Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-65

Model Laju Kinetik Dekomposisi BiomasaUntuk Pembentukan Tar Pada Proses Pirolisis

Widya Wijayantia* dan Mega Nur Sasongkob

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Jl. Mayjend Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesiaawidya_dinata@ub.ac.id, bmegasasongko@ub.ac.id

AbstrakPada proses pirolisis, dekomposisi reaksi biomasa untuk pembentukan produk char telah banyakditeliti. Tetapi penelitian tentang mekanisme pembentukan tar belum banyak dilakukan. Olehkarena itu, penelitian kali ini mengamati tentang laju kinetik dekomposisi biomasa menjadi tardengan menggunakan 2 model. Selanjutnya, kedua model ini akan divalidasi dengan menggunakandata eksperimen yang dilakukan pada penelitian ini. Eksperimen dilakukan pada proses pirolisisdengan variasi temperatur antara 250˚C hingga 800˚C. Adapun mekanisme pembetukan tar diamatidengan melihat laju kinetik perubahan masa tar yang terbentuk. Sedangkan biomasa yang dipirolisisadalah kayu mahoni dengan ukuran 150 gram dan berbentuk serbuk. Tar dikondensasi dari furnacepirolisis setelah melalui ice cold trap. Selama proses berlangsung, yaitu selama 3 jam prosespirolisis, perubahan masa dan volume tar yang terbentuk diukur. Hasil penelitian jugamenghasilkan distribusi temperatur pirolisis. Selanjutnya dengan menggunakan persamaan yangsimilar dengan persamaan Arrhenius, data-data tersebut digunakan untuk menghitung besarnyakonstanta laju kinetik tar (k) yang kemudian dirumuskan dengan menggunakan 2 model. Darivalidasi yang dilakukan, model laju kinetik tar yang menjelaskan mekanisme pembentukan taradalah model laju kinetik yang kedua. Sehingga dari penelitian ini dapat ditunjukkan bahwapembentukan tar pada proses pirolisis terjadi melalui 2 tahap, yaitu tahap pertama berada padarange temperatur 250-500°C dan tahap kedua pada 500-800°C.

Kata kunci : model, laju kinetik, tar, pirolisis

Pendahuluan

Tar merupakan salah satu produk pirolisisberwujud cair yang dihasilkan dari pemanasanbiomasa yang terdekomposisi menjadi uap(volatile). Uap ini kemudian dikondensasikansehingga terjadi perubahan fase dari uapmenjadi cair. Pada dasarnya, tar mengandungair dan bio-oil. Adapun nama lain dari taradalah pyrolisis oil (pyro-oil), bio-crude oil,wood oil, wood liquids atau liquid smoke. Tarterbentuk dari depolimerisasi dari selulosa,hemiselulosa dan lignin yang merupakansenyawa biomasa yang dipirolisis [1]. Selainsebagai bahan dasar bio-oil, tar juga memilikiberbagai kegunaan di sektor industri, mulaidari sebagai insulator bangunan, membuatbangunan tahan air, hingga produksi berbagaimacam produk seperti pewarna tekstil, bahan

cat, plastik, parfum, sabun dan shampo yangdigunakan untuk mengatasi berbagai masalahseperti ketombe, luka kulit, dan psoriasis.

Salah satu kendala produksi tar adalahsulitnya mengatur variabel yangmempengaruhi tar agar lebih efisien sertaefektif, sehingga biaya produksi dapat ditekandan memperoleh kualitas dan kuantitas taryang diharapkan. Salah satu variabel yangmempengaruhi produksi tar itu sendiri adalahtemperatur pirolisis sehingga dapat diketahuiseberapa besar panas yang dibutuhkan agartidak terjadi kekurangan atau kelebihan energidalam proses pirolisis ini. Selanjutnya,temperatur yang digunakan dapat digunakanuntuk memprediksi seberapa besar jumlah taryang dihasilkan. Parameter yangmenghubungkan antara temperatur yangdigunakan dan kecepatan produksi tar akibat

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-65

dekomposisi biomasa pada proses pirolisisadalah laju kinetik (kinetic rate) dekomposisibiomasanya. Oleh karena itu kinetik rate perludihitung dengan membuat pemodelandekomposisi biomasa untuk memprediksiproduksi tar akibat pengaruh temperaturpirolisisnya.

