BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PENCEMARAN...

6

http://digilib.unimus.ac.id

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. PENCEMARAN UDARA

Pencemaran udara diartikan sebagai adanya bahan-bahan atau zat-zat asing

didalam udara yang menyebabkan perubahan susunan (komposisi) udara dari

keadaan normalnya. Kehadiran bahan atau zat asing dalam udara dengan jumlah

tertentu serta berada diudara dalam waktu yang cukup lama, akan dapat

mengganggu kehidupan manusia, hewan dan tumbuhan. Bila keadaan tersebut

terjadi maka udara dikatakan sudah tercemar (Wardhana.W.A, 2001).

Sumber pencemaran udara yang utama berasal dari transportasi, dimana

hampir 60% dari polutan yang dihasilkan terdiri dari karbonmonoksida (CO) dan

sekitar 15% terdiri dari hidrokarbon (HC). sumber-sumber polusi lain misalnya

pembakaran, proses industri, pembuangan limbah dan lain-lain. Polutan yang

utama adalah karbonmonoksida yang mencapai hampir setengah dari seluruh

polutan udara yang ada (Fardiaz. S, 1999).

Udara yang berada dalam atmosfer merupakan campuran beberapa macam

gas yang perbandingannya tidak tetap, tergantung pada keadaan suhu udara,

tekanan udara dan lingkungan sekitar. Udara adalah juga atmosfir yang berada

disekeliling bumi yang fungsinya sangat penting bagi kehidupan di dunia ini.

Dalam udara terdapat oksigen (O2) untuk bernafas, karbon dioksida (CO2) untuk

proses fotosintesis oleh klorifil pada daun dan ozon (O3) untuk menahan sinar

ultra violet. Susunan (komposisi) udara bersih dan kering, kira-kira tersusun oleh :

Nitrogen (N2) = 78,09 %

Oksigen (O2) = 21,94 %

Argon (Ar) = 0,93%

Karbon dioksida = 0,032%

dan gas-gas lain dalam udara antara lain gas-gas mulia, nitrogen oksida, hydrogen,

methane, belerang dioksida, ammonia, dan lain-lain (Wardhana.W.A, 2001).

7


Udara didaerah perkotaan yang mempunyai banyak kegiatan industri dan

teknologi serta lalu lintas yang padat. Udara didaerah kota tersebut relative sudah

tidak bersih lagi karena banyaknya kegiatan industri dan teknologi . Udara

didaerah industri sudah kotor terkena bermacam-macam pencemar. Dari

bermacam-macam komponen pencemar udara, maka yang paling banyak

berpengaruh dalam pencemaran udara adalah komponen-komponen berikut ini:

(Wardhana.W.A, 2001).

1. Karbon monoksida (CO)

2. Nitrogen oksida (NOx)

3. Belerang oksida (SOx)

4. Hidro karbon (HC)

5. Partikel (particulate), dan lain-lain

2.1.1. Penyebab Pencemaran Udara

Diera globalisasi seperti sekarang ini pembangunan berkembang semakin

pesat, khususnya dalam bidang industry dan teknologi, serta kemacetan akibat

meningkatnya jumlah kendaraan bermotor yang menggunakan bahan bakar

minyak bumi menyebabkan udara yang kita hirup disekitar kita menjadi tercemar

oleh gas-gas buang hasil pembakaran.

Secara umum penyebab pencemaran udara ada 2 macam yaitu (Wardhana.W.A,

2001):

1. Karena factor internal (secara alamiah), contoh:

a. Debu yang berterbangan akibat tiupan angina

b. Abu yang dikeluarkan dari letusan gunung berapi berikut gas-gas vulkanik

c. Proses pembusukan sampah organic

2. Karena factor eksternal (karena ulah manusia), contoh :

a. Hasil pembakaran bahan bakar fosil

b. Debu / serbuk dari kegiatan industri.

c. Pemakaian zat-zat kimia yang disemprotkan ke udara

8


2.1.2. Komponen Pencemar Udara

Pengaruh yang sangat berbahaya untuk kesehatan dari pencemaran udara

tentu sangat merugikan manusia. Pencemaran udara didaerah perkotaan yang

sebagian besar disebabkan oleh emisi gas buang dari kendaraan bermotor yang

menggunakan bahan bakar minyak bumi. Jelas hal ini sangat mengganggu

kesehataan masyarakat perkotaan karena banyaknya kendaraan yang berlalu-

lalang disetiap jalan. Pencemaran udara semakin parah dengan minimnya lahan

hijau diperkotaan sebagai tempat pensuplai kebutuhan oksigen.

Prosentase pencemar udara disumbang terbesar oleh karbonmonoksida.

Sumber pencemaran udara yang berasal dari transportasi adalah komponen-

komponen seperti dijelaskan pada table 2.1.

Table 2.1 prosentase pencemar udara (Wardhana.W.A, 2001)

Komponen pencemar Prosentase

CO 70,50%

Nox 8,89%

SOx 0,88%

HC 18,34%

Partikel 1,33%

Total 100%

Berdasarkan pada table diatas penyumbang terbesar pencemaran udara pada

kendaraan mobil adalah CO dengan prosentase 70,50% dan yang ke dua adalah

HC dengan 18,34%. Berarti komponen terbanyak yang kita hirup jika udara

tercemar adalah CO dan HC. Padahal seperti yang kita ketahui kedua komponen

ini sangat berbahaya bagi kesehatan manusia.

a. Karbon Monoksida (CO)

9


Karbon monoksida (CO) adalah suatu komponen tidak berwarna, tidak

berbau dan tidak mempunyai rasa yang terdapat dalam bentuk gas pada suhu

diatas (-1920C). Komponen ini mempunyai berat sebesar 96,5% dari berat air dan

tidak larut didalam air. Karbon monoksida yang terdapat dialam terbentuk dari

salah satu proses sebagai berikut : (Fardiaz. S, 1999).

