikelin (dilapisi keramik) mengelilingi dinding reaktor, insulator castable, glasswool dan alumunium foil digunakan untuk meminimalkan kalor yang terbuang dari reaktor ke lingkungan. Kondenser vetikal digunakan untuk menurunkan temperatur gas cair yang dihasilkan dari proses pirolisis. Produk cair yang dihasilkan ditampung di penampung minyak pirolisis (oil container) dan gas yang tidak terkondensasi dibuang melalui saluran gas buang (flare). Produk padat (residue) yang terbentuk sebagai sisa proses pirolisis plastik dapat diambil di feedstock reactor. Secara Umum Alat pengujian bisa dilihat pada gambar 1.
Metode Pengujian Limbah plastik yang sudah ditimbang dimasukan ke dalam reaktor, langkah selanjutnya reformer yang sudah diisi katalis natural zeolite sebarat 100 gr dipanaskan terlebih dahulu hingga 450 oC dengan tujuan mengaktifkan katalis dan selanjutnya menyalakan reaktor hingga temperaturnya 450 oC. Proses pemanasan ini disebut proses pirolisis karena proses pemberian kalornya tanpa disertai oleh adanya udara atau oksigen dan murni karena adanya perpindahan panas, konduksi, konveksi dan radiasi. Produk yang dihasilkan dari proses pirolisis degradasi termal kemudian mengalir melalui kondensor menuju ke penampung minyak. Dalam kondenser terjadi kondensasi paksa, karena gas melewati tabung yang dialiri air pada temperatur ruangan dengan debit tertentu yang konstan. Setelah gas mulai berkurang dan tidak ada lagi tetesan minyak pada tabung penampung, proses dihentikan, selanjutnya minyak dan padatan ditimbang untuk menghitung mass balance. Massa fraksi gas dapat dicari dengan cara mengurangi massa total bahan baku
[24]
dengan massa fraksi minyak dan padatnya. Pada pengujian pertama produk cair atau bisa disebut minyak pirolis ini diuji laboratorium untuk menentukan properties bahan bakar seperti spesific grafvity, kinematic viscosity at 40 oC, Pour point dan flash point. Penentuan senyawa kimia minyak pirolisis dan persentase distribusi nomor karbon senyawa kimia diperoleh dari pengujian menggunakan GC-MS (Gas Chromatography Mass Spectroscopy). Nilai kalor diperoleh dari pengujian menggunakan Automatic Bomb Calorimeter. Pada pengujian kedua minyak pirolisis plastik kemudian diujiakan pada motor diesel Engine Research and Test Bed Nissan Diesel SD22 Series tanpa modifikasi. Pengujian dilakukan dengan melakukan variasi nilai rpm motor diesel pada putaran 1600, 1800, 2000, 2300 dan 2500 rpm. Unjuk kerja mesin diesel menggunakan bahan bakar minyak pirolisis limbah plastik dicampur dengan biosolar, perbandingan campuran 05:95 (blend 5%), 10:90 (blend 10%), 15:85 (blend 15%) dan 20:80 (blend 20%) yang diukur secara eksperimental. Beberapa parameter unjuk kerja mesin diesel yang dihitung yakni torsi, daya, konsumsi bahan bakar spesifik, BMEP dan BTE serta emisi gas buang yang ditimbulkan. Spesifikasi motor diesel yang digunakan dapat dilihat pada tebel 1.
