PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
un COBA
AW AL PENURUNAN SOx DAN NOx PADA GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON Budi Setiawan, Farida Emawati, Sumaryadi Pustek Akselerator dan Proses Bahan, BATAN Yogyakarta
ABSTRAK UJI COBA AWAL PENURUNAN SOx DAN NOx PADA GAS BUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON. Telah dilakukan uji coba penurunan kandungan SOx dan NOx pada gas buang kendaraan bennotor. Uji coba ini dimaksudkan untuk mempelajari kemungkinan penurunan gas pencemar SOx dan NOx pada gas buang PL TU Batubara. Aliran gas dilewatkan Mesin Berkas E1ektron pada daya 300 KeV dan variasi arus 1, 1,25, 1,4, 1,75 mA. Dengan menambah aliran NH3, diketahui adanya penurunan N02 sampai 100% dan S02 terlihat kecenderungan menurun. Serla diketahui tanpa aliran NH3 maka akan terjadi kenaikan gas N02 5-8 kali
ABSTRACT PRELIMINARY TEST DECREASING SOx AND NOx IN VEHICLE EXHAUST GAS EMISSION. The test was conducted to study the decrease of emsission gas SOx and NOx in Coal Powered Electrocity Generaor Gas. The flow of the gas goes through in Electron Beam Machine in 300 KeV and current variance of 1, 1.25, 1.4, and 1.75 mA. By adding NH3, there is a decrease of N02 up to 100% and tend that S02 also decrease. It is also known that without NH3 there is increase of N02 up to 5-9 times
PENDAHULUAN dan pertumbuhan ekonomi yang Pembangunan demikian pesat akan mengakibatkan peningkatan kegiatan di sektor industri dan transportasi yang akan membawa dampak negatif terhadap penurunan kualitas udara, dan tentu saja berlawanan atau bertentangan dengan UU Nomor 23 Tahun 1997 tentang pengelolaan Lingkungan Hidup yang tertuang dalam pasal 1 ayat 7 yang berbunyi : Pelestarian daya dukung lingkungan hidup adalah rangkaian upaya untuk melindungi kemampuan lingkungan hidup terhadap tekanan perubahan danJatau dampak negatif yang ditimbulkan oleh suatu kegiatan, agar tetap mampu mendukung perikehidupan manusia dan makhluk hidup lain. Berdasarkan dan UU tersebut pembangunan dan pertumbuhan ekonomi serta kemajuan industri otomotif membawa dampak negatif yang demikian besar yang tidak mampu untuk mendukung perikehidupan manusia dan makhluk hidup lainnya. Pencemaran udara sangat berdampak terhadap kesehatan manusia, melalui kontak dengan kulit, mata dan dapat masuk kedalam tubuh melalui Budi Setiawan, dkk.