1. Pembakaran tidak lengkap terhadap karbon atau komponen yang mengandung

karbon.

2. Reaksi antara karbon dioksida dan komponen yang mengandung karbon pada

suhu tinggi.

3. Pada suhu tinggi karbon dioksida terurai menjadi karbon monoksida dan O

Sedangkan pengaruh CO terhadap kesehatan manusia yang menyebabkan

gangguan pada tubuh ditunjukan pada table 2.2.

Tabel 2.2 Pengaruh CO diudara pada kesehatan manusia (Wardhana.W.A,

2001).

Kosentrasi CO

diudara (ppm)

Kosentrasi CO Hb dalam

darah (%)

Gangguan pada

tubuh

3 0,98 Tidak ada

5 1,3 Belum begitu terasa

10 2,1 System syaraf sentral

20 3,7 Panca indra

40 6,9 Fungsi jantung

60 10,1 Sakit kepala

80 13,3 Sulit bernafas

100 16,5 Pingsan – kematian

b. Hidrokarbon (HC)

Hirdokarbon atau sering disingkat dengan HC adalah pencemar udara yang

dapat berupa gas, cair, maupun padatan. Hidrokarbon merupakan komponen

penyumbang pencemaran udara terbesar ke dua setelah karbonmonoksida.

10


Dinamakan hidrokarbon karena penyusun utamanya adalah atom carbon dan atom

hidrogen yang dapat terikat (tersusun) secara ikatan lurus (ikatan rantai) atau

terikat secara ikatan cincin(ikatan tertutup). Jumlah atom karbon (atom C) dalam

senyawa hidrokarbon akan menentukan bentuknya, apakah akan berbentuk gas,

cairan atau padatan. Pada suhu kamar umumnya hidrokarbon suku rendah (jumlah

atom C sedikit) akan berbentuk gas. Hidrokarbon suku menengah (jumlah atom C

sedang) akan berbentuk cairan dan hidrkarbon suku tinggi (jumlah atom C

banyak) akan berbentuk padatan (Wardhana.W.A, 2001).

Toksisitas dua buah senyawa HC aromatic yaitu Benzena (C6H6) dan

senyawa Toluena (C7H8) terhadap tubuh manusia ditunjukan pada tabel 2.3.

Tabel 2.3. Toksisitas Benzena dan Toluena (Ebenezer.dkk, 2006)

Jenis Hidrokarbon Konsentrasi

(ppm)

Dampak kesehatan

Benzena (C6H6) 100 Iritasi terhadap mukosa

3.000 Lemas setelah (0,5 - 1 jam)

7.500 Pengaruh sangat berbahaya

setelah pemaparan 1 jam

20.000 Kematian (5 – 10 menit)

Toluene (C7H8) 200 Pusing, lemas, kunang-kunang

setelah 8 jam

600 Kehilangan koordinasi, bolamata

terbalik setelah pemaparan 8 jam

2.2 Proses Pembakaran Motor Bensin 4 Langkah

Campuran bahan bakar – udara didalam silinder motor bensin harus sesuai

dengan syarat busi,yaitu jangan terbakar sendiri. Ketika busi mengeluarkan api

listrik,yaitu pada saat beberapa derajat engkol sebelum torak mencapai TMA,

campuran bahan bakar – udara disekitar itulah yang mula-mula terbakar.

11


Kemudian nyala api merambat ke segala arah dengan kecepatan yang sangat

tinggi (25-50 m/detik), menyalakan campuran yang dilaluinya sehingga tekanan

gas didalam silinder naik,sesuai dengan jumlah bahan bakar yang terbakar

(Arismunandar.W, 2005).

Sesuai dengan namanya motor bensin 4 langkah melakuan 4 kali proses

dalam 1 kali pembakaran. Proses prinsip kerja motor bensin 4 langkah

ditunjukkan pada gambar 2.1 dan untuk diagram P – V secara jelas pada gambar

2.2.

Gambar 2.1 Proses kerja mesin 4 langkah Otto (Nurcholis, L. 2011)

V V

12


Gambar 2.2 Grafik P – V siklus Otto (Nurcholis, L. 2011)

Langkah Hisap (0 - 1)

a. Langkah hisap merupkan proses isentropic kompressi yaitu proses tekanan

konstan. Selama proses ini berjalan tidak terjadi perubahan tekanan.

b. Katup masuk terbuka dan katup buang tertutup.

c. Torak bekerja dari TMA (titik mati atas) menuju TMB (titik mati bawah)

sehingga volume ruang bakar bertambah.

Langkah Kompressi

a. Merupakan proses adiabatic dimana tidak ada kalor yang masuk dan kalor yang

keluar.

b. Torak bekerja dari TMB menuju ke TMA sehingga volume ruang bakar

berkurang.

c. Katup masuk dan katup buang tertutup.

Langkah Ekspansi

a. Katup masuk dan katup buang masih tertutup.

13


b. Torak bekerja dari TMA menuju ke TMB karena adanya gaya dorong dari hasil

pembakaran sehingga disebut juga langkah kerja.

c. Gas sisa pembakaran diekspansi sehingga volume ruang bakar bertambah.

d. Merupakan proses Adiabatis.

Langkah Buang

a. Katup masuk tertutup dan katup buang terbuka.

b. Torak bekerja dari TMB menuju ke TMA sehingga gas sisa pembakaran akan

terdorong keluar melalui katup buang.

c. Merupakan proses tekanan konstan.

Pembakaran sempurna terjadi karena ada tiga komponen yang bereaksi , yaitu

bahan bakar, oksigen dan panas, jika salah satu komponen tersebut tidak ada maka

tidak akan terjadi reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran sempurna, dimana

diamsumsikan semua bensin terbakar dengan sempurna perbandingan udara

dengan bahan bakar 14,7 : 1.

