Pembuatan Soda Ash

Sodium carbonat (Na2CO3) adalah bahan lunak yang larut dalam air dingin dan kelarutan dalam air kira-kira 30% berat larutan, dalam industri kimia di kenal dengan “soda ash”. Di negara eropa dan beberapa kota distrik di USA istilah soda mengacu pada decahidrat (Na2CO310H2O) dan monohidrat (Na2CO3H2O) yang digunakan untuk kebutuhan rumah tangga, tapi komoditi decahidrat (Na2CO310H2O) dan monohidrat (Na2CO3H2O) jumlahnya relatif kecil di bandingkan dengan bentuk anhidrat.

SIFAT FISIS DAN KIMIA SODIUM CARBONAT

- Berat molekul                                           : 106 g/mol

- Bentuk                                                      :  Kristal dan bersifat higroskopis

- Warna                                                      :  Putih

- Titik lebur, 0oC                                        :  7,1 g/100 g H2O

- Densitas, 20oC                                          :  2,533 g/ml

- Kapasitas panas, 85oC                               :  26,41 cal/ gmol oC

KEGUNAAN SODIUM KARBONAT

Sodium karbonat dalam industri kegunaanya sangat luas. Sodium karbonat dalam industri di gunakan sebagai bahan baku industri kimia, industri-industri yang menggunakan sodium karbonat untuk bahan baku antara lain :

  1. industri sabun
  2. industri gula
  3. industri gelas
  4. industri obat
  5. industri kertas
  6. industri tekstil
  7. industri metalurgi
  8. industri keramik
  9. Dll

Sodium karbonat (soda abu) dalam perdagangan lebih dikenal dengan istilah alkali. Kandungan soda ash di alam ini jumlahnya terbatas. Pasir dan clay pada tempat tertentu di gurun pasir biasanya menunjukan adanya kandungan sodium karbonat. Kebutuhan akan sodium karbonat baik untuk industri dan rumah tangga semakin meningkat. Untuk memenuhi akan kebutuhan sodium karbonat selain proses alam bisa juga dilakukan dengan proses sintetik di antaranya :

  1. Proses Leblanc
  2. Proses Soda Ammonia (solvay)

2.1. Proses Leblanc

Proses Leblanc adalah  proses pembuatan soda Ash sintetik yang pertama di lakukan pada tahun 1775. Perusahaan pertama yang memproduksi soda ash dengan proses Leblanc di bangun di Inggris pada tahun 1823. Proses Leblanc pada umumnya adalah proses pengolahan garam dengan asam sulfat untuk membuat sodium sulfat dan asam hydro chloric :

NaCl(l) +   H2SO4(l) NaHSO4(l) +  HCl(l)

NaCl(l) +  NaHSO4(l) Na 2SO4(S) +  HCl(l)

Sodium sulfat di panaskan dengan batu kapur dan batu bara (kokas) untuk memproduksi “black ash” yang mengandung sodium karbonat, Kalsium sulfida dan beberapa batu bara yang tidak bereaksi.

Na2SO4(l) +  2 C(s) Na2S(s) +  2 CO2(g)

Na2S(s) +  CaCO3(s) Na2CO3(s) +  CaS(s)

Sodium karbonat dapat di pisahkan dengan air dari black ash dan di Kaustisasi dengan kapur mentah, cara ini digunakan untuk mengembalikan sulfur dari kalsium sulfida.

Proses Leblanc masih di gunakan di Inggris dan benua Eropa selama perang dunia pertama, tetapi jumlahnya terus berkurang selama perang dunia kedua. Pada saat ini proses Leblanc sudah tidak dilakukan lagi karena beberapa kelemahan diantaranya :

1.   konsumsi energi yang sangat besar pada saat pelelehan.

2. membutuhkan tenaga kerja yang intensif karena prosesnya merupakan      proses    batch yang memerlukan banyak tahap.

3.   menimbulkan dampak lingkungan.

Karena alasan-alasan di atas tersebut maka pada tahun 1880 proses ini tergeser oleh proses yang lebih bersih dan lebih efisien yaitu proses soda ammonia (proses solvay).

2.2. Proses Soda Ammonia (Proses Solvay)

Ernest solvay pada tahun 1861 mulai mengembangkan proses soda ammonia. Pada mulanya proses ini mengalami kesulitan besar dalam bersaing dengan proses Leblanc yang lebih tua dan lebih mapan, namun dalam beberapa tahun saja proses solvay berhasil menurunkan harga soda ash sebanyak sepertiganya. Pada tahun 1915 proses soda ammonia akhirnya berhasil menggantikan proses Leblanc.

Proses solvay pertama kali di perkenalkan di Eropa pada tahun 1866 di Couillt di dekat Charleroi Belgia. Pabrik ini telah memproduksi 1,5 ton per hari pada tahun 1866 dan pada tahun 1872 meningkat jadi 10 ton per hari Penggunaan proses solvay di industri semakin berkembang, di Eropa misalnya dibangun pabrik Dombasle di dekat Nancy Perancis dan di Amerika di bangun pabrik stracause di New York.

Bahan baku proses solvay adalah garam, batu gamping, dan kokas atau gas bumi dan menggunakan ammonia sebagai reagen siklus. Keberhasilan proses ini bergantung pada kenyataan bahwa ammonia, karbon dioksida dan air, dalam perbandingan yang tepat bereaksi membentuk natrium bikarbonat. Ammonium bikarbonat bereaksi dengan natrium klorida membentuk natrium bikarbonat yang relativ tidak larut dalam larutan yang digunakan oleh, karena itu dapat di saring keluar dan di panggang menjadi soda abu.

Proses yang digunakan adalah proses solvay, yang mana di bandingkan dengan proses yang lain lebih ekonomis dan efisien. Pertimbangan-pertimbangan dibawah ini dapat mendukung akan terlaksananya pendirian pabrik tersebut, di antaranya yaitu :

-         Bahan baku yang digunakan lebih murah yaitu garam dan batu kapur di bandingkan  dengan proses Leblanc, dan Energi yang di gunakan lebih kecil.

-         Proses yang digunakan lebih efisien karena menggunakan proses kontinue. dan karyawan yang di butuhkan lebih kecil.

-         Limbah yang dihasilkan tidak membahayakan bagi lingkungan dan sesuai dengan Dan ketentuan peraturan perundangan.

Kapasitas produksi lebih besar di bandingkan dengan proses Leblanc sehingga dapat di produksi dalam jumlah yang sangat besar.

Deskripsi proses

Dasar proses ini adalah pengendapan NaHCO3 bila suatu larutan dari garam ammonia di karbonasi dengan gas CO2. Reaksi totalnya secara stoikiometri adalah :

CaCO3(s) +  2 NaCl(l) Na2CO3(s) +  CaCl2(s)

Reaksi ini tidak dapat terjadi secara langsung, akan tetapi melalui beberapa tahapan proses.

4.2. Proses reaksi kimia

Tahap pertama adalah pembakaran batu gamping (lime stone) beserta kokas di dalam tungku.

CaCO3(s) CaO(s) +  CO2(g) …………..……..(1)

C(g) +  O2(g) CO2(g)                                                             …………………(2)

Kapur hasil pembakaran di keluarkan dari tungku dan di padamkan dengan air sehingga membentuk suspensi kental dari kapur.

CaO(s) +  H2O(l) Ca(OH)2(l)                                                ………………..(3)

Garam NaCl dalam bentuk larutan jenuh yang telah di serapkan dengan gas ammonia di kontakkan dengan gas CO2 yang dihasilkan dari pembakaran gamping seperti pada reaksi (2) dan (3) di dalam suatu menara absorber, yang akan menghasilkan endapan bicarbonate yang tak larut dalam ammonium chloride

Reaksinya berlangsung sebagai berikut :

NH3(l) +  CO2(g) +  NaCl(l) NaHCO3(l) + NH4Cl(l) ……..(4)

Endapan natrium bicarbonate kemudian di filtrasi untuk memisahkan dari larutan NH4Cl dan selanjutnya di kalsinasi pada temperatur 200oC sehingga bicarbonatnya akan terdekomposisi menjadi karbonat.

2NaHCO3(l) Na2CO3(s) +  H2O(l) +  CO2(g)                    ……………….(5)

Gas CO2 yang di hasilkan dari reaksi (5) di atas di pakai lagi untuk membantu backup umpan reaksi (4) Filtrat dari reaksi (4) masih mengandung ammonium chloride, Natrium chloride yang tidak bereaksi dan kelebihan ammonia ataupun CO2 mungkin terdapat dalam bentuk ion bicarbonate . Ammonia yang berlebih harus di pisahkan dari larutan filtrat yang di laksanakan dalam 2 tahap. Tahap pertama adalah pemanasan untuk mengeluarkan ammonia  yang berikatan dengan ion bicarbonat dan ion hidroksil. Tahap berikutnya di lakukan dengan penambahan kapur untuk mengambil ammonia dari ammonium chloride-nya. Tahap pertama dapat dinyatakan sebagai berikut :

NH4Cl(l) + NH4HCO3(l) + NH4OH(l) NH4Cl(l) + CO2(g) + 2NH3(l) + 2H2O(l)

Larutan yang hanya mengandung NH4Cl dan garam yang tak bereaksi kemudian diolah dengan kapur yang di reaksikan dari reaksi (4),

Ca(OH)2(l) + 2NH4Cl(l) 2H2O(l) + CaCl2(s) + 2NH3(l)

4.3. Penjelasan uraian proses :

a.    Pembakaran Lime stone

Pada proses pembakaran lime stone yang terjadi di dalam lime kiln, batu kapur terdekomposisi pada temperatur 900-1000˚C menjadi kapur tohor (CaO) dan karbon dioksida (CO2). Reaksi yang terjadi dalam pembakaran tersebut,yaitu :

CaCO3(s) CaO(g) +  CO2(g)

Pada reaksi ini terjadi penyerapan panas, karena untuk menguraikan 1 gram CaCO3 memerlukan panas 42,5 kkal.

CaO yang terbentuk dimasukan dalam slaker dengan penambahan air bersama-sama membentuk kapur padam Ca(OH)2. Proses ini terjadi pada temperatur 90-100oC, reaksi yang terjadi :

CaO(s) +  H2O(l) Ca(OH)2(l)

Ca(OH)2 yang di hasilkan di alirkan ke dalam kolom kostitasi untuk memisahkan dan mengambil kembali amoniak. Sedangkan gas CO2 yang di hasilkan dari proses kalsinasi lime stone untuk kemudian di alirkan ke kolom karbonatasi.

b.    Pemurnian larutan Brine

Garam yang digunakan sebagai bahan baku diambil dari sekitar pantura, sebelum di gunakan dalam proses, garam ini di murnikan terlebih dahulu yang bertujuan untuk mengurangi pengotor-pengotor.

Garam ini dialirkan ke tangki pelarutan, larutan garam di teruskan ke tangki pemurnian yang di lengkapi dengan pengaduk, dalam tangki ini di tambahkan Ca(OH)2 dan Na2CO3 untuk  mengikat kotoran. Endapan yang terbentuk dengan gaya gravitasi akan turun mengendap dan di alirkan ke tangki slurry sedangkan larutan garam di teruskan mengalir ke dalam sand filter. Larutan garam di tampung dalam tangki penyimpanan. Larutan garam siap di gunakan sebagai bahan baku.

c.     Penyerapan Ammonia

Larutan garam hasil pemurnian dari atas menara absorber. Temperatur garam ini kira-kira 30oC, sedangkan kondisi operasi absorber PA temperatur 50oC, amonia masuk dari bawah menara, sedangkan air garam di masukan dari bagian atas kolom sehingga menghasilkan larutan garam amonia jenuh.

d. Pembentukan Sodium Karbonat

Setelah di dinginkan larutan garam amoniak di pompa ke bagian atas menara karbonatasi yang bertekanan 4 atm, sedangkan CO2 hasil lime stone masuk dari bawah menara, temperatur yang berlangsung di dalam menara 54oC reaksi yang terjadi adalah reaksi eksotermis :

NH4OH(l) +  NaCl(l) +  CO2(g) NaHCO3(l) +  NH4Cl(l)

Produk yang terbentuk di pompa ke vacum filter untuk dipisahkan dari NH4Cl di bantu dengan penambahan air ke dalam kalsinasi untuk di keringkan sehingga menghasilkan produk yang diinginkan, sedangkan NH4Cl di alirkan ke tangki penyimpanan yang kemudian digunakan untuk merecovery ammonia dalam kolom kostitasi.

PROSES PEMBUATAN STYRENE MONOMER

Styrene adalah komponen arometic paling sederhana dengan sebuahrantai sisi tidak jenuh. Styrene monomer murni memeliki bau yang enak. Bau yang tajam menusuk disebabkan oleh adanya aldehid yang terbantuk karena kontak dengan udara. Nama lain dari styrene antara lain : Phenil etilene, vinil benzene, styron, styrolene, dan cinnanmene. Styrene ditemui sebagai impurities atau bahan samping pada beberapa proses. Styrene terbentuk dari hasil decomposisi pirogenic komponen organic. Dari pemecahan petroleum, dari pembuatan atau pengolahan gas alam dan ter batubara. Dan dari minyak yang dikondensasi dari carburetted water gas. Bagaimanapun, kemurnian dari beberapa produk itu kecil dan industri modernlebih memilih untuk menghasilkan styrene secara sintesis. Penelitian klasik Berthelot tentang pirolisa telah menjadi cara teknikal yang sangat berarti untuk memproduksi styrene sintesis secara komersil sekarang ini. Dia menunjukan, pada tahun 1851, bahwa hidro karbon tertentu yang dilewatkan melalui tube yang panas menyala memberikan styrene dan indene. Sintesis styrenenya pada tahun 1867 dengan melewatkan campuran benzene dan etilen melalui tube yang panas menyala, dan dehidrogenasi berikutnya dari etibenzenenya pada tahun 1969 dengan pirolisa untuk membentuk styrene sebagai produk penting.

Ethylbenzene adalah larutan organic tidak berwarna dengan rasa yang manis dan bau seperti gasolin. Ethylbenzene paling banyak digunakan untuk membuat styrene ; larutan organic yang digunakan sebagai bahan baku plastik. Ethylbenzene juga digunakan sebagai pelarut untuk pelapis ( cat ), pembuatan karet, plstik pembungkus, dan juga sebagai bahan aditif atau zat tambahan yang penting untuk gasolin

.  Proses Oksidasi Ethylbenzene

Proses oksidasi ethylbenzene menghasilkan dua produk, yaitu styrene dan acetophenone. Pada proses ini pertama – pertama ethylbenzene dioksidasi menjadi acetophone pada suhu 115 – 1450C dan tekanan 50 Psig dengan menggunakan katalis mangan asetat, dimana reaksi yang terjadi adalah: 

C6H5 C2H5 +  O2 C6H5COCH3 + H2O

 

Setelah mengalami proses oksidasi, kemudian diikuti dengan reduksi dari acetophone menjadi α – pheniletil  alcohol dengan menmbahkan gas hydrogen serta menggunakan katalis copper-chrome-iron pada temperature 1500C dan tekanan 50 Psig, reaksi yang terjadi:

 

C6H5COCH3 C6H5CH ( OH ) CH3

Proses selanjutnya dengan proses dehidrasi dari alcohol menjadi styrene dengan menggunakan katalis titania pada suhu 2500C, reaksi yang terjadi adalah :

C6H5CH ( OH ) CH3 C6H5CH=CH2 +  H2O

2. Proses Dehydrogenasi Ethylbenzene

Dehidrogenasi ethylbenzene adalah reaksi endotermik, artinya reaksi yang membutuhkan panas agar reaksi dapat terjadi. Reaksi didalam reactor adalah sebagai berikut ;

 

C6H5 C2H5 ↔  C6H5CH=CH2 +  H2

C6H5 C2H5 +  H2 ↔  C6H5CH3 +  CH4

Berhubung reaksi yang terjadi didalam reactor adalah reaksi endotermik maka yang diperlukan sumber panas berupa steam superheated. Proses dehydrogenesi memakai katalis tipe shell 105, yang merupakan campuran dari senyawa :

 

Ø      Fe2O3

Ø      Cr2O3

Ø      K2CO3

 

Katalis berbentuk pellet dengan diameter 3/16 in atau 1/8 in. Fe2O3 merupakan katalis untuk reaksi dehydrogenesi ethylbenzene menjadi styrene. K2CO3 merupakan katalis untuk reaksi penghilangan unsure carbon, Tar, cokes dari permukaan katalis. Sedangkan Cr2O3 fungsinya untuk memeperpanjang umur katalis. Proses dehydrogenesi menggunakan suhu antara 800 – 9500 K, tekanan antara 2,38 – 3 atm.