sistem pemafasan dan hal ini jelas akan sangat mengancam kesehatan manusia. Akibat yang ditimbulkan dan pencemaran udara tersebut antara lain adalah kita akan terserang pusing, sakit kepala, daya tangkap melemah (akibat CO), radang saluran pemafasan (akibat S02), iritasi mata, mal fungsi pada paru - paru (akibat N02) dan berbagai penyakit lain dari buangan yang beredar diatas udaranya. (3) Mengingat bahaya akan pencemaran udara yang diakibatkan oleh emisi gas buang tersebut maka diperlukan penanganan untuk mengurangi jumlah kadar polutan yang ada di udara. Adapun diantaranya yang merupakan penangannya yaitu : diversifikasi energi, penggunaan bahan bakar tanpa timbal dan aplikasi teknologi dsb. Upaya lain untuk meminimalisasikan S02 dan NOx pada emisi gas buang kendaraan bermotor adalah dengan menggunakan suatu alat yang disebut dengan MBE (Mesin Berkas Elektron) yang terdapat di BATAN. Teknologi plasma non termal yang bekerja pada temperatur rendah (non equilibrium) telah mulai diketahui pada tahun 70-an. Pada teknologi ini kita dapat menciptakan elektron berenergi tinggi yang
ISSN 1410 - 8178
125
PENELITIAN
PRO SIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
Pusat Teknologi
Akselerator
Yogyakarta,
NUKLIR
don Proses Bahan
28 Agustus 2008
bersumber dari sumber listrik tegangan tinggi. Teknologi plasma non termal dibedakan menjadi dua kelompok dasar yaitu elektron beam irradiation atau lebih dikenal sebagai Mesin Berkas Elektron (MBE) dan electrical corona discharge.(4) Oengan MBE tersebut dapur gas buang dari kendaraan bermotor (knalpot) dialirkan dengan suatu media yang berupa selang ke MBE, selanjutnya dilakukan uji laboratorium untuk mengetahui seberapa besar pengaruh MBE tersebut terhadap penurunan emisi gas buang dari kendaraan bermotor tersebut yang berupa S02 dan N02• Ini merupakan studi rekayasa untuk sepeda motor yang mempunyai debit gas buang 10,159 L/menit dan suhu 70-89 °C dan nantinya akan digunakan untuk aplikasi pada gas eerobong industri.
Setelah keluar dari sumber elektron, berkas elektron dilewatkan melalui tabung pemereepat untuk dinaikkan energinya hingga meneapai energi yang diinginkan.
a. Sumber elektron
b. Tabung pemereepat Tegangan terisolir
dan
Mesin Berkas Elektron (MBE) Mesin Berkas Elektron merupakan hasil usulan suatu program litbang raneang bangun oleh para peneliti bidang akselerator di BA TAN pada tahun 1998. dan pada tahun 2003 mesin tersebut telah selesai kontruksinya. Teknologi MBE adalah teknologi nuklir yang banyak dimanfaatkan di bidang industri untuk proses radiasi berbagai prod uk industri. Oi negara maju pemanfaatan MBE untuk kepentingan industri sudah lama digunakan begitu juga dalam bidang lingkungan dan kedokteran. Adapun dalam bidang industri antara lain digunakan untuk: I. Proses pembuatan isolasi kabel tahan suhu tinggi dan euaea. 2. Proses vulkanisasi permukaan ban mobil. 3. Sterilisasi minuman dan makanan. 4. Proses pelapisan bahan kemasan jenis plastik, metal dan pelapisan kayu lapis. Oalam bidang lingkungan antara lain digunakan untuk pengolahan limbah polusi industri gas S02 dan N02. Dan dalam bidang kedokteran digunakan untuk sterilisasi peralatan medis.
Komponen (MBE)
utama Mesin Berkas Elektron
e. Generator Coekeroft Walton Gambar I. Komponen Elektron
H,SO• No,. He! Dioxin
Prinsip kerja Mesin Berkas Elektron (MBE)
126
utama mesin
Mesin Berkas
Hal ini dilakukan dengan eara memasang tegangan listrik pada elektroda-elektroda tabung pemereepat. Agar berkas elektron dapat mengenai seluruh permukaan bahan yang diiradiasi, maka berkas elektron setelah keluar dari tabung pemereepat disken menggunakan sistem pemayar (scanning system). Material yang diiradiasi dilewatkan di bawahjendela MBE. Adapun mekanisme dari prinsip pembersihan gas dengan E-Beam adalah :
Mesin Berkas Elektron (MBE umumnya terdiri dari komponen - komponen utama yang berupa : I. Sumber elektron (gambar I.a) 2. Tabung pemereepat (gambar I.b) 3. Generator tegangan tinggi (gambar I.e) 4. Sistem pemayar dan vakum (gambar I.d) 5. Serta instrumentasi dan kendali (gambar I.e)
Berkas elektron di dalam Mesin Berkas Elektron dihasilkan oleh sumber elektron seeara emisi termionik pada mamen yang dipanaskan.