Persamaan reaksi pembakaran sempurna adalah sebagai berikut:

2 C8H18 + 25 O2 18 H2O + 16 CO2 (2.1)

Skema pembakaran ditunjukan pada gambar 2.3 dimana energi + gas buang

berasal dari pembakaran yang membutuhkan bahan bakar, oksigen dan panas.

Gambar 2.3 Skema Pembakaran Sempurna pada Mesin Bensin (Syaharani, 2006)

Bahan Bakar + Oksigen + Panas

Pembakaran

Energi + Gas buang

14


C8H18 atau oktane adalah rumus kimia bahan bakar yang digunakan yaitu

premium. Kemudian oksigen (O2) dari udara. Setelah pembakaran berlangsung

maka terbentuklah gas yang terbuang keudara yaitu karbondioksida (CO2) dan dan

air (H2O) (Syahrani, A. 2006).

2.3 Nilai AFR dan Lambda

Perbandingan bahan bakar dengan udara sangat mempengaruhi kadar emisi

gas buang yang dihasilkan, untuk mengetahui kadar emisi gas buang, alat uji

emisi dilengkapi dengan pengukuran nilai (lambda) atau AFR ( air fuel ratio).

Yang dapat mengindikasikan campuran tersebut basah atau kering ( Swisscontact,

2003). Lambda adalah suatu perbandingan antara kebutuhan teoritis udara dan

kondisi nyata dari suatu campuran bahan bakar dengan udara ( Warju, 2006).

Untuk membakar 1 gram bensin dengan sempurna diperlukan 14,7 gram

oksigen. Dengan kata lain, perbandingan campuran ideal = 14,7 : 1. Jumlah

perbandingan tersebut sama dengan teori Stoichiometri. Perbandingan campuran

sering disebut dengan istilah AFR atau perbandingan udara dan bahan bakar.

Untuk membandingkan teori dengan kondisi nyata, dirumuskan suatu perhitungan

yang disebut dengan istilah lambda ( ), secara sederhana dapat dirumuskan pada

persamaan 2.2.

=

(2.2)

Jika jumlah udara sesungguhnya adalah 14,7 maka:

= 14,7 / 14,7:1

= 14,7 / 14,7

= 1

Artinya :

= 1 ( mengindikasikan campuran ideal)

15


> 1 ( mengindikasikan campuran kurus atau kering, dimana udara pembakaran

berlebih)

< 1 ( mengindikasikan campuran kaya atau basah, dimana bahan bakar

berlebih). Persamaan AFR dan lambda ) ditunjukan pada table 2.3.

Tabel 2.4 Persamaan AFR dan Lambda ) (Syahrani, A. 2006)

AFR Lambda AFR Lambda

5 0,340 15 1,020

6 0,408 15,5 1,054

7 0,476 16 1,088

8 0,544 16,5 1,122

9 0,612 17 1,156

10 0,680 17,5 1,190

11 0,748 18 1,224

12 0,816 18,5 1,259

13 0,884 19 1,293

14 0,952 19,5 1,327

14,7 1,000 20 1,361

Gambar 2.4 memperlihatkan daerah operasi katalitik reduksi dan katalitik

oksidasi. Daerah yang gelap merupakan daerah operasi sekitar = 1 ± 1%.

Gambar 2.4 Daerah operasi three way Catalytic Converter

16


Gambar 2.4 diatas menunjukan adanya reduksi katalis dan oxidase katalis.

Sistem pengendalian yang menjaga komposisi campuran udara - bahan bakar yang

masuk ke ruang bakar tetap pada daerah lambda yang diinginkan ( = 1 ± 1%).

Sebagai pendeteksi gas buang digunakan sensor lamnda. Sensor ini akan

mendeteksi apakah campuran lebih kaya atau lebih miskin dari = 1

(Ellyanie.2011).

2.4 Sumber Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor

Polutan yang keluar dari hasil pembakaran pada motor pembakaran dalam

disebut emisi gas buang. Pembakaran yang mendekati sempurna lebih sedikit

mengandung gas CO2 dan H2O. Ada empat sumber polusi yang berasal dari

kendaraan bermotor yaitu (Warju, 2009).

a. Pipa gas buang knalpot adalah sumber yang paling utama sekitar (65-85%)

dan mengeluarkan Hidrokarbon (HC) yang terbakar maupun tidak terbakar,

bermacam-macam nitrogen oksida (NOx), Karbonmonoksida (CO) dan

campuran alcohol, aldehida, keton, penol, asam, ester, ether, epoksida,

peroksida dan oksigen lainya.

b. Bak oli adalah sumber kedua sekitar 20% dan mengeluarkan hidrokarbon yang

terbakar maupun yang tidak yang dikerenakan blowby.

c. Tangki bahan bakar adalah factor yang disebabkan oleh cuaca panas dengan

kerugian penguapan hidrokarbon mentah (5%).

d. Karburator adalah factor lainya terutama saat kendaraan pada posisi stop and

go (kondisi macet) dengan cuaca panas, dengan kerugian penguapan dan bahan

bakar mentah (5-10%)

Besarnya gas buang bermotor tanpa kontrol emisi ditunjukan pada table 2.5.

Saluran gas buang merupakan sumber CO, HC dan NOx terbesar, kemudian

disusul oleh ruang engkol.

Tabel 2.5 Kontribusi gas buang bermotor tanpa control emisi

(Arismunandar , W. 2005)

17


Sumber polutan CO (%) NOx (%) HC (%)

Ruang engkol 1 – 2 1 - 2 25

System bahan bakar 0 0 10

Gas buang 98 – 99 98 - 99 65

Pada motor bensin konvensional dengan perbandingan bahan bakar udara

yang kaya, kadar NOx dalam gas buang turun akan tetapi kadar CO dan HC naik.