Ceramics

Ceramics
(keramikos – “burnt stuff” – desirable props are achieved by firing)

Traditional Silicate Ceramics                                 Advanced/Engineering Ceramics

Combinations of clay, feldspar and silica (cheap)[1] Nearly pure compounds of

oxides, carbides or nitrides (expensive)


Non-silicate oxide ceramics          Non-oxide ceramics

-Al203 Alumina                           -Si3N4 Silicon nitride

-ZrO2 Zirconia                                   -SiC  Silicon carbide


Structural Clay Products Whitewares

-brick                                more carefully controlled compositions

-tile                                                  -pottery

-sewer pipe                                      -porcelain

-cement                                            -sanitary ware


Ceramics

¨       Inorganic nonmetallic materials which consist of electropositive/electronegative compounds that are bonded primarily by ionic bonds, sometimes with covalent character.

¨       Ceramic crystal structures can be relatively simple to very complex.

¨       Ceramics can range from the more traditional & inexpensive to the advanced & highly sophisticated.

¨       The fabrication of ceramics and glasses must be different than for metals because of their high melting temperatures, (hence, difficult to cast) and low ductility, (hence, difficult to form).  Most are formed from powders (or particulate collections) and then dried and fired.

 

¨       Applications:

§         insulators

§         capacitors

§         semiconductors

§         abrasives

§         refractory

§         ferroelectrics

§         piezoelectrics

§         nuclear fuels
¨       Processing Techniques:

§         fusion

§         slip casting

§         sintering

§         hot isostatic pressing(HIP)

§         sol-gel

§         biomimetic

§         SHS (self-propagating high-temp synthesis)

 

 

¨       General properties:

§         hard and strong

§         brittle (low ductility)

§         low toughness & fracture toughness

§         low impact resistance

§         low electrical and thermal conductivity

§         high melting temperatures

§         high chemical stability

§         high compressive and tensile strengths (CS>>>TS by 5-10x)

§         fatigue life is rare

 

Ceramics (Keramikos- “burnt stuff” -desirable props are achieved by firing)

 

 

Traditional Silicate Ceramics                                                  Advanced/Engineering Ceramics

Combinations of clay, feldspar and silica (cheap)[2] Nearly pure compounds of

oxides, carbides or nitrides (expensive)

 

 

Non-silicate oxide ceramics    Non-oxide ceramics

-Al203 Alumina                            -Si3N4 Silicon nitride

-ZrO2 Zirconia                             -SiC  Silicon carbide

Structural Clay Products Whitewares

brick                                         more carefully controlled compositions

-tile                                           -pottery

-sewer pipe                                -porcelain

-cement                                    -sanitary ware


Clays

§         Aluminosilicates (Al2O3 and SiO2 and chemically bound H2O)

§         Broad range of compositions, structures, impurities

§         Usually the structure is layered with water between the sheets making it plastic (hydroplasticity)

§         Can be mixed with water and easily formed and then dried and fired to increase strength

 

Whitewares and Structural Clay Products

§         Made from clay, flint and feldspar

§         Flint is finely ground quartz, a filler that is hard and chemically unreactive with a high melting temperature.

§         Feldspar is an aluminosilicate mineral that contains K+, Na+ and Ca+.  It acts as a fluxing agent.  (i.e. it spreads out heat and helps things to flow.)

 

Refractories

§         Materials that are able to withstand high temperatures without melting or decomposing.

§         They are able to maintain insulative properties at high temperatures.

§         They remain inert and unreactive at high temperatures.

§         The four main categories:  fireclay, silica (acid), basic and special.

§         A decrease in the porosity of refractories will

ü       increase strength

ü       increase corrosion resistance

ü       increase load-bearing capacity

ü       decrease insulativeness

ü       resistance to thermal shock

 

Abrasives

§         Extremely hard materials used for cutting, grinding, and polishing other materials.

§         Due to high heat generated during the process, these materials also must have some refractory properties.

§         Examples are diamond, SiC, WC, Corundum, and silica sand.

 

Cements

§         materials that form a paste when mixed with water and then hardenedby chemical reactions

§         examples include cement, plaster of paris and lime

 

Note:  Concrete is a composite material made up of cement, large aggregates (gravel), and small aggregates (sand).  The cement in concrete is similar to the glassy phase in ceramics.  It bonds the other phases together.

 

Portland cement

§         One of the most commonly used cements.

§         Made by following process:

1. calcination:  grinding and  mixing clay and lime-bearing minerals

2. heating to obtain a material called clinker

3. grind this to a powder

4. add gypsum (CaSO4-2H2O) to retard setting process

§         Principle constituents are tricalcium silicate (3CaO-SiO2) and dicalcium silicate (2CaO-SiO2).  There can be many different compositions.

§         Hardening occurs by complex hydration reactions that form complex gels or crystalline substances. This process is known as curing.  If there were no water the reactions could not proceed and drying would occur.  Drying is bad.  Curing is good.
(Portland cement is a hydraulic cement because water is involved in the reactions.  Lime is a nonhydraulic cement because other compounds (CO2) are involved in the hardening reactions.)


Ceramic Crystalline Structures

Crystal structures of ionic compounds tend to maximize packing efficiency.  (This lowers the overall energy.)  The limitations to dense packing are the radius ratio and the need to maintain charge neutrality.  The radius ratio can help to predict the CN (and hence the crystal structure.)

 

If the bonding has some covalent character, then the packing will be less efficient.  You can determine the amount of ionic character in a bond by knowing the electronegativities, XA & XB, of the elements in the bond and the following equation:      % ionic character = [1 – e -1/4(XA-XB)] x 100%

 

A tetrahedral position is an interstitial site that if occupied, would have 4 neighbors.

An octahedral position is an interstitial site that if occupied, would have 6 neighbors.

 

Where are the octahedral and tetrahedral sites in the fcc crystal structure?

Where are the octahedral and tetrahedral sites in the hcp crystal structure?

 

Some relatively simple ceramic structures:

¨       Sodium Chloride structure (NaCl)

¨       Cesium Chloride structure (CsCl)

¨       Zinc Blende structure (ZnS and Compound Semiconductors)                               ?

¨       Fluorite structure (CaF2)

¨       Perovskite structure (CaTiO3)

¨       Diamond Cubic structure (Carbon and Elemental Semiconductors)

¨       Graphite (Carbon)

¨       Fullerenes (Carbon)

¨       Cristobalite structure (SiO2)

¨       Corundum Structure (Al2O3)

¨       Spinel Structure (MgAl2O4)/Inverse Spinel

 

Silicate Structures

Silica (SiO2) has half ionic and half covalent character.  (The percent of ionic character is about 50% as calculated from the above equation.)  A CN of 4 is predicted for the radius ratio of 0.29 for ionic compounds.  A bond angle of 105o is predicted for covalent bonding.  Silica is allotropic with at least five different crystalline forms depending on temperature and pressure conditions.  However, each form has every corner of an SiO4 tetrahedra (every oxygen atom) shared.  The sharing of oxygen atoms between the tetrahedra give the overall formula of SiO2. The structures are not dense and have high melting temperatures.

 

Silicates (or silicate ceramics) are Silica (SiO2) based ceramic clays that contain SiO44- tetrahedra in various arrangements.  Many naturally occurring minerals such as clays, feldspars and micas are silicates.  Many ceramic materials contain silicate structures. They include glass, cement, brick, electrical insulative materials, etc.

 

The general nature of silicate structures is the connection of the SiO44- tetrahedra.  Additional oxides tend to break up the continuity of these tetrahedra.  The remaining connectedness may be in the form of islands, chains or sheets:

¨       Network silicate structures – these structures connect all 4 corners of the SiO44- tetrahedra to form a network.  The Oxygen atoms are shared which accounts for the overall chemical formula of SiO2 not SiO4.

¨       Island silicate structures – when positive ions bond with the oxygens of the SiO44- tetrahedra

¨       Chain or ring silicate structures – when 2 corners of each SiO44- tetrahedra are bonded with corners of other tetrahedra with unit chemical formula SiO3-2.

¨       Sheet silicate structures – when 3 corners in the same plane of a silicate tetrahedron are bonded to the corners of 3 other silicate tetrahedra with chemical unit Si2O5-2.

 


Electrical Properties of Ceramics

Ceramics are used in many electrical applications as:

  • Insulators
  • Capacitors
  • Semiconductors
  • Ferroelectrics
  • Piezoelectrics

 

Insulators

prevents the flow of charge or heat. Ceramics make good insulators because the ionic and covalent bonding restricts electron and ion mobility.

 

 

Capacitors

store electrical energy by virtue of separating oppositely charged plates with an insulator (also called a dielectric) in between.  An example of a ceramic material used as the dielectric for a capacitor is Barium Titanate, Ba2TiO3

 

Some material properties of insulators (also called dielectrics):

¨       Capacitance (actually this is a property of a device, not the material)

¨       Dielectric constant

¨       Dielectric breakdown strength

¨       Dielectric loss factor

Some examples of ceramic insulators are

¨       Electrical Porcelain (50% clay, 25% silica, 25%feldspar)

¨       Steatite (90% talc, 10% clay)

¨       Fosterite (Mg2SiO4)

¨       Alumina (Al2O3 crystals in a glassy matrix of clay, talc, alkaline earth fluxes)

Semiconductors

have an intermediate value of electrical conductivity.  The most commonly used ceramic semiconducting materials are sintered oxides of Mn, Ni, Fe, Co, and Cu. By varying the amounts of these oxides in the material the desired value of the electrical conductivity can be obtained. These are used for NTC thermistors.  A Negative Temperature Coefficient Thermistor is a device that measures temperature by a change in the resistance of the material.  As temperature increases, resistance decreases.

 

Ferroelectrics

have behavior similar to a ferromagnetic material.  The relationship between the electric dipole moment density (Polarization, P) and the electric field strength (E) looks exactly like the relationship between magnetic dipole moment density (Magnetization, M) and magnetic field strength (H).

 

Piezoelectrics

have the distinct property whereby an applied stress induces an electrical voltage.  The reverse piezoelectric effect is the phenomena whereby an applied voltage across the material results in a dimensional change.  BaTiO3
Mechanical Properties of Ceramic Materials

Ceramics are strong

However, their principle drawback is a disposition to catastrophic fracture in a brittle mode.  Hence, the effort in research of these materials is to make them tougher. An example of an advancement in this area is the transformation toughening of partially stabilized Zirconia (PSZ).

Fine grain size ceramics are stronger than coarse grain size ceramics

The reason is different than for metals:  If fracture does not initiate at a crack, flaw, pore or inclusion, it will originate at a flaw in a grain boundary.  Finer grain size ceramics will have smaller flaw at the grain boundaries.  Hence, the finer grain ceramics will be stronger.

The Flexural Strength is an alternate property to Tensile Strength for ceramics

The flexural strength (or modulus of rupture, fracture strength, bend strength) is the (calculated) tensile stress at failure of a specimen subjected to a three or four point load.  This is an easier test to carry out for brittle materials than the traditional standard Tensile Test.

Ceramics are brittle

Ceramics have very low toughness values and also fracture toughness values.  Recall that brittle fracture consists of formation and propagation of cracks through the cross section in a direction perpendicular to the applied load.  Usually the crack growth is transgranular and along specific crystallographic directions.

 

The reasons that ceramics are so brittle:

1.       Ceramic materials inherently have cracks, flaws, pores and inclusions.  These act as stress risers and failure initiates at one of these and propagates quickly (because there is no energy absorbing mechanism as there is in metals,) causing brittle fracture.

2.       The covalent bond is directional and electrons are shared.  Hence, bonds will not reform easily and so brittle fracture will occur.

3.       Since the crystal structures tend to be complex, there are limited slip systems and large Burgers vectors.  (called complex dislocation structures)

4.       Potential slip planes may involve like charges moving over each other which will cause separation and so brittle fracture will occur.

Ceramics are much stronger in compression than in tension.

Why?

Some ceramics are subject to Static Fatigue or Delayed Fracture

This is when ceramics fail by slow crack propagation under a static load.  The mechanism is a stress-corrosion process at a crack tip.

Ceramics rarely have any sort of fatigue failure

This is due to the lack of plasticity in ceramics; however, there have been recent advances in compressive-compressive stress cycling of polycrystalline alumina.

Ceramics have high hardness values

This makes them excellent abrasive materials used for cutting, grinding and polishing.  Alumnia (aluminum oxide, Al2O3) and silicon carbide, SiC are two of the most commonly used manufactured ceramic abrasives.  Improvements on these are made by combining zirconium oxide with aluminum oxide.  Another important ceramic abrasive is cubic boron nitride (Bortazon).

 

Ceramics have high melting temperatures

This makes them excellent materials to be used for high temperature applications.  Materials used at high temperatures are call refractory materials or refractories.   However, creep will occur at these temperatures and so one must be aware of the material’s creep behavior.

Porosity has an adverse affect on a ceramic’s properties.

The modulus of elasticity and the flexural strength will both decrease with porosity.

There is much scatter in the data measuring the properties of ceramic materials

The reason is because much of the data depends on flaw density and size.  This, in turn, will depend on fabrication technique, processing and size of the specimen.  Hence, the scatter.


[1] *clay – A hydrated Aluminum silicates with other oxides.  Provides workability before firing hardens it.  (eg Al2O3 2Si03 2H2O)

feldspar – A naturally occurring, industrial important, network silicate with a low melting temperature.  It becomes glass upon firing and bonds the refractory components together.  Some Si+4 ions are replaced with Al+3 in substitional positions and some Na+, K+, Ca+, Ba+ ions are in interstitial positions.  (eg K2O Al203 6Si02)

 

silica – (aka flint or quartz) SiO2 is a polymorphic compound. (quartz, tridymite and cristobalite are some of its forms.)  It acts as the refractory component of traditional ceramics.

