BAB II

KAJIAN TEORI

A. Kajian Teori

1. Minyak Bumi

Sumber bahan bakar yang sehari-hari digunakan masyarakat berasal dari minyak bumi, yang merupakan senyawa hidrokarbon. Minyak bumi berasal dari pelapukan sisa-sisa mikroorganisme, yang proses pembuatannya memakan waktu sangat lama. Minyak bumi yang umum dijumpai mayoritas terdiri dari alkana dan sikloalkana. Minyak bumi biasanya berada berkisar 3 km dibawah permukaan dan diperoleh dengan membuat sumur bor. Minyak mentah dari sumur bor, berbentuk cairan hitam kental dan berbau kurang sedap. Minyak mentah belum dapat digunakan sebagai bahan bakar sehingga harus diolah terlebih dahulu.

Minyak mentah ini mengandung sekitar 500 jenis hidrokarbon. Pengolahan minyak mentah ini dilakukan melalui distilasi bertingkat. Komponen yang titik didihnya lebih tinggi akan tetap berupa cairan dan turun ke bawah, sedangkan yang titik didihnya rendah akan menguap dan naik ke bagian atas melalui sungkup gelembung, sehingga lama-lama komponen itu akan terpisah, sehingga komponen yang mencapai puncak menara adalah komponen yang berupa gas pada suhu kamar, yaitu gas pretoleum atau yang disebut LPG.

Gambar 2.1 dan Gambar 2.2 Skema proses distilasi bertingkat minyak bumi

Bensin sendiri terbuat dari minyak bumi yang memiliki ukuran molekul C5

hingga C10, berwujud cair pada suhu kamar dan titik didihnya mencapai 200° celcius. Fraksi bensin di dalam minyak mentah sekitar 6% saja, oleh karena itu bensin cukup

4

langka dan dengan cepatnya laju penambahan kendaraan bermotor membuat bensin menjadi semakin terbatas.

2. Bensin dan Nilai Oktan

Bensin adalah jenis bahan bakar yang digunakan oleh kendaraan bermotor saat ini dan memegang peranan penting aspek perekonomian masyarakat. Cara penggunaan Bensin secara sederhana sebagai bahan bakar adalah sebagai berikut, pertama bensin diuapkan di dalam karburator sebelum dibakar di dalam kendaraan, energi panas yang dihasilkan akan diubah menjadi energi gerak. Pembakaran bensin yang sempurna akan menghailkan dorongan yang mulus.

Bensin biasanya digunakan sebagai bahan bakar kendaraan bermotor, ada beberapa sifat yang diperhatikan untuk menentukan baik atau tidak bensin tersebut, yaitu kecenderungan terjadinya ketukan (knocking). Untuk hidrokarbon rantai bercabang dan aromatik tidak punya kecenderungan terjadi knocking, misalnya 2,2,4 –trimetil-pentana (isooktana). Selain itu titik beku bensin juga berpengaruh bagi kinerja mesin, jika dalam bensin terdapat prosentase yang tinggi dari aromatik-aromatik tertentu maka pada waktu pendinginan, aromatik itu akan mengkristal dan mengakibatkan tertutupnya lubang-lubang alai penyemprotan dalam karburator, sehingga bisa berakibat buruk bagi mesin.

Alkana rantai lurus dalam bensin seperti n-heptana, n-oktana, dan n-nonana tidak stabil saat terbakar. Hal ini menyebabkan pembakaran terjadi terlalu awal sebelum piston mencapai posisi yang tepat. Akibatnya timbul bunyi ledakan yang dikenal sebagai ketukan (knocking). Pembakaran terlalu awal juga mengakibatkan adanya sisa komponen bensin yang belum terbakar sehingga energi yang ditransfer ke piston tidak maksimal. Alkana rantai bercabang/alisiklik/aromatik dalam bensin seperti isooktana cukup stabil saat terbakar. Jadi, lebih sedikit ketukan yang dihasilkan, dan energi yang ditransfer ke piston lebih optimal. Oleh karena itu, bensin dengan kualitas yang baik harus mengandung lebih banyak alkana rantai bercabang/alisiklik/aromatik dibandingkan alkana rantai lurus. Kualitas bensin ini dinyatakan oleh nilai oktan. Semakin besar nilai oktan, semakin bagus mutu bensin

dan sebaliknya.