Dalam proses pirolisis, laju kinetik sangatpenting untuk mengetahui secara rinci prosesyang terjadi di dalam piroliser atau furnace.Hal ini digunakan untuk mengetahuikecepatan reaksi selama proses berlangsung.Selama proses pirolisis berlangsung terjadireaksi kimia menjadi hasil reaksi, perubahanzat yang terjadi selama proses pirolisis dalamsatuan waktu. Di dalam pirolisis, reaksi kimiayang terjadi yaitu diakibatkan daripeningkatan suhu dengan kondisi oksigenyang minimum sehingga tidak terjadipembakaran selama proses berlangsung.

Untuk mengetahui laju kinetik daripembentukan tar dapat dirumuskan dengan:

.................................... (1)

Dimana f(X) merupakan perbandinganmasa tar pada saat tertentu dibanding denganmasa tar awal/akhir proses pirolisis.Selanjutnya, f (X) disubstitusikan pada pers.(1) dan didapatkan

...................... (2)

untuk model 1 [1] dan

........................ (3)

untuk model 2.Karena dalam penelitian ini proses pirolisis

dipengaruhi oleh temperaturnya, makakonstanta laju kinetik menggunakanpersamaan yang similar dengan persamaanArhenius [2-8] yaitu:

................................... (4)

Selanjutnya, dilakukan eksperimen yangmenjelaskan hubungan antara temperaturpirolisis dan produksi tar yang dihasilkandalam proses pirolisis ini. Dari dataeksperimen tersebut akan didapatkan k(konstanta laju kinetik dekomposisi biomasa)sehingga dapat diketahui model matematikpembentukan tar pada proses pirolisis.Dengan melihat proses dekomposisi biomasa,maka dapat dimodelkan laju kinetiknya yangselanjutnya model tersebut divalidasi kembalidengan data eksperimen.

Metode Penelitian

Data pada penelitian ini berupa distribusitemperatur pada proses pirolisis dan jumlahmasa tar yang dihasilkan selama proses. Daridata tersebut akan dilakukan pemodelanmatematik produksi tar yang dihasilkan, sertavalidasi hasil perhitungan model matematikdengan hasil produksi tar pada eksperimen.

Adapun instalasi penelitian dapat dilihatpada Gambar 1. Bahan baku biomasa yangdipakai pada penelitian ini adalah serbuk kayumahoni. Untuk pengambilan data eksperimen,mula-mula biomasa dimasukkan oven untukmengurangi kadar air di serbuk kayu tersebut.Kadar air ini diukur dengan menggunakanmoisture analyzer hingga kadar air yangtersisa sekitar 5%. Setelah itu, serbuk kayudimasukkan ke dalam piroliser dengan berat150 gram. Gas nitrogen (N2) selanjutnyadialirkan ke dalam piroliser untuk mencegahterjadinya pembakaran.

Keterangan gambar : (1) Tabung Gas N2, (2) PressureGauge N2, (3) Flowmeter Gas N2, (4) Katub Gas N2, (5)Heater, (6) Piroliser, (7) Thermocouple, (8) Pengontroltemperatur, (9) Gelas ukur, (10) Katub gas hasilpirolisis, dan (11) Flow meter hasil gas buang.

Gambar 1. Instalasi Penelitian

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-65

Setelah tahap persiapan selesai dilakukan,proses pirolisis dijalankan dengan mengaturtemperatur pirolisis sebesar 250˚C, 350˚C,400˚C, 450˚C, 500˚C, 600˚C, 700˚C dan800˚C yang berlangsung selama 3 jam padasetiap variasi temperatur pirolisis. Pengaturantemperatur pirolisis tersebut dilakukan denganmenggunakan pengontrol temperatur.