 

[2] *clay – A hydrated Aluminum silicates with other oxides.  Provides workability before firing hardens it.  (eg Al2O3 2Si03 2H2O)

feldspar – A naturally occurring, industrial important, network silicate with a low melting temperature.  It becomes glass upon firing and bonds the refractory components together.  Some Si+4 ions are replaced with Al+3 in substitional positions and some Na+, K+, Ca+, Ba+ ions are in interstitial positions.  (eg K2O Al203 6Si02)

 

silica – (aka flint or quartz) SiO2 is a polymorphic compound. (quartz, tridymite and cristobalite are some of its forms.)  It acts as the refractory component of traditional ceramics.

 

BOILER

Boiler adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumenya akan meningkat sekitar 1.600 kali, menghasilkan tenaga yang menyerupai bubuk mesiu yang mudah meledak, sehingga boiler merupakan peralatan yang harus dikelola dan dijaga dengan sangat baik.

Sistem boiler terdiri dari: sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem airumpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam.

Berbagai kran disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem. Air yang disuplai ke boiler untuk dirubah menjadi steam disebut air umpan.

Dua sumber air umpan adalah:

(1) Kondensat atau steam yang mengembun yang kembali dari proses dan

(2) Air makeup (air baku yang sudah diolah) yang harus diumpankan dari luar ruang boiler dan plant proses.

Untuk mendapatkan efisiensi boiler yang lebih tinggi, digunakan economizer untuk memanaskan awal air umpan menggunakan limbah panas pada gas buang.

Jenis – Jenis Boiler

Bagian ini menerangkan tentang berbagi jenis boiler: Fire tube boiler, Water tube boiler, Paket boiler, Fluidized bed combustion boiler, Atmospheric fluidized bed combustion boiler, Pressurized fluidized bed combustion boiler, Circulating fluidized bed combustion boiler, Stoker fired boiler, Pulverized fuel boiler, Boiler pemanas limbah (Waste heat boiler) dan and Pemanas fluida termis.

1 Fire Tube Boiler

Pada fire tube boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Fire tube boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube boilers dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.

2 Water Tube Boiler

Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket.

Karakteristik water tube boilers sebagai berikut:

§ Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran

§ Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air.

§ Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi

3 Paket Boiler

Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.

Ciri-ciri dari packaged boilers adalah:

§ Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat.

§ Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik.

§ Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik.

§ Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas keseluruhan yang lebih baik.

§ Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan dengan boiler lainnya.

Boiler tersebut dikelompokkan berdasarkan jumlah pass nya – yaitu berapa kali gas pembakaran melintasi boiler. Ruang pembakaran ditempatkan sebagai lintasan pertama setelah itu kemudian satu, dua, atau tiga set pipa api. Boiler yang paling umum dalam kelas ini adalah unit tiga pass/ lintasan dengan dua set fire-tube/ pipa api dan gas buangnya keluar dari belakang boiler.

4 Boiler Pembakaran dengan Fluidized Bed (FBC)

Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) muncul sebagai alternatif yang memungkinkan dan memiliki kelebihan yang cukup berarti dibanding sistim pembakaran yang konvensional dan memberikan banyak keuntungan – rancangan boiler yang kompak, fleksibel terhadap bahan bakar, efisiensi pembakaran yang tinggi dan berkurangnya emisi polutan yang merugikan seperti SOx dan NOx. Bahan bakar yang dapat dibakar dalam boiler ini adalah batubara, barang tolakan dari tempat pencucian pakaian, sekam padi, bagas & limbah pertanian lainnya. Boiler fluidized bed memiliki kisaran kapasitas ya ng luas yaitu antara 0.5 T/jam sampai lebih dari 100 T/jam.

Bila udara atau gas yang terdistribusi secara merata dilewatkan keatas melalui bed partikel padat seperti pasir yang disangga oleh saringan halus, partikel tidak akan terganggu pada kecepatan yang rendah. Begitu kecepatan udaranya berangsur-angsur naik, terbentuklah suatu keadaan dimana partikel tersuspensi dalam aliran udara – bed tersebut disebut “terfluidisasikan”. Dengan kenaikan kecepatan udara selanjutnya, terjadi pembentukan gelembung, turbulensi yang kuat, pencampuran cepat dan pembentukan permukaan bed yang rapat. Bed partikel padat menampilkan sifat cairan mendidih dan terlihat seperti fluida – “bed gelembung fluida/ bubbling fluidized bed”. Jika partikel pasir dalam keadaan terfluidisasikan dipanaskan hingga ke suhu nyala batubara, dan batubara diinjeksikan secara terus menerus ke bed, batubara akan terbakar dengan cepat dan bed mencapai suhu yang seragam. Pembakaran dengan fluidized bed (FBC) berlangsung pada suhu sekitar 840OC hingga 950OC. Karena suhu ini jauh berada dibawah suhu fusi abu, maka pelelehan abu dan permasalahan yang terkait didalamnya dapat dihindari.

Suhu pembakaran yang lebih rendah tercapai disebabkan tingginya koefisien perpindahan panas sebagai akibat pencampuran cepat dalam fluidized bed dan ekstraksi panas yang efektif dari bed melalui perpindahan panas pada pipa dan dinding bed. Kecepatan gas dicapai diantara kecepatan fluidisasi minimum dan kecepatan masuk partikel. Hal ini menjamin operasi bed yang stabil dan menghindari terbawanya partikel dalam jalur gas.

5 Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler

Kebanyakan boiler yang beroperasi untuk jenis ini adalah Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Boiler. Alat ini hanya berupa shell boiler konvensional biasa yang ditambah dengan sebuah fluidized bed combustor. Sistim seperti telah dipasang digabungkan dengan water tube boiler/ boiler pipa air konvensional.

Batubara dihancurkan menjadi ukuran 1 – 10 mm tergantung pada tingkatan batubara dan jenis pengumpan udara ke ruang pembakaran. Udara atmosfir, yang bertindak sebagai udara fluidisasi dan pembakaran, dimasukkan dengan tekanan, setelah diberi pemanasan awal oleh gas buang bahan bakar. Pipa dalam bed yang membawa air pada umumnya bertindak sebagai evaporator. Produk gas hasil pembakaran melewati bagian super heater dari boiler lalu mengalir ke economizer, ke pengumpul debu dan pemanas awal udara sebelum dibuang ke atmosfir.

6 Pressurized Fluidized Bed Combustion (PFBC) Boiler

Pada tipe Pressurized Fluidized bed Combustion (PFBC), sebuah kompresor memasok udara Forced Draft (FD), dan pembakarnya merupakan tangki bertekanan. Laju panas yang dilepas dalam bed sebanding dengan tekanan bed sehingga bed yang dalam digunakan untuk mengekstraksi sejumlah besar panas. Hal ini akan meningkatkan efisiensi pembakaran dan peyerapan sulfur dioksida dalam bed. Steam dihasilkan didalam dua ikatan pipa, satu di bed dan satunya lagi berada diatasnya. Gas panas dari cerobong menggerakan turbin gas pembangkit tenaga. Sistim PFBC dapat digunakan untuk pembangkitan kogenerasi (steam dan listrik) atau pembangkit tenaga dengan siklus gabungan/ combined cycle. Operasi combined cycle (turbin gas & turbin uap) meningkatkan efisiensi konversi keseluruhan sebesar 5 hingga 8 persen.

7 Atmospheric Circulating Fluidized Bed Combustion Boilers (CFBC)

Dalam sistim sirkulasi, parameter bed dijaga untuk membentuk padatan melayang dari bed. Padatan diangkat pada fase yang relatif terlarut dalam pengangkat padatan, dan sebuah down-comer dengan sebuah siklon merupakan aliran sirkulasi padatan. Tidak terdapat pipa pembangkit steam yang terletak dalam bed. Pembangkitan dan pemanasan berlebih steam berlangsung di bagian konveksi, dinding air, pada keluaran pengangkat/ riser. Boiler CFBC pada umumnya lebih ekonomis daripada boiler AFBC, untuk penerapannya di industri memerlukan lebih dari 75 – 100 T/jam steam. Untuk unit yang besar, semakin tinggi karakteristik tungku boiler CFBC akan memberikan penggunaan ruang yang semakin baik, partikel bahan bakar lebih besar, waktu tinggal bahan penyerap untuk pembakaran yang efisien dan penangkapan SO2 yang semakin besar pula, dan semakin mudah penerapan teknik pembakaran untuk pengendalian NOx daripada pembangkit steam AFBC.

2.8 Stoker Fired Boilers

Stokers diklasifikasikan menurut metode pengumpanan bahan bakar ke tungku dan oleh jenis grate nya. Klasifikasi utama nya adalah spreader stoker dan chain-gate atau raveling-gate stoker.

8.1 Spreader stokers

Spreader stokers memanfaatkan kombinasi pembakaran suspensi dan pembakaran grate. Batubara diumpankan secara kontinyu ke tungku diatas bed pembakaran batubara. Batubara yang halus dibakar dalam suspensi; partikel yang lebih besar akan jatuh ke grate, dimana batubara ini akan dibakar dalam bed batubara yang tipis dan pembakaran cepat. Metode pembakaran ini memberikan fleksibilitas yang baik terhadap fluktuasi beban, dikarenakan penyalaan hampir terjadi secara cepat bila laju pembakaran meningkat. Karena hal ini, spreader stoker lebih disukai dibanding jenis stoker lainnya dalam berbagai penerapan di industri.

8.2 Chain-grate atau traveling-grate stoker

Batubara diumpankan ke ujung grate baja yang bergerak. Ketika grate bergerak sepanjang tungku, batubara terbakar sebelum jatuh pada ujung sebagai abu. Diperlukan tingkat keterampilan tertentu, terutama bila menyetel grate, damper udara dan baffles, untuk menjamin pembakaran yang bersih serta menghasilkan seminimal mungkin jumlah karbon yang tidak terbakar dalam abu. Hopper umpan batubara memanjang di sepanjang seluruh ujung umpan batubara pada tungku. Sebuah grate batubara digunakan untuk mengendalikan kecepatan batubara yang diumpankan ke tungku dengan mengendalikan ketebalan bed bahan bakar. Ukuran batubara harus seragam sebab bongkahan yang besar tidak akan terbakar sempurna pada waktu mencapai ujung grate.

9 Pulverized Fuel Boiler

Kebanyakan boiler stasiun pembangkit tenaga yang berbahan bakar batubara menggunakan batubara halus, dan banyak boiler pipa air di industri yang lebih besar juga menggunakan batubara yang halus. Teknologi ini berkembang dengan baik dan diseluruh dunia terdapat ribuan unit dan lebih dari 90 persen kapasitas pembakaran batubara merupakan jenis ini. Untuk batubara jenis bituminous, batubara digiling sampai menjadi bubuk halus, yang berukuran +300 micrometer (μm) kurang dari 2 persen dan yang berukuran dibawah 75 microns sebesar 70-75 persen. Harus diperhatikan bahwa bubuk yang terlalu halus akan memboroskan energi penggilingan. Sebaliknya, bubuk yang terlalu kasar tidak akan terbakar sempurna pada ruang pembakaran dan menyebabkan kerugian yang lebih besar karena bahan yang tidak terbakar. Batubara bubuk dihembuskan dengan sebagian udara pembakaran masuk menuju plant boiler melalui serangkaian nosel burner. Udara sekunder dan tersier dapat juga ditambahkan. Pembakaran berlangsung pada suhu dari 1300 – 1700 °C, tergantung pada kualitas batubara. Waktu tinggal partikel dalam boiler biasanya 2 hingga 5 detik, dan partikel harus cukup kecil untuk pembakaran yang sempurna. Sistim ini memiliki banyak keuntungan seperti kemampuan membakar berbagai kualitas batubara, respon yang cepat

terhadap perubahan beban muatan, penggunaan suhu udara pemanas awal yang tinggi dll.

Salah satu sistim yang paling populer untuk pembakaran batubara halus adalah pembakaran tangensial dengan menggunakan empat buah burner dari keempat sudut untuk menciptakan bola api pada pusat tungku.

kebutuhan steam lebih dari steam yang dihasilkan menggunakan gas buang panas, dapat digunakan burner tambahan yang menggunakan bahan bakar. Jika steam tidak langsung dapat digunakan, steam dapat dipakai untuk memproduksi daya listrik menggunakan generator turbin uap. Hal ini banyak digunakan dalam pemanfaatan kembali panas dari gas buang dari turbin gas dan mesin diesel.

11 Pemanas Fluida Termis

Saat ini, pemanas fluida termis telah digunakan secara luas dalam berbagai penerapan untuk pemanasan proses tidak langsung. Dengan menggunakan fluida petroleum sebagai media perpindahan panas, pemanas tersebut memberikan suhu yang konstan. Sistim pembakaran terdiri dari sebuah fixed grate dengan susunan draft mekanis. Pemanas fluida thermis modern berbahan bakar minyak terdiri dari sebuah kumparan ganda, konstruksi tiga pass dan dipasang dengan sistim jet tekanan. Fluida termis, yang bertindak sebagai pembawa panas, dipanaskan dalam pemanas dan disirkulasikan melalui peralatan pengguna. Disini fluida memindahkn panas untuk proses melalui penukar panas, kemudian fluidanya dikembalikan ke pemanas. Aliran fluida termis pada ujung pemakai dikendalikan oleh katup pengendali yang dioperasikan secara pneumatis, berdasarkan suhu operasi. Pemanas beroperasi pada api yang tinggi atau rendah tergantung pada suhu minyak yang kembali yang bervariasi tergantung beban sistim.

Keuntungan pemanas tersebut adalah:

§ Operasi sistim tertutup dengan kehilangan minimum dibanding dengan boiler steam.

§ Operasi sistim tidak bertekanan bahkan untuk suhu sekitar 250 0C dibandingkan kebutuhan tekanan steam 40 kg/cm2 dalam sistim steam yang sejenis.

§ Penyetelan kendali otomatis, yang memberikan fleksibilitas operasi.

§ Efisiensi termis yang baik karena tidak adanya kehilangan panas yang diakibatkan oleh blowdown, pembuangan kondensat dan flash steam.

Faktor ekonomi keseluruhan dari pemanas fluida termis tergantung pada penerapan spesifik dan dasar acuannya. Pemanas fluida thermis berbahan bakar batubara dengan kisaran efisiensi panas 55-65 persen merupakan yang paling nyaman digunakan dibandingkan dengan hampir kebanyakan boiler. Penggabungan peralatan pemanfaatan kembali panas dalam gas buang akan mempertinggi tingkat efisiensi termis selanjutnya

 

3. PENGKAJIAN BOILER

Bagian ini menjelaskan evaluasi Kinerja boiler (melalui metode langsung dan tidak langsung termasuk contoh perhitungan efisiensi), blowdown boiler, dan pengolahan air boiler.

3.1 Evaluasi Kinerja Boiler

Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang terhadap waktu

disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan.

3.1.1 Neraca Panas

Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masingmasing.

 

Gambar 11. Diagram neraca energi boiler

Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam.

Gambar 12. Kehilangan pada Boiler yang Berbahan Bakar Batubara

Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat dihindarkan. Tujuan dari Produksi Bersih dan/atau pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi:

 

§ Kehilangan gas cerobong:

- Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan).

- Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan),

beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler).

§ Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi dan pemeliharaan; teknologi burner yang lebih baik).

§ Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat)

§ Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat)

§ Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik)

3.1.2 Efisiensi Boiler

Efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai “persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan.” Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler:

§ Metode Langsung: energi yang didapat dari fluida kerja (air dan steam) dibandingkan

dengan energi yang terkandung dalam bahan bakar boiler.