d. Sistem Vakum
e. Meja kendali
Gambar 2. Prinsip MBE
ISSN 1410 - 8178
HNO,
..!!!:!.1..!!!:!.1'
dari
(N"'),$O. NH,NO, NH.CI ~o",poud
pembersihan
gas dengan
Budi Setiawan, dkk
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
PENELITIAN
NUKLIR
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
Dan adapun mekanisme dari reaksi elektron adalah sebagai berikut :
yang dikenai paparan MBE dan sambungannya ke detektor. 2. MBE dioperasikan sesuai arus dan tegangan yang diinginkan, 1, ],25, 1,4,],75 mA dan 300 KY.
3. Motor dihidupkan, alirkan gas buang menuju MBE serta output menuju detektor. 4. Diukur konsentrasi kandungan SOz dan NOz. 5. Disiapkan aliran uap NH40H, dengan memanaskan NH40H serta mengalirkan ke saluran gas buang menuju reaktor MBE. 6. Diukur konsentrasi kandungan S02 dan NOz. 7. Percobaan diulang untuk arus 1, 1,25, 1,4,1,75 mA dan daya 300 KeY. Gambar 3. Mekanisme reaksi dan proses neraca elektron
akibat
dari
Dari Gambar 2 dan 3 dapat kita Jihat bahwa perubahan dari reaksi kimia yang terjadi akibat adanya proses neraca elektron atau E -beam Process adalah dalam waktu yang sangat singkat.
Gambar 5. Detektor Gas S02 / NOz HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 4. Kotak reaktor elektron
pemaparan
radiasi
Pada penelitian ini sumber gas buang diambilkan dari sepeda motor. Pengukuran konsentrasi menggunakan Gas A]ert Detector yang mampu mengukur sampai konsentrasi ppm. Adapun ruang lingkup penelitian meJiputi pengukuran gas buang setelah melewati MBE dan pengaruh gas NH3 pada reaksi yang terjadi pada reaktor MBE terhadap gas buang, pada variasi tegangan dan arus dari MBE.
Dari pengukuran kontrol yaitu pengukuran kandungan SOz dan N02 dan hasil buang tanpa perlakuan menunjukkan konsentasi S02 tak terukur (over load) dan NOz 0,7 ppm. Hasil peneJitian yang dilakukan pada emisi gas buang kendaraan bermotor terhadap parameter S02 dan N02 melalui MBE tanpa NH3 dengan variasi arus (i) : 1 mA. 1,25 mA, 1,4 mA, 1,75 mA dan daya (D) : 300 KeY dapat disajikan pada Tabel I berikut.
Tabel 1. Hasil penelitian parameter S02 dan N02 melalui MBE tanpa NH3 dengan variasi arus (i) : 1 mA. 1,25 mA, 1,4 mA, 1,75 TAT A KERJA mA dan daya (D): 300 KeY O OL L OL OL OL OL 1,25 1,4mA mA Kadar SOz dalam ppm 3,7 5,6 4,7 5,5 1,75mA 3,9 3,8 55,4 4,6 ,5 5,6 Ulangan Bahan 32 1 1 mA I Kadar N02 dalam ppm Larutan NH40H dan Gas buang kendaraan bermotor. Alat
Seperangkat Mesin Berkas Elektron (MBE), Gas Alert Detector (SOz dan NOz) serta Peralatan Laboratorium. Cara Kerja I. Disiapkan rangkaian aliran gas buang dari knalpot sepeda motor menuju kotak reaktor gas Budi Setiawan, dkk.
Dari hasil proses reaksi pada Tabel !. dapat dilihat bahwa SOz tidak dapat diamati adanya
ISSN 1410 - 8178
127
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan Vogvakarta, 29 Agustus 2009 perubahan secara nyata, dikarenakan kisaran detektor maksimum ]00 ppm. Tetapi sesungguhnya S02 sudah bereaksi dengan NH) membentuk (NH4hS04, tidak terlihatnya lebih dikarenakan kemampuan detektor. Ket : OL = Over Load Pembentukan Radikal (6) Energi berkas elektron yang diserap oleh komponen gas tergantung pada fraksi elektronnya. Hampir semua energi diserap oleh komponen utama seperti N2, CO2, H20 dan O2. Fraksi elektron dari komponen diperlihatkan pada tabel 2 Tabel 2.