Selama proses, pembentukan tar yangterkondensasi pada gelas ukur diamati denganmencatat perubahan volume tar yangdihasilkan. Adapun massa tar yang terbentukdiukur dengan menimbang gelas ukur setelahproses selesai. Perubahan masa selama prosesdilakukan dengan mempertimbangkandensitas pada setiap perubahan temperaturdan volume yang dihasilkan. Produksi masatar inilah yang nanti digunakan untuk mencarinilai konstanta laju kinetik berikut pemodelanmatematiknya.

Hasil dan Pembahasan

Hasil yang didapatkan pada penelitian iniadalah distribusi temperatur pada tiap-tiapvariasi temperatur pirolisis yang ditunjukkanoleh Gambar 2. Bersamaan dengan distribusitemperatur yang dimonitor sepanjang proses,pembentukan tar juga diukur dan digrafikkanpada Gambar 3.

Gambar 2. Masa tar yield pada temperatur

pirolisis T = 700 C

Gambar 3. Distribusi temperatur padatemperature pirolisis 700 C

Gambar 2 menjelaskan hubungan yangdirumuskan pada pers. (1). Karena prosespirolisis sangat dipengaruhi olehtemperaturnya, maka dengn menggunakanpersamaan yang similar dengan persamaanArrhenius yaitu pers. (4), maka hubunganantara k (konstanta laju kinetik dekomposisibiomasa) dan T (temperatur pirolisis) dapatdinyatakan dengan Arrhenius plot padaGambar 4 dan 5.

Pada Gambar 4, Arrhenius plotmenjelaskan model pertama yaitu laju kinetikdekomposisi dinyatakan dengan satu tahap,artinya dekomposisi biomasa menjadi tarberjalan dengan satu tahap. Sehingga, hanyaada satu konstanta laju kinetik (k) padapersamaan pembentukan tar sepanjang proses.Selain itu, perbandingan f(X) dinyatakandengan perbandingan masa saat tertentudengan masa awal pembentukan tar.

Gambar 4. Arrhenius plot model 1

Adapun model kedua yang dijelaskan olehGambar 5, dekomposisi biomasa dilakukandengan didasarkan pada dekomposisi masing-masing senyawa penyusun biomasanya. Pada

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-65

model kedua ini, dekomposisi pada prosespirolisis terjadi dengan 2 tahap, yaitu di tahappertama, proses dekomposisi biomasa terjadikarena adanya proses evaporasi bersamaandengan proses dekomposisi selulose danhemicelulose (senyawa penyusun biomasayang bersifat softwood), sedangkan tahapkedua adalah dekomposisi atas senyawaligninnya (senyawa hardwood). Untuk modelkedua ini, dekomposisi tahap pertama terjadipada suhu yang rendah. Sedangkandekomposisi pada tahap kedua terjadi padasuhu yang cukup tinggi, karena dibutuhkantemperatur yang cukup tinggi untuk dapatuntuk dapat mendekomposisi lignin.Sedangkan perbandingan f(X)-nya dinyatakandengan perbandingan antara masa tar padasaat tertentu denga masa tar di akhir proses.

Setelah didapatkan nilai k pada masing-masing model, langkah selanjutnya adalahmemvalidasi data ekperimen pembentukan taryield dengan data pembentukan tar hasilperhitungan model matematik pada model 1dan model 2. Pada Gambar 4, Arrhenius plotuntuk model 1 mendapatkan nilai k tunggalsebesar k = 65.588 exp(-5055.8/T) sedangkanArrhenius plot model 2 yang digrafikkan padaGambar 5, nilai k dinyatakan dengan 2 (dua)konstanta laju kinetik pembentukan tar, yaituk1= (5,77x10-5) exp4782,9/T dank2=(2,377x10-5)exp5308,5/T yang menghasilkan2 (dua) persamaan laju kinetik dekomposisibiomasa menjadi tar.