§ Metode Tidak Langsung: efisiensi merupakan perbedaan antara kehilangan dan energi

yang masuk.

 

3.1.3 Metode langsung dalam menentukan efisiensi boiler Metodologi

Dikenal juga sebagai ‘metode input-output’ karena kenyataan bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output (steam) dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk evaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:

 

Parameter yang dipantau untuk perhitungan efisiensi boiler dengan metode langsung adalah:

§ Jumlah steam yang dihasilkan per jam (Q) dalam kg/jam

§ Jumlah bahan bakar yang digunakan per jam (q) dalam kg/jam

§ Tekanan kerja (dalam kg/cm2(g)) dan suhu lewat panas (oC), jika ada

§ Suhu air umpan (oC)

§ Jenis bahan bakar dan nilai panas kotor bahan bakar (GCV) dalam kkal/kg bahan

bakar

Dimana

§ hg – Entalpi steam jenuh dalam kkal/kg steam

§ hf – Entalpi air umpan dalam kkal/kg air

Contoh

Cari efisiensi boiler dengan metode langsung dengan data yang diberikan dibawah ini:

§ Jenis boiler                                                              Berbahan bakar batubara

§ Jumlah steam (kering) yang dihasilkan:                                 10 TPJ

§ Tekanan steam (gauge) / suhu:                                            10 kg/cm2 (g)/ 1800 C

§ Jumlah pemakaian batubara:                                                2,25 TPJ

§ Suhu air umpan :                                                                 850 C

§ GCV batubara:                                                                   3200 kkal/kg

§ Entalpi steam pada tekanan 10 kg/cm2 :                               665 kkal/kg (jenuh)

§ Entalp of air umpan:                                                            85 kkal/kg

 

Keuntungan metode langsung

§ Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler

§ Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan

§ Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan

§ Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark

 

Kerugian metode langsung

§ Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistim yang lebih rendah

§ Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi

3.1.4 Metode tidak langsung dalam menentukan efisiensi boiler

Metodologi

Standar acuan untuk Uji Boiler di Tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC-4-1 Power Test Code Steam Generating Units. Metode tidak langsung juga dikenal dengan metode kehilangan panas. Efisiensi dapat dihitung dengan mengurangkan bagian kehilangan panas dari 100 sebagai berikut:

 

Efisiensi boiler (n) = 100 – (i + ii + iii + iv + v + vi + vii)

Dimana kehilangan yang terjadi dalam boiler adalah kehilangan panas yang diakibatkan oleh:

i. Gas cerobong yang kering

ii. Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar

iii. Penguapan kadar air dalam bahan bakar

iv. Adanya kadar air dalam udara pembakaran

v. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash

vi. Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash

vii. Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung

 

Kehilangan yang diakibatkan oleh kadar air dalam bahan bakar dan yang disebabkan oleh pembakaran hidrogen tergantung pada bahan bakar, dan tidak dapat dikendalikan oleh perancangan. Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi boiler dengan menggunakan metode tidak langsung adalah:

§ Analisis ultimate bahan bakar (H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu)

§ Persentase oksigen atau CO2 dalam gas buang

§ Suhu gas buang dalam oC (Tf)

§ Suhu ambien dalam oC (Ta) dan kelembaban udara dalam kg/kg udara kering

§ GCV bahan bakar dalam kkal/kg

§ Persentase bahan yang dapat terbakar dalam abu (untuk bahan bakar padat)

§ GCV abu dalam kkal/kg (untuk bahan bakar padat)

 

 

 

 

 

Fotokatalis

Pengertian Fotokatalis

Istilah fotokatalis merupakan gabungan dua kata yaitu foto dan katalisis, sehingga dapat diartikan sebagai suatu proses kombinasi reaksi fotokimia yang memerluakan unsure cahaya dan katalis untuk mempercepat terjadinya transformasi kimia. Transformasi tersebut terjadi pada permukaan katalis yang katalisnya disebut sebagai fotokatalis. Fotokatalis merupakan salah satu metode AOPs (Advanced Oxidation Processes). Karakteristik AOPs adalah pembentukan radikal bebas yang sangat aktif, terutama radikal hidroksil (OH˙) [Litter, 1999; Malato,2003]. Bahan yang dapat dijadikan fotokatalis merupakan semikonduktor yang mampu mengadsorp foton.

Proses fotokatalis banyak diaplikasikan untuk penghilangan atau pendegradasian polutan cair menjadi senyawa yang lebih ramah lingkungan, misalanya untuk pengolahan fenol. Suatu teknologi yang didasarkan pada iradiasi fotokatalis semikonduktor seperti titanium dioksida (TiO2), seng oksida (ZnO) atau cadmium sulfide (CdS) yang tergolong sebaagai fotokatalis heterogen [Hermann, 1999].

Fotokatalis heterogen didefinisiakan sebagai proses katalisis dimana satu atau lebih tahapan reaksi berlangsung dengan kehadiran pasangan electron-hole yang dihasilakn pada permukaan bahan semiokonduktor yang diiluminasi oleh cahaya pada tingkat energi yang sesuai. Adapun prosesenya dapat dilakukan dalam berbagai media, yaitu organik murni fase cair dan larutan encer.

Proses keseluruhan yang terjadi padea reaksi katalisis heterogen, baik yang diaktifasi secara termal (katalisis konvensional) maupun yang diaktivasi dengan cahaya (fotokatalis) adalah sebagai berikut [Fogler, 1999] :

1.   Transfer massa reaktan dalam fase fluida (cair atau gas) ke permukaan katalis.

2.   Adsorpsi reaktan ke permukaan katalis.

3.   reaksi dalam fase teradsorpsi.

4.   Desorpsi produk dari permukaan.

5.   Pemindahan produk (transfer massa) dari daerah antar permukaan (interfasa).

Reaksi fotokatalisis terjadi pada fase teradsorpsi (lamhkah 3). Perbedaanya dengan katalisis konvensional hanyalah model aktivasi katalis dimana aktivasi termal pada proses katalisis digantikan oleh aktivasi foton. Model aktivasi ini tidak pada tahap 1, 2, 4 dan 5, walaupun fotoadsorpsi dan fotodesorpsi reaktan terutama oksigen ada.

Reaksi fotokatalisis memp[unyai sifat yang khusus bola dibandingkan dengan reaksi lainnya. Sifat khusus tersebut meliputi [Sofyan, 1998] :

1.   Reaksi fotokatalisis menggunkan daya oksidasi yang sangat tinggi.

2.   Reaksi fotokatalisi merupakan reaksi permukaan.

3.   Reaksi fotokatalisis terjadi melalui radiasi sinar UV.

Mekanisme Fotokatalisis

Fenomena fotokatalisis diawali dengan fotoeksitasi, sebagai akibat adanya cahaya ultraviolet yang mengenai dahan semikonduktor memiliki energi yanga lebih besar dari celah pita semikonduktornya, sehingga akan mentransfer electron dari pita valensi ke pita konduksi sekaligus menghasilkan hole (h+) pada pita valensi. Jadi, proses fotoeksitasi akan menghasilakn electron pada pita konduksi dan hole pada pita valensi. Reaksi yang terjadi untuk fenomena ini adalah [Hermann, 1999; Sopyan, 1998] :

 

Semikonduktor  +  hv                                    (ecb- +  hvb+)                            (2.1)

 

Selanjutnya pasangan elektron-hole yang tyerbentuk akan berekombinasi di dalam partikel (jalur B), dan berekombinasi di permukaan partikel (jalur A), tetapi ada pula yang tidak berekombinasi dsan langsung ke permukaan partikel. Reaksi rekombinasi pasangan h+/e- dituliskan sebagai berikut [Hermann. 1999; Sopyan, 1998] :

 

Semikonduktor(ecb- +  hvb+)                          Semikonduktor + heat           (

Elektron yang sampai pada permukaan partikel (jalur C) akan mendonasikan dirinya kepada molekul yang teradsorpsi dipermukaan dimana molekul tersebut akan mengalami reduksi sehingga dihasilakan radikal anion, A- (oksidator), sedangkan hole yang sampai permukaan (jalur D) akan menarik elektron dari molekul yang ada dipermukaan sehinga molekul akan mengalami oksidasi. Molekul yang teradssorpsi bersifat donor elektron sehingga hasil penangkapan hole akan menghasilakan radikal kation, D+ (reduktor). Reaksi tersebut dapat ditunjukkan sebagai berikut [Litter, 1999; Fogler, 1999] :

 

D(ads) +   h+ D+(ads) (2.3)

A(ads) +   e- A-(ads) (2.4)

 

Donor elektron yang teradsorpsi (reduktor) dapat dioksidasi melalui transfer elektron ke hole diatas permukaan dan penangkapan hole akan menghasilkan adikal kation, D+ (persamaan 2.3). adapaun akseptor elektron yang teradsorpsi (oksidator) dapat tereduksi dengan menerima sebuah elektron dari permukaan sehingga penangkapan elektron akan menghasilkan radikal anion, A- (persamaan 2.4).

Reaksi rekombinasi antara elektron dan hole dapat ditunjukaan dengan persamaan berikut :

e-      +      h+                          N   +    E (2.5)

dimana N adalah bahan semikonduktor yang netral dan E adalah energi yang dilepaskan dibawah sinar UV atau panas semikonduktor [Litter, 1999].

Katalis Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang memiliki daerah energi kosong (void energy region) yang disebut celah pita (band gap) yang berada diantara konduktor dan isolator. Banyak jenis bahan semikonduktor yang tersedia secara komersial tetapi hanya sedikit yang cocok dipakai sebagai fotokatalis dalam menguraikan ber4bagai polutan organik. Kriteria yang diperlukan bahan semikonduktor sebagai katalis adalah [Litter, 1999] :

1.   Bersifat fotoaktif

2.   Mampu memanfaatkan cahaya tampak atau ultraviolet dekat

3.   Bersifat inert secara biologis dan kimiawi

4.   Bersifat fotostabil (stabil terhadap cahaya)

5.   Murah dan mudah didapatkan

6.   Tidak larut dalam reaksi

Katalis semikonduktor untuk proses fotokatalisis terdiri dari jenis oksida dan sulfida. Katalis semikonduktor termasuk jenis oksida contohnya TiO2, Fe2O3, ZnO, SnO2, dan WO3, sedangkan yang termasuk jenis sulfida contohnya CdS, CuS, dan ZnS [Hermann, 1999; Toyoda, 2000].

Bahan semikonduktor ini memiliki energi celah pita, yaitu daerah kosong yang memanjang dari puncak pita valensi terisi (Filled Valency Band) hingga dasar pita valensi yang kosong (Vacant Conduction Band), yang cukup untuk dieksitasi oleh sinar ultraviolet (sinar UV) atau sinar tampak, dan potensial reduksi anatar valance band (vb) dan conduction band (cb), dapat menghasilkan rangkaian reaksi oksidasi dan reduksi. Besarnya celah energi antara pita valensi dan pita konduksi tersebut akan menentukan tingkat populasi termal dari pita konduksi atau dengan kata lain tingkat konduktivitas listrik dari semikonduktor tersebut. Celah piata tersebut mendefinisikan sensivitas panjang gelombang dari semikonduktor yang bersangkutan terhadap radiasi [Hermann, 1999].

 

Fotokatalis TiO2

Dari hasil penelitian menunjukkan bahwa umumnya TiO2 paling setring digunakan sebagai fotokatalis dalam aplikasi reaksi fotokatalisis khususnya pengolahan limbah. Ada beberapa keunggulan TiO2 dibandingkan fotokatalisis semikonduktor lainnya [Linsebigler, 1995; Sopyan, 1998] :

1.   Mempunyai celah pita (band gap) yang besar (3,2 eV anatase dan 3,0 eV untuk rutile), sehingga  memungkinkan banyak terjadinya eksitasi elektron ke pita konduksi dan pembentukan hole pada pita valensi saat diinduksi cahaya ultraviolet.

2.   TiO2 mempunyai sifat stabil terhadap cahaya (fotostabil)

3.   Mampu menyerap cahaya ultraviolet dengan baik

4.   Bersifat inert dalam reaksi

5.   Tidak baracun dan tidak larut dalam kondisi eksperimen

6.   Secara umum memiliki aktivitas fotokatalisis yang lebih tinggi dari pada fotokatalisis lain seperti ZnO, CdS, WO2, dan SnO2.

7.   Memiliki kemampuan oksidasi yang tertinggi, termasuk zat organik yang sulit terurai sekalipun haloaromatik, polimer, herbisida dan pestisida

TiO2 terdiri dari dua bentuk kristalogafik utama, anatse dan rutile. Energi band gap untuk anatase (3.23 eV , 3.84 nm) dan ritile eV , 411 nm) [Litter, 1999]. Specific grafity anatse 3,84 dan rutile 4,26. Indeks refraktif anatase 2,25 dan rutile 2,75 dan daya adsorpsi rutile terhadap sinar ultraviolet lebih kuat (360 nm – 400 nm) [Byrne, 1998]. Anatase merupakan bentuk alotrofik paling aktif dibangdingkan bentuk lainnya yang ada, bentuk alami (rutile dan brookite) atau bentuk artificial (TiO2-B, TiO2-H). TiO2 dalam bentuk anatase secara termodinamika lebih stabil daripada rutile tetapi pembentukannya secara kinetik lebih baik pada suhu rendah (<600oC). Temperatur rendah ini dapat menjelaskan luas permukaan yang lebih tinggi. TiO2 bentuk komersila yang apaling p[opuler dan sangat aktif adalah Degussa P-25 yang memiliki komposisi 80% anatase dan 20% rutile [Sopyan, 1998], luas permukaan BET 55 m2/g, dan diameter partikel 30 nm [Linsebigler, 1995].

Fotokatalisis TiO2 memiliki celah pita (band gap) sebesar 3,2 volt yang bila disinari UV pada panjang gelombangsekitar 340-390 nmdalam larutan (air), maka akan menghasilakan pasangan elektron (e-) dan hole (h+) yang bermuatan positif, seperti pada persamaan 2.1.

Besarnya energy band gap akan mempengaruhi daerah panjang gelombang penyinaran yang optimal untuk mengeksitasi elektron pada pita valensi semikonduktor. Hal ini dinyataka lewat persamaan :

E = hv= hc/λ                                                                                                    (2.6)

Dimana h adalah konstanta planck, c adalah cepat rambat cahaya, dan λ adalah panjang gelombang cahaya yang digunakan. Bagi TiO2 anatase, dengan band energy sebesar 3,2 eV, dapat menyerap secara optimal sinar pada panjang gelombang 388 nm [Amemiya, 2004].

Secara umum, TiO2 dalam fasa anatase mempunyai aktivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan fasa rutile, karena pada fasa anatase TiO2 memiliki luas p[ermukaan yang lebih besar dan ukuran yang lebih kecil dibanding rutile. Fotokatalis dapat digunakan dalam bentuk serbuk dan lapisa tipis atau film dalam aplikasi fotokatalisis fasa cair. Keuntungan katalis serbuk adalah effisiensi pengolahan yang tinggi karena memilki luas permukaan yang besar untuk adsorpsi ataupun reaksi, transfer massa yang baik antara kontaminan dalam larutan dengan fotoikatalisnya dan pressure dropnya rendah [Djikstra, 2001; Hermann, 1999; Malato, 2002; Matthews, 1992; Sopyan, 1996].