Untuk menetapkan besarnya nilai oktan ada dua jenis senyawa yang dijadikan acuan, yaitu “n-heptana” dan “isooktana”. Kedua senyawa ini dominan terdapat di dalam bensin. Isooktana memiliki nilai oktan 100 karena ketukannya paling sedikit, sebaliknya n-heptana memiliki nilai oktan 0 karena menghasilkan ketukan paling banyak. Umumnya alkana rantai lurus memiliki nilai oktan lebih kcil daripada alkana rantai cabang. Contohnya Bensin dengan bilangan oktan 81, berarti bensin tersebut terdiri dari 81% oktana dan 19% heptana atau campuran molekul lainnya.

Nama oktan berasal dari oktana (C8), karena dari seluruh molekul penyusun bensin, oktana yang memiliki sifat kompresi paling bagus. Oktana dapat dikompres sampai volume kecil tanpa mengalami pembakaran spontan, tidak seperti yang terjadi

5

pada heptana, misalnya, yang dapat terbakar spontan meskipun baru ditekan sedikit. Bilangan oktan suatu bensin dapat ditentukan melalui uji pembakaran sampel bensin untuk memperoleh karakteristik pembakarannya. Karakteristik tersebut kemudian dibandingkan dengan karakteristik pembakaran dari berbagai campuran n-heptana dan isooktana. Jika ada karakteristik yang sesuai, maka kadar isooktana dalam campuran n-heptana dan isooktana tersebut digunakan untuk menyatakan nilai bilangan oktan dari bensin yang diuji.

Selain sebagai bahan bakar, bensin juga dapat digunakan sebagai bahan pengekstraksi, contohnya dalam pengekstraksian minyal kedelai dan bahan-bahan alam lain. Selain itu bensin dapat digunakan sebagai pelarut dan bahan pembersih. Keuntungan menggunakan bensin sebagai bahan pembersih adalah kemampuannya yang baik dalam melarutkan kotoran yang berupa minyak serta titik didihnya yang rendah sehingga barang-barang yang dicuci lekas menjadi kering.

Untuk memenuhi kebutuhan bensin sebagai bahan bakar, Pertamina memproduksi Premium, Pertamax dan Pertamax plus. Sedangkan Shell memproduksi Super dan Super ekstra. Premium, bernilai oktan 88 adalah bahan bakar minyak jenis distilat berwarna kekuningan yang jernih. Warna kuning tersebut akibat adanya zat pewarna tambahan. Pertamax, yang bernilai oktan 92 ditujukan untuk kendaraan yang mempersyaratkan penggunaan bahan bakar beroktan tinggi dan tanpa timbal (unleaded). Pertamax juga direkomendasikan untuk kendaraan yang diproduksi diatas tahun 1990 terutama yang telah menggunakan teknologi setara dengan electronic fuel injection dan catalytic converters. Pertamax plus, yang bernilai oktan 95 adalah jenis BBM ini telah memenuhi standar performa International World Wide Fuel Charter (WWFC). Pertamax plus ditujukan untuk kendaraan yang berteknologi mutakhir yang mempersyaratkan penggunaan bahan bakar beroktan tinggi dan ramah lingkungan.

Beberapa keunggulan dari Pertamax dan Pertamax Plus dibandingkan Premium adalah Pertamax mempunyai bilangan oktan yang tinggi. Sekarang ini produsen mobil cenderung memproduksi kendaraan yang menggunakan perbandingan kompresi mesin yang tinggi. Perbandingan kompresi mesin adalah perbandingan volume silinder sebelum dan sesudah kompresi. Hal ini dimaksudkan agar tenaga mesin menjadi besar dan kendaraan dapat melaju dengan kecepatan tinggi. Mesin demikian membutuhkan bensin dengan bilangan oktan yang tinggi.