Jika digunakan perandingan bahan bakar udara yang miskin, Kadar CO dan HC

turun, tetapi kadar NOx naik. Sedangkan jika digunakan perbandingan yang

sangat miskin, kadar CO dan NOx turun, tetapi kadar HC bertambah besar. Hal

tersebut terjadi karena kesulitan penyalaan, kecepatan pembakaran yang rendah

srta pemmbakaran yang tidak stabil (Arismunandar,W. 2005).

Standar emisi gas buang kendaraan bermotor yang telah ditetapkan oleh

pemerintah berdasarkan keputusan mentri lingkungan hidup tentang ambang batas

emisi gas buang kendaraan bermotor, nampak pada table 2.6.

Table 2.6 KepMen LH No. 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi

Gas Buang

18


Adapun kandungan gas buang yang dapat mengangu kesehatan adalah:

1. Karbonmonoksida (CO)

Karbonmonoksida yang bersumber dari saluran gas buang merupakan

komponen polutan terbesar. Perbandingan bahan bakar dan udara menentukan

banyaknya CO yang dihasilkan dari gas buang kendaraan kendaraan bermotor.

Untuk mengurangi kadar CO maka perbandingan udara dan bahan bakar harus

sebasar 14,7 : 1. Besarnya perbandingan ini pada waktu motor berjalan jarang

dipertahankan, karena kualitas campuran selalu berubah-ubah dengan frekuansi

putar dan pembebanan motor. Pada table dibawah ni akan dijelaskan bahwa

presentase karbonmonoksida pada motor diesel bila dibandingkan dengan motor

otto praktis diabaikan. Hal ini disebabkan karena motor diesel selalu bekerja

dengan udara lebih yang dapat mengakibatkan pembakaran sempurna dari bahan

bakarnya (Arends,B. 1980).

Berdasarkan tabel 2.7 bahwa kadar CO pada motor bensin lebih tinggi dari

pada motor diesel pada setiap kecepatan putaran mesin. Hal ini disebabkan karena

perbandingan campuran kurang ideal. Disebabkan pula oleh frekuensi putaran

rendah, derajat isian tidak sempurna dan tekanan kompresi yang rendah sehingga

mengakibatkan pembakaran tidak sempurna.

19


Table 2.7 Prosentase perbandingan CO motor Otto dan motor Diesel (Sampe

bane.M, 2011)

Pengujian tersebut dilakukan dengan pada suhu, volume pembakaran yang

sama. Perbedaan nilai CO tersebut disebabkan oleh pemakaian udara lebih selama

pembakaran. Jika semakin miskin campuran maka akan meningkatnya presentase

zat asam. Apabila karbon didalam bahan bakar terbakar habis dengan sempurna,

maka terjadi reaksi seperti pada persamaan 2.3 (Warju, 2009).

C + O2 CO2 (2.3)

Namun jika unsur oksigen (udara) tidak cukup, maka terjadi proses

pembakaran yang tidak sempurna yang menghasilkan CO seperti pada reaksi 2.4.

C + ½ O2 CO (2.4)

Jumlah gas CO yang dikeluarkan oleh mesin kendaraan dipengaruhi oleh

perbandingan antara udara dan bahan bakar yang dihisap oleh mesin kedalam

ruang bakar. Pada saat campuran kaya (kekurangan udara) emisi gas buang CO

cenderung naik. Penyebabnya dikarenakan atom karbonmonoksida (CO) yang

berasal dari bahan bakar kekurangan oksigen (O2) yang berasal dari udara luar

untuk berikatan melalui reaksi kimia didalam ruang bakar dan berubah menjadi

karbondioksida (CO2). Sedangkan pada kondisi campuran miskin (kelebihan

udara) konsentrasi CO berbanding lurus dengan campuran bahan bakar dan udara

yang dihisap sehingga konsentrasi CO akan turun, karena oksigen yang bersal dari

20


udara cukup untuk memenuhi reaksi dengan karbon membentuk CO2 tetapi mesin

akan cepat panas karena kekurangan bahan bakar (Warju, 2009).

2. Hidrokarbon (HC)

Hidrokarbon terbentuk karena bahan bakar yang belum terbakar tetapi sudah

keluar bersama-sama gas buang ke atmosfir, karena bahan bakar yang dipakai

pada motor bensin tersebut dari hidrokarbon. Selain itu disebabkan oleh

pemakaran yang kurang sempurna, karena kekurangan oksigen ( campuran kaya

atau basah) sehingga ada sebagian bahan bakar yang belum terbakar dan keluar

dalam bentuk didrokarbon atau juga terjadi karena penguapan dari tangki bahan

bakar dan bak oli.

Campuran kurus menyebabkan konsentrasi HC menjadi naik, hal ini

disebabkan kurangnya pasokan bahan bakar sehingga menyebabkan rambatan

bunga api menjadi lambat dan bahan bakar akan segera keluar sebelum terbakar

dengan sempurna dan juga pada kondisi campuran kaya.

Selain itu emisi gas buang hidrokarbon timbul disebabkan oleh:

1. Dinding ruang bakar yang bertemperatur rendah sehingga mengakibatkan HC

disekitar dinding tidak terbakar dan keluar bersama gas buang.

2. Pembakaran yang tidak merata (ever misfire).

Adanya overlap intake valve (kedua katup bersama-sama membuka) sehingga

HC berfungsi sebagai gas pembilas/pembersih (Swisscontact, 2003). Terdapat zat

hidrokarbon dalam gas buang yang belum terbakar. Banyaknya tergantung dari

keadaan waktu berjalan seperti yang ditunjukan pada table 2.8. Situasi saat motor

direm akan mencapai presentase tinggi sekali, penyebabnya adalah kehampaan

dikatup gas lebih tinggi dari berputar stasioner.