Namun, permasalahan yang timbul akibat pemakaian TiO2 dalambentuk serbuk yaitu [Chan, 2003; Hermann, 1999; Malato, 1992; Matthews, 1992] :

1.   Sulitnya pemisahan katalis dari suspensi setelah reaksi

2.   Partikel yang tersuspensi cenderung menggumpal

3.   Suspensi partikel tidak mudah diaplikasikan ke sistem aliran kontinyu

4.   Kedalam penetrasi sinar UV ke dalam suspensi TiO2 terbatas

Parameter Yang Mempengaruhi Proses Fotokatalis

Beberapa parameter yang mempengaruhi proses fotokatalisis diantaranya pH, loading katalis, panjang gelombang cahaya, konsentrasi awal reaktan, temperatur, serta pengaruh keberadaan dan tekanan oksigen [Hermann, 1999].

a.   pH

Ukuran partikel katalis TiO2 sangat dipengaruhi oleh pH. Semakin asam atau basa suatu limbah maka ukuran katalis TiO2 akan semakin kecil, sehingga luas permukannnya senakin besar. Dalam keadaan asam maka permukaan katalis akan bermuaran positif, sehingga daya tolak antar partikel katalis akan semakin besar yang menyebabkan katalis akan terdistribusi merata diseluruh spesi cairan. Begitu pula sebaiknya dalam keadaan basa [Hermann, 1999].

Pada keadaan pH netral katalis memiliki ukuran partikel yang sangat besar. Dalam pH netral dimana cairan tidak bermuatan menyebabkan permukaan katalis juga menjaditidak bermuatan (zero Charge Point) sehingga daya tarik antar partikel katalis menjadi lebih besar dan menyebabkan katalis membentuk gumpalan-gumpalan.

Pada proses yang menggunakan sistem katalis slurry, pada tahap pengendapan katalis dilakukan pada pH netral. Dengan ukuiranya yang besar pada pH netral, maka separasi antar katalis dan limbah yang telah diolah lebih mudah dilakukan sehingga dapat di recovery dan produk akhir yang telah murni dapat dimanfaatkan untuk keperluan yang lain. Sistem ini telah diaplikasikan di PSA, Spanyol dengan adanya satu unit khusus yang memisahkan katalis dari produk akhir dengan sistem penetralan.

b.   Berat katalis

baik adalam keadaan statis, slurry ataupun dalam aliran dianamis pada fotoreaktor, laju reaksi awal dipengaruhi oleh jumlah katalis. Pada Gambar 2.5 terlihat laju reaksi awal tergantung pada berat katalis. Semakin tinggi berat katalis yang digunakan maka laju reaksi awalnya menjadi lebih besar sampai pada berat tertentu laju reaksi awalnya menjadi konstan.

Untuk TiO2 yang memiliki EG = 3,02 eV (rutile) sebagai contoh, membutuhkan λ < 400 nm yaitu pada rentang sinar UV-A (near-UV). Sebagai tambahan, sifat reaktan juga harus diperhatikan apakah dapat menyerap cahaya atau tidak.

d.   Konsentrasi awal reaktan

secara umum, kinetika laju reaksi mengikuti mekanisme Langmuir-Hinshelwood yang berlaku untuk katalisis keterogen dimana laju reaksi berbanding lurus dengan θ sesuai persamaan berikut :

r = k θ                                                                                      (2.7)

Adapun hubungan antara konsentrasi awal reaktan dengan laju reaksi ditunjukkan pada Gambar 2.7

 

 

 

 

 

 

 

 

Gambar 2.7 Pengaruh konsentrasi awal reaktan terhadap laju reaksi [Hermann, 1999]

e.   Temperatur

Energi aktifasi pada proses fotokatalisis dalah energi foton, maka pada reaksi fotokatalisis tidak membutuhkan pemenasan dan dapat beroprasi pada temperatur ruang. Pengaruh temperatur terhadaplaju reaksi dapat dilihat pada Gambar 2.8. pada rentang tewmperatur medium (20oC ≤ θ ≤ 80 oC) energi aktifasi sebenarnya (true activation energy) sangat kecil (beberapa kJ/mol).

Tetapi pada temperatur yang sangat rendah (-40 oC ≤ θ ≤ 0 oC), aktivasinya berkurang sedangkan Ea meningkat seperti yang terlihat pada gambar 2.7 diatas. Desorpsi produk menjadi tahap penentulaju reaksi dan Ea dipengaruhi oleh panas adsorpsi produk. Sedangkan pada suhu diatas 80 oC, proses eksotermis dari adsorpsi reaktan A menjadi tahapa penetu laju reaksi, akibatnya aktifitas menurun.

f.    Pengaruh keberadaan dan tekanan oksigen

Untuk beberapa reaksi, keberadaan oksigen sangat penting yaitu sebagai reduktor diaman elektron yang dihasilkan oleh proses fotokatalisi akan digunakan mereduksi molekul oksigen yang terlartut menjadi anion oksigen. Fenomena ini terutama dibutuhkan pada proses oksidasi limbah organik.

Sc

Polutan organik + O2 CO2 + H2O + asam mineral                                    (2.8)

EG

Pada reaksi fasa cair, umunya diasumsikan oksigen diadsorpsi oleh katalis dari fasa cairnya. Jika oksigen terus menerus disupplai dapat diasumsikan bahwa keberadaannya pada permukaan katalis konstan.

Ozon

Ozon adalah molekul yang tersusun dari 3 (tiga) buah atom oksigen, senyawa ini merupakan oksidator kuat (oksidasi potensial 2,07 eV), sehingga dapat digunakan sebagai oksidator dalam penguraian zat/pencemar organik dan penyisihan logam-logam terlarut dalam proses pengolhan limbah dan dalam pengolahan air [http://www.sinarharapan.com].

Ozon pertama kali ditemukan oleh CF Schonbein pada tahun 1840. penemaan ozon diambil dari bahasa yunani ozein yang berarti smell atau bau dan dikenal sebagai gas yang tidak memiliki warna [Sugiarto, 203]. Ozon dapat larut dalam air yang menghasilkan hidroksil radikal (OH-), diaman memiliki potensial oksidasi sangat tiggi (2,8 V) [Beltran, 1997].

 

1  Kegunaaan Ozon

Proses ozonasi pertama kali dikenalkan oleh Nies dari negara Perancis sebagai metode intuk mensterilkan air minum pada tahun 1996. penggunaan proses ozonasi ini kemudian berkembang dengan pesat yaitu untuk pengolahan air minum yang menggunakan sistem ozonasi di Amerika Serikat [Sugiarto, 2003].

Di Asia, pemanfaatan ozon untuk mengolah air minum pertama kali dilakukan dikota Amagasaki, Jepang pada tahun 1973. Menurut Kuprianoff (1953) berbagai pemanfaatan ozon antara lain untuk pengolahan air minum adan air limbah, ozon untuk sterilisasi bahan makanan mentah seperti daginmg dan ikan dengan menghambat perkembangan jamur, sayur mayur dan buah-buahan, ozon sterilisasi peralatan seperti aplikasi dalam bidang kedokteran, dan memperlancar aliran darah [Sugiarto, 2003].

Ozon dengan kemampuan oksidasinya dapat menguraikan berbagai macam senyawa organik beracun yang terkandung dalam air limbah, seperti benzene, atrazine, dioxine, dan berbagai ztat pewarna organik [Sugiarto, 2003]. Menurut violle (1929) melalui proses oksidasinya pula ozon mampu membunuh berbagai macam mikroorganisme seperti bakteri Escherichia coli, Salmonella enteriditis, serta bakteri pathogen lainnya.

 

2 Sifat Kimia Ozon

Ozon berbentuk gas apada suhu dan tekanan normal. Ozon merupakan senyawa yang tidak stabil yang mudah terdekomposisi kembali menjadi oksigen, oksidator yang sangat kuat dan reaktif, tidak menghasilkan produk yang berbahaya (rmah lingkungan), menghilangkan bau sulfur, dan dapat mendegradasi senyawa Fe dan Mn yang terlarut dalam air, terutama didasarkan pada fenomene terurainya ozon dalam air seperti dapat digambarkan dalam persamaan berikut [www.ozonapplication.com] :

O3  +  H2O                             HO3+  +  OH-                         (2.9)

HO3+  +  OH-                         2 H2O                                     (2.10)

O2  +  H2O                             HO  +  2 O2                            (2.11)
HO  +  2 O2                            H2O  +  O2                             (2.12)

 

3 Sifat Fisik Ozon

Ozon (O3) adalah bentuk alotropik dari oksigen (O2) yang tidak berwarna (pada suhu kamar) yang dapat mengembun membentuk suatu cairan biru pada suhu -112oC dan akan membeku pada suhu -251oC. Pada shu diatas 100oC akan dengan cepat mengalami dekomposisi. Dalam larutan cair, ozon relatif tidak stabil dan memiliki waktu apruh sekitar 20-30 menit dalam air destilasi pada suhu 20oC. Tetapi pada udara kering, ozon lebih stabil dan memiliki waktu paruh sekitar 12 jam [B. Lnglais., dkk, 1991].

4 Pembuatan ozon

Secara ilmiah ozon dapat terbentuk melalui radiasi sinar ultraviolet pancaran sinar matahari. Chaperman menjelaskan pembentukan ozon secara ilmiah (1930) bahwa sinar ultraviolet dari pancaran sinar matahari mampu menguraikan gas oksigen di udara bebas [Sugiarto, 2003].

Molekul oksigen tersebut terurai menjadi dua buah atom oksigen, proses ini kemudian dikenal dengan nama photolysis. Lalu ayom oksigen secara ilmiah bertumbukan dengan molekul gas oksigen yang ada disekitarnya, lalu terbentuklah ozon. Ozon yang terdapat pada lapisan stratosphere dikenal dengan nama ozone layer (lapisan ozon) dalah ozon yang terjadi dari hasil proses alamiah photolysis ini [Sugiarto, 2003].

Selain proses alamiah, ozon juga dapat terbentuk dengan menggunakan peralatan antara lain dengan metode electrical discharge dan sinar radioaktif. Pembuatan ozon dengan electrical discharge pertama kali dilakukan oleh Siemens pada tahun 1857 dengan mempergunakan metode dielectric barrier discharge.

Pembentukan ozon dengan electrical discharge ini secara prinsip sangat mudah. Prinsip ini dijelaskan oleh Devins pada. tahun 1956, yang menjelaskan bahwa tumbukan dari elektron yang dihasilkan oleh electrical discharge dengan molekul oksigen menghasilkan dua buah atom oksigen. Selanjutnya atom oksigen ini secara alamiah akan bertumbukan kembali dengan molekul oksigen disekitarnya, lalu terbentuklah ozon. Akhir-akhir ini metode electrical discharge merupakan metode yang paling banyak dipergunakan dalam pembuatan ozon diberbagai kegiatan industri [Sugiarto, 2003].

O2 +   2e- O2- (2.13)

2O- +   2O2 2O3 +  2e- (2.14)

 

5  Ozon dan Ultraviolet

Teknologi oksidasi (ozon dan ultraviolet) dapat mengolah limbah cair sehingga air yang dihasilkan dari proses tersebut dapat digunakan kembali sebagai air baku dalam proses. Kombinasi antara ozon dan ultraviolet sangat potensial untuk mengoksidasi berbagai jenis senyawa organik beracun, bakteri patogen, dan minyak yang terkandung di dalam limbah cair. Kombinasi antara ozon dan ultraviolet menghasilkan sistem oksidasi pengolahan limbah cair yang sangat kompak untuk penyediaan bahan baku air bersih [www.mediaindonesia.com].

Ozon yang merupakan spesies aktif dari oksigen memiliki oksidasi potensial 2,07 V, lebih tinggi dari klorin yang hanya memiliki oksidasi potensial 1,36 V. Perpaduan antara ozon dan ultraviolet menghasilkan spesies aktif hidroksil radikal yang memiliki kemampuan oksidasi lebih tinggi dari ozon yaitu 2,8 V pada pH asam, sehingga mampu mengoksidasi hampir seluruh bahan organic yang umumnya terkandung dalam limbah cair [www.mediaindonesia.com].

Reaksi pembentukan radikal OH- akibat penyinaran UV adalah sebagai berikut :

hv

O3 +    H2O                                    2OH- +   O2 (2.15)

Adapun manfaat hidroksil radikal meliputi mengoksidasi berbagai senyawa organik seperti clorofenol, pestisida, dioxin, nitrat, dan sianida, mengoksidasi besi dan mangan, menghancurkan dan menguraikan algae, dan dapat menghilangkan senyawa-senyawa turunan yang mungkin terbentuk selama proses oksidasi berlangsung. Keunggulan yang didapat dari kombinasi ozon dan ultraviolet tidak membutuhkan areal instalasi pengolahan limbah yang luas, waktu pengolahan yang cepat, penggunaan bahan kimia yang sedikit, penguraian senyawa organik yang efektif, keluaran limbah lumpur sedikit, dan air hasil pengolahannya dapat digunakan kembali [www.mediaindonesia.com].

 

Katalis

Katalis adalah substansi yang mempercepat reaksi tetapi tidak terkonsumsi apada reaksi tersebut [http//www.uic.com]. Senyawa antara yang dihasilkan bersifat sangat aktif sehingga secara cepat dapat mengalami perubahan mengikuti tahap reaksi yang berlangsung sampai akhirnya menjadi produk dan meninggalkan katalis kembali ke bentuk semula. Hal ini disebabkan karena katalis dapat menurunkan energi aktivasi suatu reaksi.

Umumnya katalis bersifat spesifik, artinya katalis tertentu dapat mempercepat reaksi tertentu. Katalis yang dibentuk dari komponen – komponen yang menunjang sifat katalis yang diharapkan. Pada dasarnya sifat katalis yang diharapkan adalah aktif, selektif, stabil dan ekonomis [Fogler, 1999].

Berdasarkan fasanya, katalis dibagi menjadi dua jenis yaitu katalis homogen dan katalis heterogen. Katalis homogen adalah katalis yang berada pada fasa yang sama dengan fasa reaktan, biasanya fasa cair. Sedangkan katalis heterogen adalah katalis yang berbeda fasa dengan reaktannya.

Sintesis, Mekanik,Termal dan Sifat Kimia Poliuretane Berbasis Cardanol

ABSTRAK

Cardanol, merupakan suatu monomer sempurna untuk produksi polymer, cardanol terisolasi dari  CNSL dan di ikuti dengan reaksi formaldehida di rasio mole partikel menggunakan katalisator cuka glutaric untuk memberi  high-ortho novolac resin. . Karakteristik polyolhampir sama dengan diphenylmethane diisocyanate untuk  menghasilkan polyurethane kaku. polyol tersedia dalam bentuk komersial, polypropylene glycol-2000 ( PPG-2000), juga mempunyai  kesamaan dengan diphenylmethane diisocyanate dan polyol memproduksi tough polyurethane. Polyurethane-polyurethane ini  di kateristikan dengan respeknya ke sifat mekanis dan bahan reaksi kimia  seperti kekuatan-tarik, persentase pemanjangan, kekuatan dan kekerasan. Analisis diferensial termal  ( DTA) dan analisa thermo-gravimetric ( TGA) dikerjakan untuk karakteristik panas.

 

Kata kunci. Cardanol; Polyurethane; Diphenylmethane Diisocyanate; Polypropylene Glycol-2000.