Pertamax dan Pertamax Plus memiliki stabilitas oksidasi yang tinggi dan juga mengandung aditif generasi terbaru. Pembakaran bensin menjadi semakin sempurna sehingga kinerja mesin bertambah baik. Selain itu kedua bensin tersebut ramah lingkungan, Pertamax dan Pertamax Plus tidak mengandung Pb yang bersifat racun.

Sementara itu, Shell menawarkan bensin dengan mutu dan kualitas yang kompetitif dengan bensin unggulan Pertamina. Produk dari Shell antara lain Shell Super dan Shell Super Ekstra. Shell Super yang setara dengan Pertamax, memiliki nilai oktan 92 dan Shell Super Eksra memiliki nilai oktan 95 yang setara dengan Pertamax Plus.

Fraksi bensin dari menara distilasi umumnya mempunyai bilangan oktan 70. Untuk menaikkan nilai bilangan oktan tersebut, ada beberapa hal yang dapat dilakukan yaitu mengubah hidrokarbon rantai lurus dalam fraksi bensin menjadi hidrokarbon

6

rantai bercabang melalui proses reforming. Cara lain untuk menambah nilai oktan adalah dengan menambah zat anti ketukan yaitu tetraethyl lead (TEL) atau yang dikenal sebagai timbal hitam yang memiliki rumus kimia Pb(C2H5)4. Penambahan sedikit saja zat ini mampu menaikkan nilai oktan bensin hingga 15 poin. Tetapi selain menguntungkan, penambahan TEL ini juga merugikan, karena reaksi npembakarannya juga menghasilkan timah hitam dan akan menempel pada mesin dan keluar bersama asap kendaraan.

Untuk mencegah hal itu, bisa ditambahkan etilen bromida, namun senyawa ini bisa merusak otak dan mengakibatkan terbentuknya lapisan tipis timbal pada atmosfer yang membahayakan makhluk hidup, termasuk manusia. Di negara-negara maju, timbal sudah dilarang untuk dipakai sebagai bahan campuran bensin. Sebagai penggantinya sekarang digunakan methyl tertiary buthyl ether (MBTE).

MTBE (methyl tertiary butyl ether, C5H11O), berasal dari etanol. MTBE memiliki bilangan oktan 118. Selain dapat meningkatkan bilangan oktan, MTBE juga dapat menambahkan oksigen pada campuran gas di dalam mesin, sehingga akan mengurangi pembakaran tidak sempurna bensin yang menghasilkan gas CO. Tetapi, belakangan diketahui bahwa MTBE ini juga berbahaya bagi lingkungan karena mempunyai sifat karsinogenik (dapat menimbulkan kanker) dan mudah bercampur dengan air, sehingga jika terjadi kebocoran pada tempat-tempat penampungan bensin MTBE dapat dengan mudah bercampur dengan air tanah sehingga mencemari sumur dan sumber-sumber air lainnya.

Gambar 2.3 Gambar MTBE (methyl tertiary butyl ether, C5H11O)

Alternatif lainnya untuk membuat nilai oktan bensin menjadi tinggi adalah dengan menggunakan Etanol, yang berbilangan oktan 123. Etanol lebih unggul dari TEL dan MTBE karena tidak mencemari udara. Selain itu, etanol mudah diperoleh dari fermentasi tumbuh-tumbuhan sehingga bahan baku untuk pembuatannya cukup melimpah. Etanol semakin sering dipergunakan sebagai komponen bahan bakar setelah harga minyak bumi semakin meningkat.

Selain itu, alternatif yang ramah lingkungan untuk menaikkan nilai oktan adalah metanol. Metanol memiliki angka oktan yang tinggi dan mudah didapat dan penggunaannya sebagai bahan bakar tidak menimbulkan pencemaran udara. Metanol memiliki satu gugus OH dalam molekulnya. Oksigen yang ada di dalam molekul metanol tersebut membantu penyempurnaan pembakaran antara campuran udara-bahan bakar di dalam silinder. Pada bahan bakar metanol hasil pembakarannya diubah dalam bentuk CO2. Pada prinsipnya emisi CO2 yang dihasilkan pada pembakaran metanol juga akan dipergunakan oleh tumbuhan. Sehingga berbeda dengan bahan bakar fosil, pembakaran metanol tidak menciptakan sejumlah CO2 baru ke lingkungan.