21


Tabel 2.8 HC dalam situasi pembakaran (Arends, B. 1980)

Situasi pembakaran Prosentase HC yang belum terbakar

Stasioner 17 %

Akselerasi 7 %

Kecepatan normal 13 %

Mengerem mendadak 63 %

2.5 Teknologi Pengontrol Emisi

Emsi gas buang dapat dikontrol dan dilakukan untuk mereduksi gas buang

berbahaya pada kendaraan bermotor. Teknologi pengontrol emisi sudah banyak

dikembangkan dinegara - negara maju. Metode yang digunakan ada beberapa

macam, antara lain dengan jalan pemilihan bahan bakar dan perawatan mesin.

Ada beberapa teknologi pengontrol emisi gas buang kendaraan guna mengurangi

emisi gas buang antara lain (Irawan.B, Subri.M. 2005):

1. Modifikasi mesin

2. Modifikasi pada saluran gas buang

3. Modifikasi penggunaan bahan bakar atau system bahan bakarnya.

Tugas akhir ini menggunakan metode yang kedua yaitu modifikasi pada

saluran gas buang kendaraan bermotor yaitu dengan menggunakan Cataltic

Converter dengan katalis jenis metallic honeycomb yang terbuat dari bahan Cu

dan Cu*Cr.

2.6 Gambaran Umum Catalytic Converter

2.6.1 Katalis

Katalis terdapat pada bagian dalam casing dari Cataytic Converter. Katalis

merupakan suatu zat yang mempengaruhi kecepatan reaksi tetapi tidak

dikonsumsi dalam reaksi dan tidak mempengaruhi kesetimbangan kimia pada

22


akhir reaksi. Akhir-akhir ini katalis juga digunakan untuk menangani masalah

polusi udara termasuk untuk mengurangi emisi gas hidrokarbon pada kendaraan

bermotor bensin (Irawan.B. Subri.M, 2005).

Katalis adalah bahan yang mempercepat terjadinya reaksi kimia yang tidak

mempengaruhi keadaan akhir keseteimbangan reaksi dan komposisi kimia katali

tersebut tidak berubah. Bisa juga dikatakan katalis adalah suatu zat yang

meningkatkan lajureaksi kimia tanpa ikut terpakai. Fungi utama dari katalis adalah

untukt menangani masalah emisi gas buang. Dalam Catalytic Converter, katalis

yang digunakan berupa Tembaga (Cu) dan Tembaga lapis Crome (Cu*Cr).

2.6.2. Catalytic Converter

Catalytic converter merupakan alat yang digunakan sebagai kontrol emisi

gas buang yang diletakkan setelah exhaust manifold pada system pembuangan

kendaraaan bermotor (William L. Husselbee, 1985). Catalytic Converter

merupakan alat yang berfungsi untuk mengubah polutan yang membahayakan

pada gas buang menjadi gas yang tidak membahayakan. Alat ini dipasang pada

sistem pembuangan, sehingga semua gas buang yang berbahaya dapat berkurang

setelah mengalir melaluinya . Gas buang yang keluar dari Catalytic Converter

kandungan HC, CO, dan NOxnya lebih rendah dibandingkan yang masuk. Bahan

aktif yang digunakan untuk oksidasi CO dan HC atau pengurangan NO (biasanya

berupa logam mulia) harus dirancang agar emisi yang didistribusikan dapat

melalui luas area permukaan katalis, sehingga karakteristik transfer massa antara

fasa gas dan permukaan katalis aktif yang cukup untuk menghindari hampir 100%

terkonversi menjadi gas buang yang tidak membahayakan dengan aktivitas

katalitik yang tinggi.

Catalytic Converter ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu casing dan

katalis. Katalis merupakan logam yang aktif yang akan menyebabkan terjadinya

reaksi kimia jika suhu kerjanya sudah mencukupi. Bahan yang sering dipakai

sebagai inti logam aktif adalah platina (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd), dan

keramik monolith. Logam Pt dan Pd sangat efektif untuk mereduksi CO dan HC,

23


Sedangkan logam Rh mampu “menjinakan” NO. Paduan Rhodium (Rh) dan

platina (Pt) akan membentuk Catalytic Converter yang disebut Three Way

Catalyts (TWC) yang sangat efektif mereduksi sekaligus mengoksidasi CO, NOx

maupun HC (Ellyanie, 2011).

Dari beberapa penelitian terdapat beberapa logam yang diketahui efektik

sebagai katalis oksidasi dan reduksi dari yang besar sampai yang kecil adalah Pt,

Pd, Ru, Mn, Cu, Ni, Fe, Cr, Zn dan oksidasi dari logam-logam tersebut (Dowden,

1970).

2.7 Prinsip Kerja Catalytic Converter

a. Tahap awal dari proses yang dilakukan pada Catalytic Converter adalah

reduction katalis.

Katalis yang digunakan pada tahap ini menggunakan platinum dan rhodium

untuk membantu mengurangi emisi NOx. Ketika molekul NO atau NO2

bersinggungan denagn katalis, sirip katalis mengeluarkan atom nitrogen dari

molekul dan menahannya. Sementara oksigen yang ada diubah kebentuk O2.

Atom nitrogen yang diterperangkap dalam catalyst tersebut bereaksi dengan atom

nitrogen lainnya sehingga terbentuk format N2. Rumus kimianya dapat dilihat

pada persamaan 2.5 (Ellyanie, 2011).

2NO N2 + O2 atau 2NO2 N2 + 2O2 (2.5)

b. Tahap kedua dari proses didalam Catalytic Converter adalah oxidization

catalyst.

Ruang bakar yang masih dingin menyebabkan hidrokarbon meningkat. Proses

ini mengurangi hidrokarbon yang tidak terbakar di ruang bakar dan CO dengan

membakarnya (oxidizing) melalui katalis platinum dan palladium. Katalis ini

membantu reaksi CO dan HC dengan oksigen yang ada didalam gas buang.

Reaksinya dapat dilihat pada persamaan 2.6.