Gambar 5. Arrhenius plot model 2

Gambar 6. Pembentukan tar padatemperatur pirolisis 600C

Gambar 6-8 merupakan hasil validasiantara data eksperimen, hasil perhitunganproduksi tar dengan menggunakan model 1dan hasil perhitungan dengan menggunakanmodel 2, masing-masing pada temperaturpirolisis 600C, 700C, dan 800C. PadaGambar 6, grafik menunjukkan pembentukantar pada temperatur pirolisis 600C. Padaawal proses pirolisis, dari menit pertamahingga menit ke-30, antara data eksperimenpembentukan tar dan hasil perhitunganpembentukan tar dengan menggunakan model1 menunjukkan hasil yang mendekati sama.Namun, setelah menit ke-30, hasilperhitungan untuk model 1 menunjukkanperbedaan yang sangat signifikan. Hal initerjadi karena pada model 1, perbandinganf(X) ditunjukkan dengan perbandingan antaraW(masa tar yang dicari) dan W0(masa tarpembentukan awal) yang masing-masingdikurangkan dengan Wmaks(masa tar akhirproses). Disamping itu, model 1 hanyamenggunakan nilai k tunggal. Artinya, baikpada temperatur rendah ataupun tinggi,persamaan dekomposisi biomasa untukmenjadi tar dinyatakan dengan satupersamaan. Padahal, kecepatan pembentukantar pada selang tertentu menunjukkanperbedaan yang signifikan. Sehingga, setelahmenit ke-30, masa tar yang terbentuk jauhdibawah hasil sesungguhnya.

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-65

Gambar 7. Pembentukan tar pada

temperatur pirolisis 700C

Sedangkan hasil perhitungan model 2,pembentukan tar terjadi tidak begitu coinsidedari awal pirolisis hingga menit 50, tetapisetelah itu, pembentukan tar yang dihasilkanmenunjukkan masa yang hampir sama. Hal inidisebabkan perbandingan f(X) ditunjukkandengan perbandingan antara W(masa tar yangdicari) dan Wmaks (masa tar pembentukanakhir). Sehingga, saat awal proses, hasilvalidasi menunjukkan perbedaan, sedangkanpada hasil akhir menunjukkan hasil yanghampir sama. Ditambah lagi, pada model 2ini, laju kinetik dekomposisi untukmembentuk tar terjadi pada dua tahap yangterbagi atas persamaan dengan menggunakank1 pada temperatur rendah (250°C-500°C) danpersamaan dengan menggunakan k2 padatemperatur lanjut (500°C-800°C).

Kecenderungan yang sama jugaditunjukkan pada Gambar 7 dan Gambar 8,yang mengilustrasikan pembentukan tar padaT=700°C dan T=800°C. Pada hasilperhitungan model 1, saat awal prosespirolisis, yaitu waktu antara menit ke-0hingga menit ke-30, hasil eksperimen denganhasil perhitungan menunjukkan produksimasa tar yang hampir sama. Perbedaan masatar yang dihasikan terlihat pada menit-menitselanjutnya, dimana masa tar hasilperhitungan jauh dibawah masa tar hasileksperimen. Namun, bila hasil produksi tardihitung dengan menggunakan rumusmatematik model ke-2, meskipun hasil taryield awal pirolisis menunjukkan perbedaanpada masa tar yang dihasikan, namun saat

mendekati satu jam proses (menit ke-60),hasil perhitungan pembentukan tar denganmenggunakan model ke-2 ini hampirmenyamai hasil eksperimennya. Penyebabnyasama seperti yang telah dijelaskan pada hasilvalidasi pada T=600°C yang ditunjukkanpada Gambar 6, dan pada penelitiansebelumnya [9] dimana laju dekomposisibiomasa menjadi tar terjadi dengan 2 tahap.Selain tahap dekomposisi senyawa penyusunbiomasa yang terjadi 2 tahap, juga adanyasecondary reaction yang terjadi pada suhuyang tinggi. Hal inilah yang menjadi dasar,mengapa model ke-2 dinyatakan dengan 2persamaan laju kinetik untuk dekomposisibiomasa.