Gambar 1. Skema alat penelitian Tabel 1. Spesifikasi motor diesel Merk
:
Nissan Diesel SD22
Perbandingan kompresi
:
22:1
Displacement
:
2146 cc
Pendingin
:
Air
Diameter silinder
:
83 mm
Panjang langkah piston
:
100 mm
Jumlah silinder
:
4 silinder
Gambar 2. Grafik mass balance
[25]
HASIL DAN PEMBAHASAN
Minyak pirolisis limbah plastik Data hasil penelitian menunjukan bahwa proses pirolisis dengan temperatur 450 oC menggunkan natural zeolite fresh yang sudah dikalsinasi, limbah plastik LDPE sebagai bahan baku memberikan hasil yang cukup baik dalam menghasilkan prosentase minyak pirolisis yang lebih banyak seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Hasil pengujian properties minyak pirolisis limbah plastik LDPE dapat dilihat pada tebal 2. Setelah kita mengetahui propertis minyak pirolisis limbah plastik dan biosolar. Pengujian menggunakan GCMS (Gas Chromatography Mass Spectroscopy) diperlukan untuk mengetahui jumlah dan kandungan unsur hidrokarbonnya. Hasil dari GCMS menunjukkan bahwa rantai karbon minyak pirolisis setara biosolar (C12-C20) masih cukup besar yakni 50%, sehingga minyak pirolisis ini layak diterapkan pada motor diesel. Hasil GCMS dapat dilihat pada tabel 3. Tabel 2. Properties minyak pirolisis dan biosolar Karakteristik
Satuan
Biosolar
WPO
-
0.8445
0.8137
mm2/s
4.012
1.639
Specific Gravity at o
60/60 f Viscosity Kinematic at 40 oC
Tabel 3. Rantai karbon minyak pirolisis
Flash Point PM.c.c
o
66.5
∗)
Pour Point
o
6
21
Cloud Point
o
C
4.0
∗∗)
Water Content
% vol
Trace
Trace
Ash Content
% wt
0.076
-
Density
kg/l
0.8445
0. 137
MJ/kg
45,79
44,90
C C
Nilai Kalor
Distribusi Atom C Gasoline C4-C11
Diesel C12-C20
Heavy Oil > C20
Ket
37,68 %
50,0
%
12,30 %
WPO
3,14 %
92,77%
4,10 %
DF
o
∗) Pada suhu 10 C sudah menyala ∗∗) Cloud point tidak dapat diamati contoh berwarna gelap
Performa Motor Diesel Gambar 3. adalah grafik torsi sebagai fungsi dari putaran motor. Campuran 10% WPO memiliki torsi sedikit lebih tinggi dari pada biosolar. Campuran 5, 15 dan 20% memiliki torsi yang identik dengan biosolar, namun dengan bertambahnya putaran motor campuran 5% WPO torsinya lebih rendah lagi. Fenomena adanya nilai torsi maksimum pada putaran tertentu dikarenakan kenaikan torsi akibat kenaikan putaran mesin dibatasi waktu yang tersedia untuk pembakaran pada putaran tinggi semakin singkat dan karena adanya peningkatan rugi-rugi mekanis (Pratoomyod, 2013 dan Pulkrabek, 1997). Gambar 4. menunjukkan daya sebagai fungsi dari putaran motor yang dihasilkan oleh campuran 20 dan 10% sedikit lebih tinggi 0,15 dan 0,29%. Semakin tinggi putaran mesin maka semakin tinggi pula daya yang dihasilkan. Hal ini dipengaruhi oleh kenaikan energi yang dilepas oleh bahan bakar, maka jumlah bahan
[26]
bakar yang masuk keruang bakar semakin tinggi. Hubungan antara daya dan putaran ini membentuk kurva yang cenderung linier, namun apabila dicermati lebih lanjut kurva tersebut membentuk kurva parabolik tertutup yang mempunyai puncak pada suatu nilai tertentu. Gambar 5. menunjukkan BMEP sebagai fungsi dari putaran motor. Tekanan efektif rata rata atau BMEP didefinisikan sebagai tekanan efektif dari fluida kerja terhadap torak sepanjang langkahnya untuk menghasilkan kerja persiklus. Waste Plastics Oil (WPO) blend 10% mempunyai tekanan efektif rata rata tertinggi. Kenaikan daya membuat BMEP turun akibat rugi mekanis. Gambar 6. merupakan BSFC sebagai fungsi dari putaran motor. Specific Fuel Consumtion didefinisikan banyaknya bahan bakar yang terpakai untuk menghasilkan setiap daya motor. Idealnya, semakin kecil nilai SFC maka semakin sedikit bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan satu satuan nilai daya Dari grafik menunjukkan bahwa WPO blend 10% minyak pirolisis dan biosolar lebih rendah mengkonsumsi bahan bakar dibanding dengan biosolar 100%. Hal ini dipengaruhi oleh kombinasi antara SG, viskositas kinematis dan nilai kalor bahan bakar (Pratama, 2013). Massa jenis yang tinggi membuat bahan bakar yang dapat ditampung untuk volume yang sama lebih banyak. Nilai kalori yang tinggi berpotensi besar untuk menghasilkan daya yang besar pula untuk satu satuan massa yang sama. Selain SG, viskositas dan nilai kalor SFC dipengaruhi oleh rugi rugi seperti rugi melalui gas buang, rugi melalaui saluran pendingin dan rugi akibat gesekan. Gambar 7. adalah grafik Brake Thermal Efficiency sebagai fungsi dari putaran motor menyatakan pemanfaatan kalor yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar untuk diubah menjadi kerja mekanis, maka terdapat suatu hubungan yang signifikan antara kerja mekanis yang dinyatakan dengan daya motor, BSFC dan BTE. Peningkatan daya motor yang disertai dengan penuruan laju konsumsi bahan bakar akan meningkatkan efisiensi termis dari motor, dengan kata lain efisiensi termis berbanding terbalik dengan BSFC. Brake Thermal Eficiency fungsi putaran motor menunjukkan minyak pirolisis dan biosolar blend 10% lebih baik dari pada biosolar 100%.