2CO + O2 2 CO2 (2.6)

c. Tahap ketiga adalah pengendalian system yang memonitor arus gas buang.

24


System akan memonitoring informasi yang diperoleh sebagi kendali system

injeksi bahan bakar. Ada sensor oksigen yang diletakkan sebelum Catalytic

Converter dan cenderung lebih dekat kemesin dari pada converter itu sendiri.

Sensor ini memberi informasi ke Electronic Control System (ESC). ESC akan

memproses informasi tersebut kemudian hasil outputnya adalah pengurangan atau

penambahan jumlah oksigen sesuai rasio udara-bahan bakar. Skema pengendalian

membuat ESC memastikan kondisi mesin mendekati rasio stoikometri dan

memastikan ketersediaan oksigen dalam saluran buang untuk proses oxidization

HC dan CO yang belum terbakar (Ellyanie, 2011).

Tahap ke 3 tidak berlaku pada penelitian tugas akhir ini. Hal ini disebabkan

egine pengujian masih menggunakan system pembakaran konvensional

(karburator) sehingga tidak dilengkapi Electronic Control System (ECS).

2.8. Tipe Catalytic Converter

Catalytic Converter mempunyai berbagai macam bentuk, namun secara garis

besar dapat digolongkan menjadi 3 golongan yaitu Catalytic Converter Oksidasi,

Two-way Catalytic Converter, Three-way Catalytic Converter.

2.8.1 Catalytic Converter Oksidasi

Katalis oksidasi berfungsi untuk mengubah CO dan HC menjadi CO2 dan

air dalam gas buang. Katalis jenis ini beroperasi pada kendaraan udara berlebih.

Udara berlebih yang digunakan untuk proses oksidasi dapat melalui pengaturan

campuran miskin ( > 1) (Irawan.B, 2012). Catalytic Converter oksidasi

ditunjukan pada gambar 2.5.

25


Gambar 2.5 Catalytic Converter Oksidasi (Irawan.B, 2012)

2.8.2. Two- way Catalytic Converter

Sistem Two-way Catalitic Converter ini terdiri dari dua sistem katalis

dimana gas buang akan melalui katalik reduksi dan kemudian katalik oksidasi.

Sistem pertama merupakan katalik reduksi yang akan berperan dalam menurunkan

emisi NOX. Sedangkan sistem kedua merupakan sistem oksidasi yang berperan

menurunkan emisi HC dan CO. Two-way Catalitic Converter biasanya dipasang

pada mesin dengan campuran kaya (basa) (Irawan.B, 2012). Adapun Two -

way Catalytic Converter ditunjukan pada gambar 2.6.

Gambar 2.6 Two way Catalytic Converter (Irawan.B, 2012)

2.8.3. Three way Catalytic Conventer

26


Gambar 2.7 Three Way Catalytic Converter (Irawan.B, 2012)

Three Way Catalytic Converter digunakan untuk mereduksi gas-gas polutan

seperti CO, HC, dan NOx yang keluar dari sistem gas buang dengan cara

mengubah melalui reaksi kimia sehingga menjadi CO2, uap air (H2O) dan

Nitrogen (N). Sistem ini tergolong canggih karena sudah menggunakan control

lambda sensor yang dapat mengatur nilai sehingga dapat berfungsi secara

optimal (Irawan.B, 2012). Three Way Catalytic Converter ditunjukan pada

gambar 2.7.

2.9 Mekanisme Reaksi Catalytic Converter

Reaksi antara karbonmonoksida dengan katalis oksida dan reduksi pada

logam transisi dapat berlangsung dengan menggunakan oksigen sebagai oksidator.

Reaksi tersebut dapat berlangsung pada permukaan katalis oksida logam tersebut.

Reaksi pada permukaan katalis dapat diuraikan menurut:

2.9.1 Mekanisme Mars-Van Krevelen

Adsorpsi merupakan proses berlangsungnya reaksi oksidasi karbonmonoksida

pada katalis, diikuti terjadinya reaksi CO dengan atom O2 dari katalis kemudian

desorpsi CO2 sebagai hasil reaksi. Reaksi ini terjadi pada permukaan bagian

dalam (Aryanto A, Razif, M. 2000).

2.9.2. Mekanisme Langmuir- Hinshelwood

27


Gas karbonmonoksida (CO) yang berasal dari ruang bakar dapat mengalami

kondensasi diatas permukaan katalis dan atom oksigen berada disampingnya,

selanjutnya keduanya berinteraksi. Reaksi terjadi antara molekul oksigen dengan

molekul karbonmonoksida yang keduanya teradsorpsi dipermukaan katalis

(Aryanto A ,Razif,M. 2000). Secara jelas mekanismenya dapat ditunjukan pada

gambar 2.8.

Gambar 2.8 mekanisme reaksi oksidasi CO menurut Langmuir – Hinshelwood

2.9.3 Mekanisme Eley – Rideal

Oksigen akan teradorpsi pada permukaan katalis, sedangkan

karbonmonoksida dapat mengalami ikatan dengan oksigen selama proses

tumbukan. Hasil dari reaksi tersebut akan membentuk CO2. Mekanisme ini

ditunjukan pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Skema mekanisme reaksi oksidasi CO menurut Eley- Rideal

(Aryanto A , Razif,M.2000)

28


2.10. Substract

Substart merupakan bahan dasar dari kontruksi Catalytic Converter yang

nantinya dilapisi dengan washcoat. Ada 3 jenis substarct yaitu :

a. Cramic Pellet (Bola-bola keramik)

b. Ceramic Honeycomb (monolith) atau sarang lebah keramik.

c. Metallic Honeycomb (monolith) atau saang lebah logam.

ketiga bentuk Catalytic Converter tersebut ditunjukan pada gambar 2.10 dan

potongan metallic honeycomb ditunjukan pada gambar 2.11.

a. Ceramic Pellet

b. Ceramic honeycomb

c. Metallic honeycomb

Gambar 2.10 Konstruksi Catalytic Convereter (Irawan, B. 2012)

29


Gambar 2.11. Potongan metallic honeycomb (Irawan,B. 2012)

2.11. Bahan Katalis

a. Tembaga (Cu)

Tembaga (Cu) adalah salah satu dari sederetan logam yang mempunyai

termal ataupun electric conductivity terbaik. Logam ini merupakan salah satu

unsur logam transisi yang berwarna coklat kemerahan.Tembaga (Cu) adalah

termasuk logam mulia dengan logam yang cukup lama dikenal manusia dan

mempunyai sifat tahan karat non asam, mampu mengalirkan panas serta listrik

dengan baik (Suharto, 1995).