BAB I

PENDAHULUAN

Dalam 20 tahun terakhir ini, perhatian terhadap sintese polymers berbasis pada cardanol ( Patel et Al  1989; Pillot et al 1989; Manjula et al 1991, 1992), sebuah  zat asam karbol meta-substituted alami dari  cairan cashew nut shell. Senyawa-senyawa tersebut memilki jumlah yang besar terhadap rekayasa cardanol dengan mengguakan reaktivitas kelompok fenil hydroxyl  ( Ghatge Dan Vailva 1975; Ghatge dan  Shinde 1979; Balakrishna et al 1990; Manjula et al 1990;  Yohanes Dan Pillai 1992; Madhusudhan Dan Murthy 1992;  Antony 1993). Bagaimanapun, hasil cardanol  resin formaldehida yang mendorong polyurethanes sangat terbatas. Dalam studi saat ini, resin cardanol formaldehida telah disiapkan dan dibuat untuk bereaksi dengan diphenylmethane diisocyanate untuk membentuk polyurethane kaku.

Polyurethane tough telah disiapkan menggunakan polypropylene tersedia glycol–2000 (PPG-2000) secara komersial bersamaan dengan resin cardanol formaldehida dan diisocyanate  di dalam perbandingan ration mole partical .

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Poliuretane

Poliuretan, yang umumnya disingkat PU, adalah apapun polimer yang terdiri dari sebuah rantai unit organik yang dihubungkan oleh tautan uretana (karbamat). Polimer poliuretan dibentuk oleh pereaksian sebuah monomer yang mengandung setidaknya dua gugus fungsional isosianat dengan monomer lainnya yang mengandung setidaknya dua gugus alkohol dalam kehadiran sebuah katalis. Perumusan poliuretan meliputi kekakuan, kekerasan, serta kepadatan yang amat beragam. Bahan-bahan ini di antaranya adalah:

Busa fleksibel berdensitas (kepadatan) rendah yang digunakan dalam bekleding dan bedding,busa kaku berdensitas rendah yang digunakan untuk isolasi termal dan dasboard mobil, elastomer padat yang empuk yang digunakan untuk bantalan gel serta penggiling cetakan, dan plastik padat yang keras yang digunakan sebagai bagian struktural dan bezel instrumen elektronik.

Poliuretan digunakan secara meluas dalam dudukan busa fleksibel berdaya lenting (daya pegas) tinggi, panel isolator busa yang kaku, segel busa mikroseluler dan gasket, roda dan ban karet yang tahan lama, senyawa pot elektrik, segel dan lem berkinerja tinggi, serat Spandeks, alas karpet, dan bagian plastik yang keras.

Berbagai produk dari poliuretan sering disebut “uretana”. Jangan samakan poliuretan dengan substansi uretana yang spesifik, yang juga dikenal sebagai etil karbamat. Poliuretan bukanlah hasil dari dan tidak mengandung etil karbamat.

2.2 Sejarah Poliuretane

Usaha menciptakan polimer poliuretan pertama kali dirintis oleh Otto Bayer dan rekan-rekannya pada tahun 1973 di labolatorium I.G. Farben di Leverkusen, Jerman. Mereka menggunakan prinsip polimerisasi adisi untuk menghasilkan poliuretan dari diisosianat cair dan polieter cair atau diol poliester seperti menunjuk ke berbagai kesempatan spesial, khususnya saat dibandingkan dengan berbagai plastik yang dihasilkan dari olefin, atau dengan polikondensasi. Awalnya, usaha difokuskan pada produksi serat dan busa yang fleksibel. Kendati pengembangan terintangi oleh Perang Dunia II (saat itu PU digunakan dalam skala terbatas sebagai pelapisan pesawat), poliisosianat telah menjadi tersedia secara komersial sebelum tahun 1952. Produksi komersialnya busa poliuretan yang fleksibel dimulai pada 1954, didasarkan pada toluena diisosianat (TDI) dan poliol poliester. Penemuan busa ini (yang awalnya dijuluki keju Swiss imitasi oleh beberapa penemu) adalah berkat jasa air yang tak sengaja dicampurkan ke dalam campuran reaksi. Bahan-bahan ini digunakan pula untuk memproduksi busa kaku, karet gom, dan elastomer. Serat linear diproduksi dari heksametilena diisosianat (HDI) dan 1,4-butanadiol (BDO).

Poliol polieter yang tersedia secara komersial untuk pertama kalinya, poli(tetrametilena eter) glikol, diperkenalkan oleh DuPont pada 1956 dengan mempolimerisasikan tetrahidrofuran. Glikol polialkilena yang tak begitu mahal diperkenalkan BASF dan Dow Chemical setahun selanjutnya, 1957. Poliol polieter menawarkan sejumlah keuntungan teknis dan komersial seperti biaya yang rendah, penanganan yang mudah, dan stabilitas hidrolitik yang lebih baik; dan poliol poliester bisa digantikan dengan cepat dalam pembuatan barang-barang dari poliuretan. Pada 1960, lebih dari 45.000 ton busa poliuretan yang fleksibel diproduksi. Seiring dengan perkembangan zaman, tersedianya bahan tiup klorofluoroalkana, poliol polieter yang tak mahal, dan metilena difenil diisosianat (MDI) menjadi bukti dan penggunaan busa kaku poliuretan sebagai bahan isolator berkinerja tinggi. Busa kaku yang didasarkan pada MDI polimerik menawarkan karakteristik pembakaran dan stabilitas suhu yang lebih baik daripada busa kaku berbasis TDI. Dalam 1967, diperkenalkan busa kaku poliisosianurat yang termodifikasi uretana, menawarkan sifat yang tak mudah terbakar serta stabilitas termal yang jauh lebih baik kepada berbagai produk isolator berdensitas rendah. Selain itu, dalam era 1960-an diperkenalkan pula sejumlah komponen pengaman bagian dalam otomotif seperti panel pintu dan instrumen yang dihasilkan dengan kulit termoplastik isian penguat dengan busa semi-kaku.

Pada 1969, Bayer AG memamerkan sebuah mobil yang semua komponennya dari plastik di Dusseldorf, Jerman. Komponen-komponen mobil itu dibuat dengan menggunakan sebuah proses baru bernama RIM (Reaction Injection Molding). Teknologi RIM menggunakan tumbukan bertekanan tinggi dari komponen cair yang dilanjutkan dengan mengalirkan campuran reaksi dengancepat ke dalam rongga cetak. Bagian-bagian berukuran besar, seperti panel bodi dan fasia otomotif, bisa dicetak dengan cara tersebut. Polyurethane RIM lambat laun berkembang menjadi berbagai macam produk serta proses. Penggunaan teknologi trimerisasi dan pemuai rantai diamina memberikan poli(uretana urea), poli(uretana isosianurat), dan poliurea RIM. Penambahan bahan pengisi, seperti kaca berigi (milled glass), mika, dan serat mineral olahan menghasilkan RRIM (reinforced RIM atau RIM yang diperkuat) yang memberikan berbagai peningkatan dalam modulus lendut (kekakuan) dan stabilitas termal. Modulus lendut semakin ditingkatkan dengan memasukkan glas mat praletak ke dalam rongga cetak RIM, yang juga dikenal sebagai SRIM, atau structural RIM.

Elastomer poliuretan yang sangat terisi maupun yang tak terisi kini digunakan dalam penerapan saringan minyak suhu-tinggi.

Busa poliuretan (termasuk juga karet busa) sering dibuat dengan menambahkan bahan asiri dalam jumlah kecil, yang disebuat bahan pembusa, ke campuran reaksi. Bahan asiri yang sederhana menghasilkan berbagai karakteristik kinerja yang penting, terutama sekali isolator termal. Di awal 1990-an, karena berdampak pada penyusutan ozon, Protokol Montreal mengakibatkan pada banyak berkurangnya penggunaan sebagian besar bahan pembusa yang mengandung klor, seperti triklorofluorometana (CFC-11). Alkil halida yang lain, seperti hidroklorofluorokarbon 1,1-dikloro-1-fluoroetana (HCFC-141b), digunakan sebagai pengganti sementara sampai penggunaannya dihapuskan secara bertahap di bawah perintah IPPC mengenai gas rumah kaca dalam 1994 dan oleh perintah Volatile Organic Compounds (VOC) dari Uni Eropa pada 1997. Di akhir 1990-an, penggunaan bahan pembusa seperti karbon dioksida, pentana, 1,1,1,2-tetrafloroetana (HFC-134a), dan 1,1,1,3,3-pentafluoropropana (HFC-245fa) mulai digunakan secara meluas dalam Amerika Utara dan Uni Eropa, meski bahan pembusa berklor tetap digunakan di kebanyakan negara sedang berkembang.

Berdasarkan pada teknologi pelapisan semprot poliuretan serta kimia polieteramina yang sudah ada, elastomer semprot poliurea dua-komponen mulai dikembangkan secara meluas di era 1990-an. Reaktivitas yang cepat dan ketidakpekaan relatifnya terhadap kelembaban membuatnya berguna untuk melapisi berbagai proyek wilayah permukaan yang besar, seperti pengurungan sekunder, pelapisan lubang got dan terowongan, serta tabung tangki. Adhesi yang sempurna bagi beton dan baja diperoleh dengan pengolahan permukaan yang tepat. Dalam periode yang sama, teknologi elastomer poliuretan-poliurea hibrid dan poliuretan dua-komponen digunakan untuk memasuki pasar bed liner muat semprot-di-tempat. Teknik untuk pelapisan truk pickup ini dan ruang kargo yang lain menciptakan sebuah komposit anti abrasi yang tahan lama dengan substrat logam, serta meniadakan korosi dan kerapuhan yang diasosiasikan dengan bed liner termoplastik yang drop-in.

Poliol dari minyak nabati untuk menghasilkan berbagai produk dari poliuretan mulai menarik perhatian pada 2004, sebagian disebabkan meningkatnya biaya bahan mentah petrokimia dan sebagian lagi disebabkan oleh semakin kuatnya tuntutan masyarakat atas produk-produk yang ramah lingkungan.

2.3 Sifat Kimia Poliurethane

Poliuretan berada dalam kelas senyawa yang disebut polimer reaksi, termasuk juga epoksi, poliester tak jenuh, dan fenol.[4][5][6][7][8] Sebuah rangkaian uretan dihasilkan dengan mereaksikan satu gugus isosianat, -N=C=O dengan satu gugus hidroksil (alkohol), -OH. Poliuretan dihasilkan oleh reaksi poliadisinya sebuah poliisosianat dengan sebuah polialkohol (poliol) dalam kehadiran sebuah katalis dan zat aditif yang lain. Dalam kasus ini, polisosianat merupakan molekul dengan dua atau lebih gugus fungsional isosianat, R-(N=C=O)n ≥ 2 sedang poliol adalah molekul dengan dua atau lebih gugus fungsional hidroksil, R’-(OH)n ≥ 2. Produk reaksi adalah sebuah polimer yang mengandung rangkaian uretan, -RNHCOOR’-. Isosianat akan bereaksi dengan apapun molekul yang mengandung satu hidrogen aktif. Di samping bereaksi dengan air untuk membentuk rangkaian urea dan gas karbon dioksida; isosianat bereaksi pula dengan polieteramina untuk membentuk poliurea. Secara komersial, poliuretan diproduksi dengan mereaksikan isosianat cair dengan campuran cairnya poliol, katalis, dan zat tambahan yang lain. Dua komponen itu mengacu pada sebuah sistem poliuretan. Campuran ini disebut pula ‘resin’ atau ‘campuran resin’. Beberapa contoh dari zat tambahan campuran resin adalah pemanjang rantai, pertautan silang, surfaktan, penghambat nyala, bahan pembusa, pigmen, dan bahan pengisi.

Komponen penting pertamanya polimer poliuretan adalah isosianat. Molekul yang mengandung dua gugus isosianat disebut diisosianat. Molekul tersebut juga dikaitkan dengan monomer sebab digunakan untuk menghasilkan isosianat polimerik yang mengandung tiga atau lebih gugus fungsional isosianat. Isosianat dapat digolongkan sebagai aromatik, seperti difenilmetana diisosianat (MDI) atau toluena diisosianat (TDI); atau alifatik, seperti heksametilena diisosianat (HDI) atau isoforon diisosianat (IPDI). Salah satu contoh dari isosianat polimerik adalah difenilmetana diisosianat polimerik, yang merupakan campuran molekul dengan dua-, tiga-, dan empat- atau lebih banyak gugus isosianat, dengan fungsionalitas rata-rata 2,7. Isosianat bisa lebih jauh dimodifikasi dengan mereaksikan sebagian dengan sebuah poliol untuk membentuk sebuah prapolimer. Kuasi-prapolimer terbentuk saat rasio stoikiometrinya isosianat ke gugus hidroksil lebih besar daripada 2:1. Sebuah prapolimer sejati terbentuk saat rasio stoikiometrinya 2:1. Karakteristik pentingnya isosianat adalah tulang punggung molekulnya, % kandungan NCO, dan viskositas.

Komponen penting keduanya polimer poliuretan adalah poliol. Molekul yang mengandung dua gugus hidroksil disebut diol, molekul dengan tiga gugus hidroksil disebut triol, dll. Dalam prakteknya, poliol dibedakan dari rantai pendek atau pemuai rantai glikol dengan berat molekul yang rendah dan pertautan silang (cross linker) seperti etilena glikol (EG), 1,4-butanadiol (BDO), dietilena glikol (DEG), gliserin, dan trimetilol propana (TMP). Poliol juga termasuk polimer. Poliol dibentuk oleh adisi berkatalis basanya propilena oksida (PO), etilena oksida (EO) ke sebuah inisiator yang mengandung hidroksil atau amina, atau dengan poliesterifikasinya sebuah di-acid, seperti asam adipat, dengan glikol, seperti etilena glikol atau dipropilena glikol (DPG). Poliol diperpanjang dengan PO atau EO merupakan poliol polieter. Poliol yang dibentuk dengan poliesterifikasi adalah poliol poliester. Baik inisiator yang digunakan, pemuai, serta berat molekulnya poliol sangat mempengaruhi keadaan fisik dan sifat fisiknya polimer poliuretan. Karakteristik poliol yang penting adalah tulang belakang molekul, inisiator, berat molekul, % gugus hidroksil utama, fungsionalitas, dan viskositas.

Reaksi polimerisasi dikataliskan dengan amino, seperti dimetilsikloheksilamina, dan senyawa organologam, seperti dibutiltin dilaurat atau bismut oktanoat. Lebih jauh lagi, katalis bisa dipilih berdasarkan reaksi uretan (gel), seperti 1,4-diazabisiklo[2.2.2]oktana (yang disebut pula DABCO atau TEDA), atau reaksi urea (tiup), seperti bis-(2-dimetilaminoetil) eter, atau secara spesifik mengendalikan reaksi trimerisasi isosianat, seperti potassium octoate.