Konsentrasi komponen gas dan fraksi elektronnya dalam gas buang Fraksi Ga elektron 704 1576 ppm 198 70,5% 5,3%5,9% 12,0% 10,6% ppm 208 169,1% 8,4% 6,3% ppm Jenis Gas Konsentrasi
N2
Reaksi Awal lonisasi dan eksitasi, yang memproduksi ion, elektron, dan radikal.
Kumpulan ion-ion menguraikan H20 melalui transfer reaksi untuk menghasilkan radikal OH* N2+ + nH20 -+N2+. (H20)n -+H)O. (H20)n'2 + OH* + N2 Elektron - elektron akan bereaksi terutama dengan O2 untuk menghasilkan O2' dan kumpulan ionnya. e' + O2 + M -+02' + M lon-ion positif dan negatif saling menetralisir untuk kemudian membentuk radikal H02*. Sepasang ion akan menghasilkan satu OH' dan satu radikal H02*. Radikal- radikal awal yang dihasilkan OH*, H02*, N*, 0* dan H*. Efek iradiasi multipel HN02, N02, dan H02N02 diproduksi sebagai hasil antara selama iradiasi. Hasil antara memegang peranan penting pada hasil akhir untuk menghasilkan HNO) atau NH4NO). H02N02 terurai menghasilkan N02 dan H20. Kenaikan kandungan N02 pada percobaan ini (tanpa NH3) bisa difahami justru karena N2 dan NO yang reaksi radikal dan efek radiasi multi pel menghasilkan N02. Pada percobaan dengan mengalirkan uap NH40H dihasilkan data seperti pada Tabel 3. Tabel3.
Hasil pengukuran parameter S02 dan N02 melalui MBE dengan NH3 dengan variasi arus (i) : 1 mA. 1,25 mA, 1,4 mA, 1,75 mA dan daya(D): 300 KeY OL OL O OL 0L 0 mA 6,1 1,25mA 1,75 1,4mA S02 dalam pm 6,2 22,6 ,7 3,4 Kadar N02 dalam pppm Ulangan
2332 1 Ulangan
Gambar 6. Mekanisme Eksitasi
Reaksi
1
lonosasi
dan
lonisasi : Materi mengandung atom, atom terdiri dari inti dan elektron. Radiasi adalah gelombang elektromagnetik atau berkas yang bergerak cepat dan mempunyai cukup energi untuk melepaskan elektron dari materi, karena tubrukan dengan materi. Jika energi transfer lebih besar dari energi ikat, maka elektron akan terlepas, elektron terlepas menyebabkan ionisasi materi dan menghasilkan ion positif. Eksitasi : Jika energi transfer pada orbital elektron lebih keci] dari yang diperlukan untuk prose ionisasi, elektron akan naik mengumpul dibagian lebih atas menyebabkan keadaan reaktif "Excited state". Oleh karena itu gas buang akan mengalami reaksi sebagai berikut : N2 ---hv -+N/ + e' N2 ---hv -+N + N 12&
ImA
Ket : OL = Over Load (status over load tercapai dalam waktu lebih lama) Dari hasil yang terbaca pada Tabel 3. terlihat bahwa kadar S02 tetap tidak terbaca, serta keterangan "Iebih lama" adalah menunjukkan angka pada layar detektor untuk mencapai status OL dibutuhkan waktu yang lebih lama dibandingkan pada percobaan tanpa aliran NH40H. Hak ini menunjukkan terjadinya perubahan kandungan S02 karena adanya NH40H, menjadi (NH4hS04' Untuk gas N02 terlihat fenomena yang menarik dan terlihat secara jelas pengaruh arus listrik. Pada kondisi I mA terbaca konsentrasi 6,2 ppm hal ini menunjukkan kenaikan dibanding tanpa aliran NH40H. Pengaruh besarnya arus listrik akan menyebabkan jumlah dosis radiasi yang berbeda,