Karena Tembaga (Cu) mempunyai sifat mampu alir panas dan listrik yang

baik, maka banyak dipakai sebagai kondensor dan alat-alat pemanas. Tembaga

mempunyai titik lebur pada 10830C, titik didih 2567

0C, kapasitas panas 0,385 j/g

K serta mempunyai kemampuan St 37 (Sunardi, 2006).

b. Chrome (Cr)

Chrome atau kromium (Cr) merupakan logam berat dengan berat atom 51,996

g/mol . Berwarna abu-abu , tahan terhadap oksidasi meskipun pada suhu tinggi,

mengkilat, keras, memiliki titik cair 1.8570 0C dan titik didih 2.6720

0C, bersifat

paramagnetik ( sedikit tertarik oleh magnet), membentuk senyawa-senyawa

berwarna, memiliki beberapa bilangan oksidasi , yaitu +2, +3, +6 dan stabil pada

bilangan oksidasi +3. Bilangan oksidasi +4 dan +5 jarang ditemukan pada logam

ini. Senyawa kromium pada bilangan oksidasi +6 merupakan oksidan yang kuat.

Kromium bisa membentuk berbagai macam ion kompleks yang berfungsi sebagai

katalisator (Widowati,W. 2008).

30


2.12 Pelapisan Tembaga (Cu) dengan Chrome (Cr)

Lapis listrik (electroplating) adalah suatu proses pengendapan zat (ion – ion

logam) pada elektroda (katoda) dengan cara elektrolisa. Terjadinya suatu endapan

pada proses ini adalah karena adanya ion-ion bermuatan listrik berpindah dari

suatu elektroda melalui elektrolit/ hasil dari elektrolisa tersebut akan

mengendapka pada elektroda lain (negative/katoda).

Proses electroplating mengubah sifat fisik, mekanik, dan sifat teknologi suatu

material. Salah satu contoh perubahan fisik ketika material dengan nikel adalah

bertambahnya daya tahan material tersebut terhadap korosi, serta bertambahnya

kapasitas konduktifitasnya. Adapun dalam sifat mekanik, terjadinya perubahan

kekuatan tarik maupun tekan dari suatu material sesudah mengalami pelapisan

dibanding sebelumnya.

Selama proses pengendapan/deposit berlangsung terjadi reaksi kimia pada

elektroda dan elektrolit baik reduksi menuju arah tertentu secara tatap, oleh karena

itu dibutuhkan arus listrik searah dan tegangan secara constant (Hadromi, 2000).

Prinsip teori dari lapis listrik adalah berpedoman atau berdasarkan pada hokum

faraday yang mengatakan bahwa “jumlah unsur-unsur yang terbentuk dan

terbebas pada elektroda selama elektrolisa sebanding dengan jumlah arus listrik

yang mengalir dalam larutan elektrolit.

Jumlah zat-zat (unsur-unsur) yang dihasilkan oleh arus listrik besarnya sama

selama elektrolisa adalah sebanding dengan berat ekivalen masing-masing zat

tersebut. pernyataan tersebut diatas dapat ditulis dengan rumus/ ketentuan sebagai

berikut (Hadromi, 2000).

(2.7)

Dimana :

B = Berat zat yang terbentuk (gram)

I = Jumlah arus yang mengalir (Ampere)

31


t = Waktu (detik)

e = Berat ekivalen zat yang dibebaskan ( berat atoh suatu unsur dibagi

umur tersebut)

F = Jumlah arus yang diperlukan untuk membebaskan sejumlah gram

ekivalen suatu zat

Adapun prinsip dasar electroplating adalah sebagai berikut:

1. Anoda adalah terminal positif, dihubungkan dengan kutub positif dari sumber

arus listrik. Anoda dalam larutan elektrolit ada yang larut da nada yang tidak.

Anoda yang tidak larut berfungsi sebagai penghantar arus listrik, sedangkan

anoda yang larut berfungsi selain sebagai penghantar arus listrik juga sebagai

bahan baku pelapis.

2. Katoda dapat diartikan sebagai benda kerja yang akan dilapisi, dihubungkan

dengan kutub negative dari sumber arus listrik.

3. Elektrolit berupa larutan yang molekulnya dapat larut dalam air dan terurai

menjadi partikel - partikel yang bermuatan positif atau negative.

Adapun skema proses electroplating ditunjukan pada gambar 2.12.

Gambar 2.12 Proses electroplating tembaga dengan Crome

(retrieved, 14 agustus 2009)

32


2.13 Nozel dan Difuzer

Nozel merupakan alat yang berfungsi untuk merubah tekanan menjadi

kecepatan aliran suatu fluida. Nosel mempunyai bentuk penyempitan luas

penampang sehingga tekanan akan mengecil dan kecepatan aliran meningkat

(White Frank,M .1997). Bentuk kerucut dan mempunyai dua buah diameter yang

besarnya berbeda. Diameter awal D1 lebih besar dari D2 sehingga aliran fluida

yang melewatinya akan saling berhimpitan yang menyebabkan kecepatan

alirannya bertambah sehingga gradient menguntungkan. Untuk lebih jelasnya

nozel ditunjukan pada gambar 2.13.