Salah satu sifat poliuretan yang disukai adalah kemampuannya diubah menjadi busa. Bahan pembusa seperti air, halokarbon tertentu seperti HFC-245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropana) serta HFC-134a (1,1,1,2-tetrafluoroetana]]), dan hidrokarbon seperti n-pentana, bisa ditambahkan sebagai arus bantu. Air bereaksi dengan isosianat untuk menciptakan gas karbon dioksida, yang mengisi dan mengembangkan sel yang diciptakan dalam proses pencampuran. Reaksinya merupakan proses tiga langkah. Molekul air bereaksi dengan gugus isosianat untuk membentuk asam karbamat. Asam karbamat tidak stabil, dan penguraiannya membentuk karbon dioksida dan sebuah amina. Amina bereaksi dengan lebih banyak isosianat untuk menghasilkan sebuah urea buatan. Air memiliki berat molekul yang amat rendah, jadi meski persen beratnya air kecil, perbandingan molarnya air tinggi dan menghasilkan urea berjumlah banyak. Urea tersebut tidak sangat mudah larut dalam campuran reaksi dan cenderung membentuk fase “segmen keras” terpisah sebagian besar terdiri dari poliurea. Konsentrasi serta organisasi dari fase poliurea memiliki dampak yang signifikan bagi sifatnya busa poliuretan.[9] Halokarbon dan hidrokarbon dipilih sebab memiliki titik didih pada atau mendekati suhu kamar. Karena reaksi polimerisasi bersifat isotermik, bahan pembusa ini menguap menjadi gas saat proses reaksi berlangsung. Keduanya mengisi dan memuaikan matriks polimer seluler, menciptakan sebuah busa. Penting diketahui bahwa gas tiup tidak menciptakan sel busa. Sel busa merupakan hasil gas tiup yang tercampur baur ke dalam gelembung yang diaduk ke dalam sistem di waktu pencampuran. Kenyataannya, busa mikroseluler berdensitas tinggi bisa dibentuk tanpa penambahan bahan tiup dengan pembuihan secara mekanis komponen poliol sebelum digunakan.

Surfaktan digunakan untuk memodifikasi karakteristik polimer dalam proses pembusaan. Surfaktan digunakan untuk mengemulsi komponen cair, mengatur ukuran sel, dan mengstabilkan struktur sel untuk mencegah keruntuhan dan cacat permukaan. Surfaktan busa yang kaku dirancang untuk menghasilkan sel yang baik dan kandungan sel yang sangat tertutup. Surfaktan busa yang fleksibel dirancang untuk mengstabilkan massa reaksi sambil memaksimalkan kandungan sel terbuka untuk mencegah busa dari mengecil. Kebutuhan akan surfaktan bisa dipengaruhi oleh pilihan isosianat, poliol, kompatibilitas komponen, reaktivitas sistem, perlengkapan serta kondisi proses, piranti, bentuk bagian, dan bobot tembakan.

BAB III

PERCOBAAN

3.1 Material Dan Metode

3.1A Material:

Cardanol telah diperoleh dari resin M/S Rishabh & Bahan-Kimia Ltd., Hyderabad. Formaldehida ( 40%) dan metanol diterima dari M/S BDH  ( India) Ltd., cuka glutaric dan diphenylmethane diisocyanate diterima dari E. Merck (Jerman), PPG-2000  diterima dari Aldrich Bahan-Kimia ( AS), dan dibutyl tindilaurate diterima dari Fluka Chemie (Jerman).  Bahan-Kimia telah digunakan sebagai penerimaan.

3.1b Metoda:

Analisa Spektral ultraviolet dibawa  kedalam suatu SHIMADZU UV 2100 UV-VISIBLE spektrofotometer. Spectra inframerah dibawa spektrofotometer JASCO FT–IR  dengan metode butir KBr. Spektra 1H–NMR direkam dengan menggunakan spektrofotometer R 248×H×Hitachi 300 MHZ NMR. Lapisan tipis chromatographic dilaksanakan dengan tiga sistem bahan pelarut berbeda. Berat jenis, Bilangan yodium, Hidroksil dan sifat mekanik resin ditentukan menurut standar IS yang baku 840-1964. Bobot molekular resin ditentukan dengan ‘gel’ chromatography yang menggunakan  m-styragel columns, 100Å dan 500Å, UV detektor dan  280 nm filter. Kekuatan polyurethanes ditentukan suatu Universal Zwick testing mesin ( UTM) sesuai dengan ASTM D624. Kekerasan ( bagian A) ditentukan sesuai dengan standar ASTM D2240.  kekerasan tester durometer digunakan. kekuatan tensyl dari polyurethanes ditentukan sesuai dengan ASTM D412. Polyurethanes ditujukan untuk analisa thermal diiferensial ( Analisa DTA)/thermogravimetric  ( TGA) dipelajari pada tingkat 10 K/Min di dalam air/nitrogen menggunakan STA1500 Ilmiah Rheometric+ mesin. Asam,  Alkali Dan bahan pelarut diperkirakan sesuai menurut ASTM D3137, C267. Contoh polyurethane ( 3× 1× 0×1 cm) dibenamkan di medium ( 100 ml) untuk janga waktu total 60 hari di bawah kondisi-kondisi lingkungan.  Media diubah dan medium yang baru telah ditambahkan selama satu minggu. Hilangnya berat ditentukan dengan menggunakan suatu timbangan elektronik.

 

3.2 Sintese resin cardanol formaldehida

Unsure Monoene dari cardanol telah dipisahkan oleh metode cairan argentasion chromatography ( Sood et Al 1986). 100×7 g cardanol, 22×5 ml formaldehida ( 40% ), dan 1% katalisator asam glutaric di dalam metanol refluxed pada suhu120± 5°C untuk 3 jam dan kemudian pada suhu150± 5°C untuk  2 jam. Ph awal reaksi campuran adalah 4 dimana yang terendah adalah 2 setelah penyelesaian pemadatan.  Resin dibersihkan dengan  penghancuran toluene dan  mempercepat dengan air suling. Fraksi utama adalah  pengumpulan dan mengeringkan menggunakan suatu vacum rotary dryer dan menelitinya.

 

3.3 Sintese polyurethane kaku ( CRPU)

Polyurethane kaku di sintesiskan menggunakan resin cardanol formaldehida secara baru. Vacuum dryer  0×1 mole pada resin cardanol formaldehida dan 0×35 mole diphenylmethane diisocyanate ( MDI) di reaksikan, pemeliharaan isocyanate index (NCO/OH ratio molar) tetap  pada 1×4. Jumlah resin Hydroxyl ditentukan  menggunakan penyamaan

56 N= ( w/W)× ( bobot molekular+ 42 N),

Dimana N adalah banyaknya kelompok hidroksit, w jumlah KOH diperlukan untuk hidrolisis resin acetyl derivative dan W adalah berat resin acetyl derivative. Reaksi berlangsung pada suhu-kamar dengan  katalisator, dibutyl tindilaurate ( 0×12 wt%). Polymer kemudian disediakan untuk perawatan selama 24 jam di dalam suatu permukaan flat  tanpa adanya gangguan. Polymer kemudian dirawat  didalam suatu tungku vacum pada suhu 80°C untuk 48 jam dan digunakan untuk mengevaluasi kekayaan nya.

 

 

 

3.4 Sintese pada Tough polyurethane ( CTPU)

Vacuum-dried 0×1 mole resin cardanol formaldehida, 0×49 mole diphenylmethane diisocyanate ( MDI),  dan 0×1 mole polypropylene tersedia  glycol secara komersil, PPG–2000 direaksikan, pemeliharaan isocyanate index (NCO/OH ratio molar) tetap pada 1×4. Reaksi dilaksanakan sebagai indikasidalam suatu kasus polyurethane kaku dan tough polyurethane telah di cure.

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hal ini telah dilaporkan ( Sathyalekshmi Dan Gopalakrishnan  2000) bahwa didalam kasus resin mempunyai mole ratio yang lebih tinggi ( 1: 0×9), derajat kondensasi antara methylolated  cardanol di dalam kehadiran katalisator asam adipin membentuk resin multi nuklir yang tinggi dan produknya adalah ortho–para substitut. Dalam penelitian saat ini, formylation dan pemadatan dari cardanol dengan formaldehida mole ratio ( 1: 0×9) di hadapankan katalisator asam glutaric dan juga kepala untuk produk substitusi ortho-para.

 

4.1 UV dan IR spektroskopi pada resin cardanol formaldehida

Cardanol menunjukkan puncak tajam pada 285 nm dimana ditujukan pada senyawa aromatic ring fenil. Penggantian pada ring fenil dengan peningkatan kondensasi panjang gelombang 292 nm, dimana berkaitan dengan efek bathochromic ( Knowles 1984; Denny dan  Sinclair 1991). IR data spektral resin cardanol formaldehida mengungkapkan tidak hanya kondensasi methylolated cardanol, tetapi juga derajat tingkat ortho dan para substitusi ( Sathyalekshmi Dan Gopalakrishnan 2000). Puncak pada 967 cm–1 berkaitan dengan penggantian nucleus benzen dan puncak pada 909 cm–1 dan 697 cm–1 berkaitan dengan tiga atom hidrogen didalam nucleus benzen. Ketajaman puncak pada 767 cm–1 menandai adanya ortho substitusi pada benzen nucleus. Ketajaman puncak pada 863 cm–1 menandai adanya para substitusi pada nucleus benzen ( lihat figur 1).

 

4.2 1H–NMR spektroskopi pada resin cardanol formaldehida

Didalam 1H–NMR spectra resin cardanol formaldehida, puncak pada 6×60–7×20 d berkaitan dengan aryl satuan listrik positif benzen nucleus, di sekitar puncak daerah 6×45 d berkaitan dengan hidroksil phenolic, puncak pada 4×90–5×30 d berkaitan dengan methylene ( C=Ch2) Satuan listrik positif  pada rantai sisi alkil alami hadir di cardanol dan puncak pada 0×88–2×70 d berkaitan dengan rantai sisi alifatik. Puncak yang kecil pada 0×80 d berkaitan dengan metil terminal kelompok rantai. Puncak yang kuat pada 1×30 d adalah dilekatkan pada rantai (lebih dari lima kelompok methylene) pada rantai sisi. Puncak pada 3×6 d juga menandai adanya methylene satuan listrik positif C6H5–Ch2– C6H5 untuk jembatan antara ring fenil. Semua data spektral menunjukkan bahwa kondensasi methylolated cardanol telah diselesaikan di bawah kondisi percobaan ( lihat figur 2).

 

4.3 Lapisan tipis analisa resis cardanol chromatographic formaldehida

Studi tentang lapisan tipis resin chromatographic di bedakan tiga sistem bahan pelarut yang menunjukkan suatu perbedaan single spot, mengindikasikan kemurnian pada sample. Nilai Rf pada resin cardanol formaldehida berbeda dari yang cardanol yang di indikasikan pada pembentukan produk kondensasi, resin multi novolac nuklir ( lihat tabel1).

 

4.4 Data Fisik Kimia resin cardanol formaldehida

Data fisik kimia ditampilkan pada tabel 1. Resin cardanol Formaldehida menguasai spesifik ketinggian gravity dan viscosity berkaitan dengan derajat kondensasi yang lebih tinggi antara cardanol dan formaldehida. Yodium yang rendah dibandingkan dengan cardanol yang mungkin berkaitan dengan steric hindrance terhadap kelompok butiran oleh penambahan olefinic yodium monochloride sepanjang bilangan yodium. Banyaknya kelompok hidroksit ditampilkan dalam resin yang hanya bersifat phenolic – golongan  OH. Analisa IR spectra, jumlah hidroksil dan penentuan berat molekul memungkinkan untuk peningkatkan struktur molekur  resin cardanol formaldehida ( lihat figur 3).

 

4.5 Mekanisme untuk sintese polyurethanes

Reaksi kondensasi antara resin cardanol formaldehida dan di-isocyanate dapat membantu pembentukan hubungan urethane yang stabil. Reaksi kondensasi ditemukan menjadi eksotermik. Dibutyl tindilaurate Katalisator digunakan dan reaksi diselesaikan selama 10 menit. Penggolongan ratio kondensasi isocyanate ke hydroxy ( 1: 1×4) dipilih sedemikian sehingga kelebihan isocyanate menguasai pada pembentukan kelompok terminal isocyanate seperti yang diusulkan oleh reaksi yang berikut:

 

Curing akhir dari reaksi produk mengarah pada pembentukan allophanate dengan reaksi volving terminal golongan isocyanate dengan hidrogen aktif kelompok urethane polymer sebagai berikut:

 

 

 

4.6 Data Spektral polyurethanes

IR spektrum CRPU dan CTPU menunjukkan karakteristik penyerapan pada 3414 cm–1 yang sesuai dengan hubungan usia urethane NH 1743 cm–1 yang sesuai dengan C=O peregangan ( bebas) di dalam urethane, 1605 cm–1 yang sesuai dengan C=O peregangan ( yang terikat) didalam urethane dan 1543 cm–1 berhubungan dengan N–H yang membengkokkan urethane ( lihat figur 4)

4.7 Data mekanis polyurethanes

Data mekanis seperti pemanjangan pada retakan(%), kekuatan tensyl, tear strength, shore hardness diperlengkapi di dalam tabel 2. Kekuatan tensyl dan tear strength merupakan pengaruh terbesar oleh kehadiran kelompok aromatic, rantai alkil, bercabang dan hubungna bersilang dan juga derajat tingkat kekuatan mengikat sekunder. Tear strength menguji data polyurethane kaku ( CRPU) menunjukkan bahwa polyurethane menjadi hancur selama tear strength. Penambahan komersil polyol, ( PPG-2000) bersama dengan resin cardanol formaldehida memperkenalkan beberapa derajat tingkat fleksibilitas di dalam tough polyurethane ( CTPU). Hal ini dihubungkan dengan berat molekul rendah antara hubungan bersilang dan hubungan densitas bersilang yang lebih tinggi terhadap polyurethane yang kaku. Dalam pengerjaannya saat ini, polyurethane yang kaku menguasai shore hardness yang lebih tinggi ketika dibandingkan tough polyurethane. Hal itu di hasilkan bahwa hardness merupakan penentuan utama oleh segmen konsentrasi yang keras( Petravic Et al 1991). Turunan kekuatan tensyl dalam polyurethanes kaku berkaitan dengan berat molekular rendah antara hubungan silang dan hubungna densitas silang yang lebih tinggi. Peningkatan dalam  pemanjangan tough polyurethane berkaitan dengan fleksibilitas rantai yang diperkenalkan oleh polyol.