7

Pencampuran metanol pada bensin mampu membuat biaya produksi menjadi lebih ekonomis, bahan bakar yang terbuang lebih sedikit, dan tenaga mesin lebih baik, dibandingkan dengan bensin saja.

3. Reaksi-reaksi Peningkatan Nilai Oktan Bensin

Fraksi bensin hasil penyulingan memiliki nilai oktan yang rendah karena banyak alkana rantai lurus dari hasil penyulingan. Maka dari itu harus dilakukan penambahan nilai oktan yang salah satu caranya adalah proses reforming untuk menambah zat anti ketukan. Reforming adalah suatu proses untuk mengubah alkana rantai lurus menjadi rantai bercabang sehingga dapat menaikkan nilai oktan. Selain itu ada cara lain untuk menambah nilai oktan, yaitu melalui proses cracking atau perengkahan, dengan melalui pemanasan atau dengan bantuan katalis. Cara lain lagi untuk meningkatkan nilai oktan bensin adalah dengan proses Blending, yaitu pencampuran bensin hasil penyulingan dengan bensin hasil cracking.

Pertama, dengan cara reforming. Reforming adalah perubahan dari bentuk molekul bensin yang bermutu kurang baik (rantai karbon lurus) menjadi bensin yang bermutu lebih baik (rantai karbon bercabang). Kedua jenis bensin ini memiliki rumus molekul yang sama bentuk strukturnya yang berbeda. Oleh karena itu, proses ini juga disebut isomerisasi. Reforming dilakukan dengan menggunakan katalis dan pemanasan. Reforming juga dapat merupakan pengubahan struktur molekul dari hidrokarbon parafin menjadi senyawa aromatik dengan bilangan oktan tinggi. Pada proses ini digunakan katalis molibdenum oksida dalam Al2O3 atau platina dalam lempung.

Gambar 2.4 Contoh reaksi reforming

Kedua, dengan cara Cracking. Cracking adalah penguraian molekul-molekul senyawa hidrokarbon yang besar menjadi molekul-molekul senyawa hidrokarbon yang kecil. Contoh cracking ini adalah pengolahan minyak solar atau minyak tanah menjadi bensin. Proses cracking dilakukan untuk menghasilkan fraksi-fraksi bensin yang berat yaitu yang mempunyai bilangan oktan yang buruk karena umunya bilangan oktan itu meningkat jika titik didihnya turun. Maka pada cracking bensin berat akan diperoleh suatu perbaikan dalam kualitas bahan pembakarnya yang disebabkan oleh 2 hal, yaitu, penurunan titik didih rata-rata dan terbentuknya alkena. Oleh karena itu bilangan oktan dapat meningkat dengan sangat tinggi, misalnya dari 45-50 hingga 75-80.

8

Terdapat 3 cara proses cracking. Pertama, Cara panas (thermal cracking), yaitu dengan penggunaan suhu tinggi dan tekanan yang rendah. Proses ini merupakan proses pemecahan molekul-molekul besar dari zat hidrokarbon yang dilakukan pada suhu tinggi yang bekerja pada bahan awal selama waktu tertentu. Pada pelaksanaannya tidak mungkin mengatur produk yang dihasilkan pada suatu proses cracking, biasanya selain menghasilkan bensin juga mengandung molekul-molekul yang lebih kecil (gas) dan molekul-molekul yang lebih besar (memiliki titik didih yang lebih tinggi dari bensin), sehingga akan ada banyak hasil

Gambar 2.5 Contoh reaksi thermal cracking

Kedua dengan Cara katalis (catalytic cracking).Yaitu dengan penggunaan katalis. Katalis yang digunakan biasanya SiO2 atau Al2O3 bauksit. Reaksi dari perengkahan katalitik melalui mekanisme perengkahan ion karbonium. Mula-mula katalis (karena bersifat asam) mendonorkan proton ke molekul olevin atau menarik ion hidrida dari alkana sehingga menyebabkan terbentuknya ion karbonium :