ISSN 1410 - 8178
Budi Setiawan, dkk
PENELITIAN
PROSIDING SEMINAR DAN PENGELOLAAN PERANGKAT
NUKLIR
Pusat Teknologl Akselerator don Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
sehingga mekanisme akan berbeda pula. Mekanisme reaksi yang terjadi sangat rumit dan kompleks seperti pada Gambar 7.(5) Dari mekanisme lintasan reaksi bahwa hasil akhir yang diharapkan adalah terbentuknya (NH4hS04 dan NH4N03, sehingga hal itu akan sangat mengurangi sifat polutif gas buang. Tetapi apabila dosis radiasi e1ektron atau penambahan NH3 yang tidak tepat, maka bisa saja mekanisme reaksi tidak sampai tuntas, tetapi berhenti pada reaksi antara. Hal ini jUr,a bisa terjadi karena waktu tinggal yang tidak tepat. 4)
PUSTAKA
Mesin Berkas Elektron, Leaflet ANONIM, BA TAN, Jogjakarta, 2005 2. ANONIM, National Cource on Electron Beam ].
3.
Machine Technology, BAT AN, Jogjakarta, 2005 Fardiaz, G.H., Polusi Air dan Udara, Kanisius,
4.
Y ogyakarta, ] 992 JANG, G.H, et aI., Development of 0.5 Mwatt
Scale DeSOx - De NOx System Using Pulsed Corona Discharge. Enviromental Technology Res. Departement R&D Centre, Hnjung, PO.Box 77 Changwon, Kyugman, South Korea 5. S. TURHAN, et ai, Technical and Economical
of Sox and NOx Removal from Flue Gas by Electron Beam Irradiation. ANRT Ankara, 2004 6.
SUHARTINI, MERI., Iradiasi MBE untuk Pengolahan Gas Buang Dari Pembakaran Batu Bara, BAT AN Accelerator School (BAS), PT APB BAT AN Y ogyakarta,
2006
TANYA JAWAB Gambar 7. Mekanisme reaksi S02 dan menjadi (NH4hS04 dan NH4N03
N02
Sri Sukmajaya: ~ Aplikasi untuk PL TU batubara, riset dengan gas buang motor apa sinkron rantai karbonnya? Bagaimana pula dengan sulfur content antara cokes dan bensin?
Dengan dosis radiasi elektron yang tepat, serta adanya uap/gas NH3 maka Nox akan berubah menjadi NH4N03 Tanpa adanya gas NH3 maka justru akan terjadi peningkatan N02, dikarenakan perubahan dari N2 dan NO menjadi N02 Dikarenakan detektor S02 yang batas deteksinya terbatas, maka perubahan kandungan S02 tidak teramati secara nyata, meskipun terlihat adanya kecenderungan penurunan S02. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui dosis radiasi elektron yang dibutuhkan. Perlu dicari detektor yang memenuhi kisaran deteksi kandungan gas pada gas buang.
Budi Setiawan: ~ Keluaran gas buang antarajelas beda tapi ada kesamaanjenis unsure yaitu SOx dan NOx. ini yang kita coba turunkan dengan paparan electron dari MBE di PTAPB-BATAN.
KESIMPULAN
Budi Setiawan, dkk,
Tri Suyatno: ~ Apakah MBE mampu mereduksi gas CO2? Kalau bisa bagaimana reaksinya?
buang
Budi Setiawan: ~ Untuk CO2 tidak bisa karena ikatan CO2 yang stabil tetapi sangat dimungkinkan untuk merubah CO (beracun) menjadi CO2.
ISSN 1410 - 8178
129