Gambar 8. Pembentukan tar pada temperaturpirolisis 800C

Untuk Gambar 8, meskipunkecenderungan mempunyai kesamaan padaT=700°C dan T=800°C, namun hasilperhitungan dengan model 2 menunjukkanproduk tar melebihi hasil eksperimennyasetelah menit ke-60. Hal ini dapat didugabahwa pada temperatur yang sangat tinggi(T>800°C), ada produk pirolisis lain, yaitugas yields terbentuk selain dari dekomposisibiomasa, juga dihasilkan dari tar yangterdekomposisi menjadi gas, seperti yangtelah diteliti pada penelitian sebelumnya [7],sehingga produksi tar eksperimen lebih kecildaripada hasil perhitungan.

Kesimpulan

Penelitian ini yang menghasilkan distribusitemperatur pirolisis dan pembentukan masatar, didapatkan:

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-65

1. Persamaan yang similar denganpersamaan Arrhenius sehingga dapatdihitung besarnya konstanta laju kinetikdekomposisi biomasa menjadi tar (k)yang menentukan seberapa besar hasilperhitungan masa tar yang dihasilkan.

2. dengan mempertimbangkan dekomposisisenyawa biomasa dan perbandinganpembentukan masa tar terhadap masa tarawal/akhir, maka model matematik lajudekomposisi biomasa menjadi tardirumuskan dengan menggunakan 2model, yaitu dengan k tunggal untukmodel ke-1, dan k ganda (dua nilai k)pada model ke-2.

3. dari validasi yang dilakukan, model lajukinetik tar yang menjelaskan mekanismepembentukan tar serta kesamaan hasilpembentukan tar yang paling sesuaiadalah model ke-2.

4. ditunjukkan bahwa pembentukan tar padaproses pirolisis terjadi melalui 2 tahap.Tahap pertama berada pada rangetemperatur 250-500°C dan tahap keduapada 500-800°C. Tahapan-tahapantersebut dinyatakan dengan 2 konstantalaju kinetik pembentukan tar, yaituk1=(5,77x10-5)exp4782,9/T dank2=(2,377x10-5)exp5308,5/T yangmenghasilkan 2 persamaan laju kinetiktar.

Referensi

[1] Tanoue K, Wijayanti W, et al, Numericalsimulation of the thermal conduction ofpacked bed of woody biomass particlesaccompanying volume reduction induced bypyrolysi, Nihon Enerugi Gakkaishi/Journal ofthe Japan Institute of Energy, Volume 89,Issue 10 (2010) Pages 948-954

[2] Dengyu Chen, et al, Effects of heatingrate on slow pyrolysis behavior, kineticparameters and products properties of mosobamboo, Bioresource Technology, 169 (2014)Pages 313–319

[3] Fengtian Bai, et al, Kinetic study on thepyrolysis behavior of Huadian oil shale vianon-isothermal thermogravimetric data, Fuel,146 (2015) Pages 111–118

[4] Garima Mishra, et al, Kinetic studies onthe pyrolysis of pinewood, BioresourceTechnology 182 (2015)Pages 282–288

[5] Widya Wijayanti, The PhysicalProperties (Enthalpy and ThermalConductivity) of Mahogany Wood Induced byPyrolysis Temperatur Process, AppliedMechanics and Materials, 664 (2014) Pages215

[7] Wijayanti W, et al, Rule of thumb forsimulating biomass pyrolysis in packed bedreactor, 11AIChE - 2011 AIChE AnnualMeeting, Conference Proceedings,Minneapolis, MN; United States (2011) page7

[8] Capart, R., et al, Assesment of variouskinetic models for the pyrolysis of amicrogranular cellulose, Thermo ACTA, 417-1 (2004) Pages 79

[9] Widya Wijayanti, Char Formation andGas Products of Woody BiomassPyrolysis ,Energy Procedia, Vol. 32 (2013)Pages 1-250