 

 

4.8 Thermal properties dari polyurethanes

Thermal properties dari polyurethanes sebagian besar dipengaruhi  oleh bobot hubungan silang antar molekular, segmen bebas di dalam stiff sequence, segmen di dalam fleksibel dan titik cabang secara elastis aktip telah yang didukung oleh peneliti sebelumnya untuk polyurethanes( Dusek et al 1990). Segmen stiff sequence adalah biuret dan allophanate. Segmen keras terdiri dari pertalian urethane yang berisi resin cardanol formaldehida dan diisocyanate, yaitu. pemadatan produk resin dan diisocyanate, juga menggambarkan kekakuan di dalam rantai itu. Segmen lembut yang fleksibel adalah segmen polyol yang dimulai baik dari pertalian urethane maupun  allophanate. Titik cabang yang secara elastis aktif meliputi biuret dan allophanate ( Dusek et al 1990). Pada penelitian sekarang ini, DTA thermograms cure dan tough polyurethanes  ditampilkan dalam gambar 5 dan 6, secara berturut-turut. DTA thermogram tidak menunjukkan  adanya puncak endotermis untuk melunakannya. Tetapi, dua exothermis yang tidak bervariasi terlihat di kedua urethane tersebut. Exothermis pertama untuk rigid polyurethane pada suhu 364×7°C dan untuk tough polyurethane pada suhu 300°C relatif lemah, exotherm yang kedua  untuk rigid polyurethane pada suhu 753°C dan untuk tough polyurethane pada suhu 392×6°C relatif kuat. Exotherm yang pertama melekat pada  pelepasan rantai alkil pada sisi ring fenil dan juga kepada pelepasan pertalian allophanate. Di dalam resin cardanol formaldehida, rantai alkil mengalami pelepasan pertama pada temperatur rendah seperti yang telah dilaporkan lebih awal ( Sathyalekshmi  1994). Rigid Polyurethane menguasai temperatur penurunan yang lebih tinggi dibandingkan dengan tough polyurethane, berkaitan dengan hubungan silangan  densitas yang lebih tinggi. Kurva TGA untuk pembusukan polyurethanes menunjukan dua tingkatan pembusukan. Analisa polyurethanes TGA menunjukkan bahwa rigid polyurethane menguasai thermal stabilitas yang lebih tinggi. Hilangnya 5% berat untuk rigid polyurethane terjadi secara relatif pada temperatur yang lebih tinggi, 247°C, ketika dibandingkan pada tough polyurethane yang terjadi pada suhu 236×5°C.

 

 

 

4.9 Resistance Bahan Kimia pada Polyurethanes

Persentase hilangnya berat dari kedua rigid dan tough polyurethanes ditentukan dalam 1 N asam hydrochloric, 1 N hidroksida sodium, diethyl eter, ethanol, toluene, 1 klorid sodium dll dan hasilnya dilengkapi dalam tabel 3. kedua polyurethanes tetap stabil dalam asam, alkali, 1 N klorid sodium, toluene, eter, dan ethanol.

BAB V

KESIMPULAN

Rigid Polyurethane ditemukan untuk penguasaan kekerasan yang lebih tinggi ketika dibandingkan dengan tough polyurethane. Serta rigid polyurethane menjadi lebih stabil didalam bahan reaksi kimia ketika dibandingkan pada tough polyurethanes dan penguasaan thermal stabilitas yang baik.

DAFTAR PUSTAKA

Antony R 1993 J. Polym. Sci. 31 3187

 

Balakrishna R S, Satyanarayana M N, Vishwanath B B and Shrisalkar M M 1990 J. Appl. Polym. Sci. 41 1365

 

Denny R C and Sinclair R 1991 Visible and ultraviolet spectroscopy (ed.) D Mowthorpe (Singapore: John Wiley) p. 133

 

Dusek K, Spirkova M and Havlicek I 1990 Macromolecules 23 1774

 

Ghatge N D and Shinde B M 1979 J. Elastomers 111 48

 

Ghatge N D and Vailva S V 1975 Die Aggewandte Macromoleculare chemie. 43 1

 

John G and Pillai C K S 1992 Makromol. Chem. Rapid. Commun. 13 255

 

Knowles A 1984 Practical absorption spectrometry (eds) A

Knowles and C Burgess (London: Chapman and Hall) p. 10

 

Madhusudhan V and Murthy B G K 1992 Prog. Org. Coat. 20 63

 

Manjula S, Pillai C K S and Kumar V G 1990 Thermochim. Acta 159 255

 

Manjula S, Pavithran C, Pillai C K S and Kumar V G 1991 J.Mater. Sci. 26 4001

 

Manjula S, Kumar V G and Pillai C K S 1992 J. Appl. Polym.Sci. 45 309

 

Patel M S, Patel V S and Patel R G 1989 J. Therm. Anal. 35 47

 

Petravic J S, Havsky M, Dusek K, Vidakavlic M, Jarni J andBanjammin B 1991 J. Appl. Polym. Sci. 12 39991

 

Pillot J P, Vanthanh M D M, Gerval J and Dunogues J 1989 Euro. Polym. J. 25 285

 

Sathyalekshmi K 1994 Polym. Sci. Recent advances (ed.) I S

 

Bhardwajj (New Delhi: Interscience) vol. 2, p. 862

 

Sathyalekshmi K and Gopalakrishnan S 2000 Plastics, Rubber and Composites 29 63

 

Sood S K, Tyman J H P, Durrani A and Johnson R A 1986 Lipids 21 241

www. wikipedia.com

 

 

Biogas

Biogas adalah gas yang dihasilkan dari aktivitas bakteri saat menguraikan bahan organik tanpa kehadiran oksigen, prosesnya seringkali disebut dengan proses anaerob. Berikut ini disajikan komposisi senyawa biogas.

2.1. Fermentasi Anaerobik

Fermentasi anaerobik adalah proses dekomposisi bahan – bahan organik secara biologis dengan bantuan mikroorganisme yang menghasilkan biogas dan kompos pada lingkungan tanpa adanya oksigen. Secara umum kandungan karbon di dalam sampah dapat dikonversi menjadi biogas (campuran metana dan karbondioksida), Sedangkan kandungan nutriennya akan dikonversi menjadi kompos.

2.1.1. Mekanisme Reaksi Dekomposisi Anaerobik

Secara umum mekanisme reaksi yang terjadi pada proses dekomposisi senyawa organik yang terdapat dalam sampah secara anaerobik adalah sebagai berikut :

  1. Eliminasi unsur oksigen dari bahan organik menjadi air

CxHyOz (s) CxHy-2z (g)z H2O(l) ……….                      (2.1)

  1. Eliminasi kelebihan hidrogen menjadi metan

CxHy-2z Cx-1/4 y + ½ z (s) + (1/4 y – ½ z ) CH4(g) ……(2)

  1. Eliminasi sisa karbon oleh air menjadi metan dan karbondioksida.

Cx-1/4 y + ½ z (s) + ( x – ¼ y + ½ z) H2O(l) (½ x – 1/8 y + ¼ z ) CH4(g) + ( ½ x – 1/8 y + ¼ z ) CO2(g) ……………………..  (3)

Dijumlahkan :

CxHyO                         ( ½ z + ¼ y – x ) H2O + ( ½ x + 1/8 y – ¼ z ) CO2 + ( ½ x + 1/8 y – ¼ z ) CH4 ………………………………………                           (4)

Yang dikenal dengan persamaan Buswell [Mariana, 2002].

Proses dekomposisi anaerobik ini melibatkan empat macam kelompok bakteri, yaitu :

  1. hydrolytic bacteria
  2. bakteri penghasil hidrogen, acetogenic bacteria
  3. homoacetogenic bacteria, dan
  4. methanogenic bacteria

 

Gambar 2.1. Proses penguraian secara anaerob. (Sumber Rivard, C., 1995)

 

 

 

 

 

 

Reaksi fermentasi sistem Anaerob (tanpa kehadiran sulfat dan nitrat)

 

Reaksi total

∆H = -403,6 Kkal

 

Reaksi oleh mikroorganisme hidrolitik

1.         ∆H = -225,4 Kkal

2.                              ∆H = -198,1 Kkal

3.    ∆H = -254,4 Kkal

4.                                            ∆H = -310,6 Kkal

5.                                                                                                                 ∆H = -144,0 Kkal

6.          ∆H = -164,8 Kkal

7.      ∆H = -56,20 Kkal

Reaksi oleh mikroorganisme asidogenesa

8.   etanol ∆H = +7,0 Kkal

9.   etanol ∆H = +9,6 Kkal

10.          ∆H = -3,96 Kkal

11.                    ∆H = +48,1Kkal

12.        ∆H = +53,0 Kkal

13. suksinat- ∆H = +56,1 Kkal

14.   ∆H = +76,1 Kkal

 

Reaksi oleh mikroorganisme metanogenesa

15.                                   ∆H = -31,0 Kkal

16.                            ∆H = -135,6 Kkal

17.                      ∆H = -130,4 Kkal

Sumber: Thaurer, 1977.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.2  Pengaruh Umpan pada Dekomposisis Anaerobik

Faktor-faktor yang mempengaruhi proses anaerobik

  1. Komposisi nutrien

Parameter penting pada proses anaerob adalah total bahan organik yang merupakan ukuran suatu material seperti karbohidrat, protein, dan lemak. Seluruh substrat itu dapat dikonversi menjadi asam-asam teruapkan dan metan.

  1. Kandungan oksigen terlarut

Okisgan terlarut dalam reaktor anaerob dapat menghambat seluruh tahapan anaerob yang meliputi hidrolitik, asetogenik dan metanogenik.

  1. Temperatur

Hampir seluruh aktivitas biologi dipengaruhi oleh temperatur. Temperatur dapat menghambat atau mempercepat pertumbuhan mikroba, penguraian bahan organik, produksi gas, penggunaan substrat, dan banyak aktivitas biologi lainnya. Salah satu alasannya adalah karena berbagai aktivitas biologi melibatkan reaksi-reaksi berbantuan enzim, dan enzim sangat sensitif terhadap perubahan temperatur.

Berdasarkan temperatur operasinya, proses anaerob secara garis besar diklasifikasikan menjadi 3 yaitu : mesofil, psycrofil, dan termofil.

Umumnya reaktor anaerob beroperasi pada temperatur mesofil yaitu 20 s.d. 45 oC. Kondisi mesofil dipilih karena mikroba-mikroba di alam lebih banyak yang bersifat mesofil daripada psychrofil dan termofil. Sludge retention time (SRT) dalam reaktor mesofil juga lebih pendek daripada dalam reaktor pschrofil (4 s.d 6 minggu dibanding 12 minggu) sehingga proses anaerob dapat terjadi lebih cepat.

Temperatur psycrofil yaitu 5 s.d 25 oC. Karena temperatur relatif rendah SRT dari anaerob psycrofil berada dalam rentang 100 s.d. 400 hari atau lebih.

Temperatur termofil yaitu 50 s.d. 70 oC. Laju degradasi bahan organik pada temperatur tersebut lebih cepat daripada sistem mesofil. Oleh karena itu SRT nya juga sangat singkat, namun pengendalian temperatur lebih sulit dan mahal daripada mesofil dan psycrophil.

Dalam seluruh jenis temperatur anaerob, sangatlah penting untuk menjaga temperatur seragam di seluruh bagian tangki. Jika terjadi variasi temperatur, maka akan menghambat atau menonaktifkan bakteri anaerob tertentu termasuk bakteri metanogen yang memiliki rentang adaptasi temperatur sangat sempit.

  1. PH

Karena aktivitas enzim sangat dipengaruhi oleh pH, setiap perubahan pH akan membawa perubahan pada sistem biologis. Umumnya mikroba anaerob beraktivitas pada pH optimum antara 6 s.d 7.5. Rentang pH yang cukup sempit ini dapat dikontrol oleh buffer alami berupa amonium (NH4+) dan bikarbonat (HCO3). Ion amonium diperoleh dari deaminasi dari asam-asam amino dan material yang mengandung nitrogen dan amino lainny seperti DNA, RNA, adenosin tripospat (ATP), dan enzim. Ion bikarbonat diperoleh dari karbondiokasida yang diproduksi selama hidrolisis, pembentukan asam dan metanogenesis.

  1. Konsentrasi  VS (volatile solids)

Fraksi VS dalam reaktor anaerob merupakan parameter yang penting dan dapat digunakan untuk perhitungan pembebanan. Semakin tinggi kosentrasi VS semakin tinggi pula pembebanan. VS merupakan bahan makanan untuk proses hidrolisis dan pembentukan asam secara anaerob.

Hubungan antara jumlah karbon dan nitrogen yang terdapat di dalam bahan-bahan organik ditunjukkan dengan istilah rasio karbon/nitrogen. Rentang rasio C/N antara 20 s.d 30 merupakan rentang optimum untuk proses penguraian anaerob. Jika rasio C/N terlalu tinggi, maka nitrogen akan terkonsumsi sangat cepat oleh bakteri-bakteri metanogen untuk memenuhi kebutuhan protein dan tidak akan lagi bereaksi dengan sisa karbonnya. Sebagai hasilnya produksi gas akan rendah. Di lain pihak, jika rasio C/N sangat rendah, nitrogen akan dibebaskan dan terkumpul dalam bentuk NH4OH. NH4OH akan meningkatkan harga pH dalam reaktor anaerob. Jika pH lebih tinggi dari 8,5 maka populasi bakteri metanogen akan menurun.

 

 

2.1.2.2.Ratio C/N/P pada Umpan

Selain jumlah nutrisi untuk pertumbuhan mikroorganisme yang terlibat dalam proses dekomposisi anaerobik harus mencukupi, kehadiran unsur C, N dan P sebaiknya berada pada ratio atau perbandingan yang tepat. Apabila unsur N dan P terlalu sedikit dibandingkan dengan unsur C, maka konversi C menjadi CH4 menjadi tidak sempurna. Sebaliknya, apabila unsur N berlebih, maka mikroorganisme akan mengkonsumsi unsur N tersebut menjadi senyawa – senyawa yang dapat menginhibisi proses, seperti NH3.

Fosfat merupakan makromineral yang dibutuhkan oleh mikroorganisme untuk pertumbuhan populasi mikroba dan untuk menjaga stabilitas pH. Kekurangan P secara umum akan menyebabkan terganggunya pertumbuhan bakteri – bakteri yang terlibat dalam pembentukkan biogas yang berakibat penurunan produksi biogas.

Tabel 2.1 Rasio C/N Berbagai Bahan Organik

Sumber Bahan Organik

Rasio C/N

Kotoran bebek

8

Kotoran manusia

8

Kotoran ayam

10

Kotoran kambing

12

Kotoran babi

18

Kotoran domba

19

Kotoran kerbau/sapi

24

Eceng gondok

25

Kotoran gajah

43

Batang jagung

60

Jerami padi

70

Jerami gandum

90

Serbuk gergaji

>200

Sumber: Karki and Dixit, 1984.

Bahan dengan rasio C/N tinggi dapat dicampur dengan rasio C/N rendah untuk memperoleh campuran yang sesuai dengan kebutuhan. Di Cina, untuk mencapai rasio C/N yang optimum, biasanya jerami padi ditambahkan pada dasar reaktor anaerob. Hal serupa dilakukan di Machan Wildlife Resort berlokasi di kota Chitawan, Nepal, kotoran gajah dicampur dengan kotoran manusia sehingga kadar C/N mencapai nilai optimum (Karki, Gautam and Karki, 1994).

 

keterangan :

R =  rasio C/N dari campuran bahan organik.

Qn = massa basah material ke-n.

Cn = kadar karbon (%) material ke-n.

Nn = kadar nitrogen (%) material ke-n.

Mn = kadar air (%) material ke-n.

 

Tabel 2.2 Komposisi berbagai bahan organik

Bahan organik

Padi

Lig

%

Selulosa

(%)

Hemiselulosa

(%)

Nitrogen % Ash %
Kulit 3.3 10.7 11 2.08 10
gabah 2.1 1.424 5
beras <1 <1 1.376 1
hulls 17 55 10 0.48 20
jerami 12.5 32.1 24.0 17.5
Kotoran Hewan
Gajah 10.4 1.12
Ayam 3.4 5.424
Babi 2.2 4.416
Sapi, sampel 1 8.1 3.104
Sapi, sampel 2 7.9 3.216
Sapi, sampel 3 10.1 2.752

(Seluruh data berbasis kering)

Gambar 2.2   Bakteri Metanogenik (Rivard, C., 1995)

 

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.