Gambar 3. Grafik torsi sebagai fungsi dari putaran motor
[27]
Gambar 4. Grafik daya sebagai fungsi dari putaran motor
Gambar 5. Grafik BMEP sebagai fungsi dari putaran motor
Gambar 6. Grafik BSFC sebagai fungsi dari putaran motor
Gambar 7. Grafik Brake Thermal Efficiency sebagai fungsi dari putaran motor
[28]
Emisi Gas Buang Motor Diesel Besarnya nilai O2 menunjukkan bahwa banyak oksigen yang tidak tercampur dengan bahan bakar didalam ruang bakar atau tidak termanfaatkan. Gambar 8 adalah grafik O2 sebagi fungsi dari putaran motor menunjukkan nilai O2 campuran 5% WPO lebih besar dari pada campuran 10 dan 20% WPO temperatur 450 o
C. Kemungkinan dari periode penundaan penyalaan yang terlalu cepat, percampuran yang tidak merata, rugi
melalui saluran gas buang dan rugi melalui saluran pendingin (Pulkrabek, 1997) yang lebih besar untuk campuran 5% WPO. Gambar 9. adalah grafik CO2 sebagi fungsi dari putaran motor. Biosolar dan campuran 10, 20% WPO menunjukkan pembakarannya lebih baik dari pada Campuran 5 dan 15% WPO. Akibat rugi melalui saluran air pendingin dan rugi melalui gas buang yang besar pada campuran 5 dan 15% WPO mengakibatkan pembakaran yang kurang baik. Konsentrasi CO2 menunjukkan secara langsung kondisi pembakaran di ruang bakar, semakin tinggi maka semakin baik proses pembakarannya (Guntur, 2011). Gambar 10. adalah grafik CO sebagi fungsi dari putaran motor. Emisi CO terkecil adalah campuran 15% WPO dan emisi CO terbesar adalah campuran 20% WPO. Penyebab campuran 15% terkecil diduga akibat periode penundaan penyalaan yang terlalu cepat, sehingga tidak cukupnya waktu (atom C dan O2 bereaksi) pada siklus untuk melakukan pembakaran sempurna (Pulkrabek, 1997., Mathur, 1980., Guntur, 2011 dan Mani, 2011). Gambar 11. adalah emisi NOx sebagi fungsi dari putaran motor. Campuran 20% WPO menghasilkan emisi NOx terbesar dan campuran 5% WPO menghasilkan emisi NOx terkecil. Tinggi rendahnya nilai NOx dipengaruhi oleh temperatur pada ruang bakar (Pulkrabek, 1997., Arismunandar, 2008 dan Mathur, 1980). Pada temperatur tinggi N2 dapat terdisosiasi (terurai) menjadi monoatomik (N) sehingga monoatomik mudah bereaksi dengan O2 dan terbetuk senyawa NOx. Gambar 12. adalah grafik SO2 sebagi fungsi dari putaran motor. Emisi SO2 campuran 5% WPO lebih kecil dari pada biosolar. Diperkirakan akibat temperatur pembakaran yang lebih rendah dan penambahan minyak nabati (biodiesel) sebesar 7,5% pada bahan bakar solar memberi dampak positif karena minyak nabati tidak mengandung sulfur. Campuran 10% WPO menghasilkan emisi SO2 terbesar yang diduga akibat dari temperatur pembakaran yang tinggi. Terdapatnya SO2 dipengaruhi oleh kandungan sulfur pada bahan bakar dan temperatur yang tinggi didalam ruang bakar (Pulkrabek, 1997).
Gambar 8. Grafik O2 sebagi fungsi dari putaran motor
[29]
Gambar 9. Grafik CO2 sebagi fungsi dari putaran motor
Gambar 10. Grafik CO sebagi fungsi dari putaran motor
Gambar 11. Grafik NOx sebagi fungsi dari putaran motor
Gambar 12. Grafik SO2 sebagi fungsi dari putaran motor
[30]
KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1.
Minyak pirolisis limbah plastik sangat layak untuk dikembangkan untuk menjadi bahan bakar alternatif.
2.
Nilai beberapa properties produk cair WPO tidak mempunyai perbedaan yang signifikan dengan biosolar
3.
Penambahan WPO pada biosolar cenderung menurunkan BSFC.
4.
Bahan bakar campuran minyak pirolisis dan biosolar mempunyai pengaruh yang signifikan dan dapat digunakan langsung pada motor diesel tanpa modifikasi.
5.
Bahan bakar blend yang baik untuk pencampuran adalah WPO blend 10 s/d 15%, karena torsi, daya, BMEP, BSFC dan BTE lebih tinggi dari pada Bisolar 100%.
6.
Emisi gas buang yang dihasilkan O2, CO2, CO, NOx dan SO2 maksimal 14%, 13%, 110 ppm (0,011%), 340 ppm (0,034%) dan 65 ppm (0,0065%).
UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih pada Prof Kunio Yoshikawa, Moch Syamsiro, Putri Noviasri dari Tokyo Institute of Technology dan Prof Harwin Saptoadi, Sutoyo, Prabuditya Bhisma, Danni K, Gunawa, Nosal N.P dari Univeritas Gadjah Mada, yang telah membantu pada penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA Bawase. M.A, Reve. S.D, Shet. S.V and Saraf. M.R, 2012, Carbon Number Distribution by Gas Chromatography for Identifi Cation of Outlying Diesel Sample, Journal of AdMet Paper No. Behera P., Marugan S., 2013, Combustion,performance and emsission parameters of used transformer oil and its diesel blends in DI diesel engine, Journal of Fuel 104, pp. 147-154Guntur R., Kumar D., Reddy., VK., 2011, Experiment evaluation a diesel enine with blends of diesel-plastic pyrolysis oil, IJEST, ISSN: pp. 0975-5462 Ermawati R., 2011, Konversi Limbah Plastik Sebagai Sumber Energi Alternatif, Jurnal Riset Industri Vol V, No.3 Guntur. R, K. Deva., R.K. Vijaya., 2011, Experimental evaluation of a diesel engine with blends of dieselplastic pyrolysis oil, Journal of IJEST, Vol.3, No.6 Heywood JB,1998, Internal Combustion Engine Fundamental. McGraw Hill Publications p.491–667. Istadi, 2011, Teknologi Katalis untuk Konversi Energi : Fundamental dan Aplikasi, Graha Ilmu, Yogyakata. Mani M., Nagarajan G., Sampath S., 2010, An experiment on a DI diesel engine using waste plastic oil with exhaust gas recirculation, Journal of Fuel 89, pp. 1826-1823. Mani S., Subash., Nagarajan., 2009, Performance, emission and combustion of a DI diesel engine using waste plastic oil, Journal of Applied Thermal Engineering 29, pp. 2738-2744. Mani M., Nagarajan G., 2009, Influence of injection timing on performance, emission and combustion characteristics of diesel engine running on waste plastic oil, Energy 34, pp. 1617-1632.
[31]
Nolan D., 1996, Handbook of fire and explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical dan related facilities, Noyes Publications, New Jersey, USA Patel.N.S., Desai K.D, 2013, Waste Plastic Oil As A Diesel Fuel In The Diesel Engine:A Review. Journal of IJERT vol 2, Issue 3 Pratoomyod. J., Laohalidanond. K, 2013, Performance and Emission Evaluation of Blends of Diesel fuel with Waste Plastic Oil in a Diesel Engine, Journal of IJESIT Vol 2, Issue 2 Pratama., 2013, Kajian Eksperimental Karakteristik Dan Aplikasi Minyak Hasil Pirolisis Limbah Plastik Sebagai Bahan Bakar Alternatif Pada Motor Diesel Dan Kompor Minyak Bertekanan, Tesis, Jurusan Teknik Mesin dan Industri, UGM Yogyakarta Pulkrabek, W.W., 1997, Engineering Fundamental of Internal Combustion Engine, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey Scheirs.J., Kaminsky.W., 2006, Feedstock Recycling and Pyrolysis of Waste Plastics : Converting Waste Plastics into Diesel and Other Fuels, John Wiley & Sons, Ltd., West Sussex, UK. Syamsiro. M, Prawisudha. P, Wu hu, Yoshikawa. K, 2011, Co Produstion of Liquid and Gas Fuel from Waste Plastics, The 4th AUN/SEED-Net Regional Conference on New and Renewable Energy Lenghaus, K., Qiao, G. G., Solomon, D. H., Gomez, C., Reinoso, F. R. and Escribano, A. S., 2001, “Controlling carbon microporosity: the structure of carbons obtained from different phenolic resin precursors”, Polymer Science Group , Department of Chemical Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria 3010, Australia, hal. 743 – 749. Novacov, 2008, “Reaction of phenol formaldehyde novolac resin and hexamethylene-tetramine in OH containing solvents as medium”, Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, Bulgaria, hal. 29-34. Poljansek, I. dan Krajnc, M., 2005, “Characterization of phenol-formaldehyde prepolymer resins by in line FT-IR spectroscopy”, Scientific Paper, Ljubljana, Slovenia. Rosarica, B., 2003, “Pembuatan resin phenol formaldehyde: pengaruh penambahan hexamine”, Laboratorium Teknologi Polimer Tinggi Jurusan Teknik Kimia, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Solomons, G. T. W., dan Fryhle, C. B., 2004, “Organic chemistry”, vol. 8, John Willey and Sons. Inc, North America, hal. 23, 35-38. Zulkaidir, 1997, Karakterisasi resin phenol formaldehyde dari hasil polimerisasi kondensasi dengan perbandingan tertentu, Skripsi. USU, Medan.
[32]