Gambar 2.13 Aliran Udara pada Nozel dan Difuser

(White Frank,M .1997).

Gambar 2.13 terjadi aliran balik pada difuzer. Aliran balik tersebut

diharapkan mampu membuat emisi gas buang menjadi lebih turbulen pada

Catalytic Converter sehingga proses reaksi kimia lebih maksimal. Difuzer

merupakan kebalikan dari nozel. Difuzer memiliki bentuk diameter awal D1 lebih

kecil dari pada D2 sehingga terjadi penurunan kecepatan dan penambahan

tekanan. Tekanan dan luas membesar kecepatan menurun gradient merugikan

(White Frank,M .1997).

2.14. Orifice Plate Flowmeter

2.14.1. Pengertian Orifice

33


Pengukuran aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran massa, laju

aliran, volume aliran. Pemilihan alat ukur aliran tergantung pada ketelitian,

kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan, kesederhanaan dan

keawetan alat ukur tersebut. Dalam pengukuran fluida termasuk penentuan

tekanan, kecepatan, debit, gradient keceatan, turbulensi dan viskositas.

Oriffice adalah salah satu alat ukur aliran fluida yang menghasilkan

perbedaan tekanan udara untuk menentukan laju aliran massa aliran. Concentric

Orifice merupakan jenis orifice yang paling banyak digunakan. Profil lubang

orifice ini mempunyai takik (bevel) dengan kemiringan 450 pada tepi bagian

downstream dapat dilihat pada gambar 2.14. Hal ini akan mengurangi jarak

tempuh dari aliran tersebut mengalami perbedaan tekanan melintang. Setelah

aliran melewati orifice akan terjadi peneurunan tekanan dan keudian mencoba

kembali ke tekanan semula tetapi terjadi sedikit tekanan yang hilang permanen

(permanent pressure loss) sehingga perbedaan tekanan upstream dan downstream

tidak terlalu besar.

Pebandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa delambangkan

dengan “ ”. Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai = d/ D yaitu antara

0.2 – 0.7 karena akurasinya akan berkurang untuk nilai diluar batas tersebut

(Retrieved 8 April, 2013).

34


Gambar 2.14 Concentric Oriffice

Gambar 2.15 Profil lubang plat tipis/ plat orifice

(Victor L Streeter,E, B, W. 1995)

Gambar 2.15 menunjukan bahwa piranti dasar dari orifice yang

pemakaiannya disarankan oleh organisasi internasional untuk standarisasi (ISO).

35


2.14.2. Prinsip dan Persamaan Dasar

Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang dibagian tertentu

(umumnya ditengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika sampai pada

orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Hal itu menyebabkan

terjadinya perubahan kecepatan dan tekanan. Titik dimana terjadi kecepatan

maksimum dan tekanan minimum disebut vena contracta. Setelah melewati vena

contracta kecepatan dan tekanan akan mengalami perubahan lagi. Dengan

mengetahui perbedaan tekanan pada pipa normal dan tekanan pada vena

contracta, laju aliran volume dan laju aliran massa dapat diperoleh dengan

persamaan Bernoulli dan persamaam kontinuitas. Perubahan kecepatan dan

tekanan melalui meteran pengahalang dapat dilihat pada gambar 2.16.

Gambar 2.16 Perubahan kecepatan dan tekanan melalui meteran penghalang

Bernoulli (White,Frank,M. 2001)

Beda tekanan pada manometer pipa (P1 - P2)

(P1 - P2) = hg . g . (2.8)

Dimana :

P1 = tekanan 1 pipa manometer (kg/m.s2)

P2 = tekanan 2 pipa manometer (kg/m.s2)

hg = massa jenis air raksa (kg/m3)

36


g = grafitasi bumi ( m/s2)

= perbedaan tinggi air raksa ( m )

Persamaan Bernoulli:

gz1 =

gz2 (2.9)

P1- P2 =

*

+ (2.10)

Subtitusi persamaan:

P1- P2 =

*

+

Sehingga V2 teoritis:

V2 = √

(2.11)

Dimana :

V2 = kecepatan aliran (m/s)

= perbandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa

= perbedaan tekanan 1 dan 2 ( kg/m.s2)

= massa jenis ( kg/m3)

Persamaan Kontinuitas:

0 =

+

.

0 = { | |} + {| |}

37


(

)

= (

)

= (

)

(2.12)

Dimana:

=

= (2.13)

= (

)

Re =

=

(2.14)

Dimana :

= massa jenis udara ( kg/m3)

= kecepatan aliran udara (m/s)

= diameter dalam pipa (m)

= laju aliran massa udara ( kg/m.s)

Persamaan diatas kurang akurat karena diabaikan beberapa factor seperti

gaya gesek, oleh karena itu untuk mengurangi ketidak sesuainan tersebut ditamah

satu koefisien baru yaitu :

Cd (discharge coefficient), dan D2/ D1 = sehingga (A2 /A1)2 = (D2/ D1)

4 = 4

Untuk nilai Cd ASME merekomendasikan persamaan yang dikembangkan oleh

ISO adalah sebagai berikut:

(2.15)

Berbagai tipe taping pada Orifice Flow Meter dapat dilihat pada gambar 2.16.

38


Gambar 2.17 Berbagai tipe taping pada Orifice Flowmeter

(White,Frank.M.2001)

Nilai F1 dan F2 berdasarkan posisi tap seperti pada gambar 2.14 adalah:

Corner taps : F1 = 0 F2 = 0

D: ½ D taps : F1 = 0,4333 F2 = 0,47

Flange taps : F1 = 1/D (in) F2 = 1/D (in) (2.16)

Sehingga teoritis adalah :

teoritis = V2 A2 = √

[ (

) ]

=

√ √

=

√ √ (2.17)

Dimana = laju aliran massa (kg/s)

39


BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PENCEMARAN...

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. PENCEMARAN...