Gambar 2.6 Contoh reaksi catalytic cracking

Ketiga dengan cara Hidrocracking. Hidrocracking merupakan kombinasi antara perengkahan dan hidrogenasi untuk menghasilkan senyawa yang jenuh. Reaksi tersebut dilakukan pada tekanan tinggi. Keuntungan lain dari Hidrocracking ini adalah bahwa belerang yang terkandung dalam minyak diubah menjadi hidrogen sulfida yang kemudian dipisahkan.

Keempat, Cracking dengan alumunium klorida (AlCl3). Bila minyak dengan kadar aromatik rendah dipanaskan dengan AlCl3 bebas air pada suhu 180-2000 °C maka akan terbentuk bensin dalam keadaan dan waktu tertentu. Bahan yang tidak mengandung aromatik misalnya parafin murni dengan 2 atau 5% AlCl3 dapat merubah 90% dari bahan itu menjadi bensin. Proses ini bensin yang dihasilkan tidak mengandung alkena-alkena tetapi masih memiliki bilangan oktan yang lumayan, hal ini disebabkan kerena sebagian besar alkena bercabang.

Proses yang ketiga dalam meningkatkan nilai oktan bensin adalah Blending. Proses blending adalah penambahan bahan-bahan aditif kedalam fraksi minyak bumi dalam rangka untuk meningkatkan kualitas produk tersebut. Untuk memenuhi kualitas bensin yang baik, terdapat sekitar 22 bahan pencampur yang dapat ditambahkan pada proses pengolahannya.

9

4. Prinsip Kerja Bensin

Agar menghasilkan tenaga gerak, pada mesin yang menggunakan bensin dilakukan tahapan proses berikut: Pengisapan gas (campuran bensin dan udara) ke dalam silinder ketika piston bergerak turun kemudian Kompresi di dalam ruang bakar ketika piston bergerak naik. Di akhir kompresi ini dilakukan penyalaan oleh busi, agar gas terbakar. Selanjutnya, Kerja yaitu bergeraknya piston ke bawah karena terdesak oleh gas hasil pembakaran yang bersuhu dan bertekanan tinggi. Dan terakhir Pembuangan, yaitu membuang gas sisa pembakaran ke luar silinder.

Gambar 2.7 Proses kerja mesin 4 langkah

Pada mesin 4 langkah (mesin 4 tak) terjadi proses sebagai berikut: pertama, ketika ruang piston terisi oleh bensin sehingga volume ruang silinder piston bertambah sedangkan tekanan tetap. Kedua, ketika pasokan bensin sudah terhenti dan piston bergerak naik sehingga volume silinder piston berkurang dan tekanan bertambah. Ketiga, ketika busi menyalakan pembakaran pada saat volume minimal menyebabkan terjadi peningkatan tekanan yang sangat tinggi. Proses terakhir, ketika pembakaran menghasilkan gas-gas yang berikutnya menekan piston ke bawah sehingga tekanan turun dan volume silinder piston bertambah.

B. Pengajuan Hipotesis

Dari kajian teori yang sudah penulis dapatkan dan dari pendahuluan serta abstraksi, dalam Karya Tulis Ilmiah ini, penulis akan melakukan sebuah percobaan untuk

10

menentukan waktu penguapan bensin dan menentukan daya ledak penguapan setiap jenis bensin.

Dari hal tersebut, penulis memiliki hipotesis bahwa, semakin kecil massa jenis bensinnya maka penguapan akan semakin cepat, karena massa jenis yang besar membuat massa molekul relatifnya lebih besar, sehingga memiliki titik didih yang lebih tinggi. Semakin besar titik didih, semakin sulit larutan berubah menjadi gas sehingga butuh waktu yang lebih lama untuk menguap. Kemudian, semakin besar nilai oktan bensin, daya ledak penguapannya akan semakin besar karena semakin besar nilai oktan, maka tenaga yang dihasilkan akan juga lebih besar.

11