Bioadsorben sebagai Media Penyimpanan Gas dalam Tabung …

144

BIOADSORBEN SEBAGAI MEDIA PENYIMPANAN GAS LEMBARAN PUBLIKASI LEMIGASRUDY INDHARTO, DKK. VOL. 43. NO. 2, AGUSTUS 2009: 144 - 158

Bioadsorben sebagai Media Penyimpanan Gasdalam Tabung ANG (Adsorbed Natural Gas)Oleh: Rudy Indharto1), Lusyana2) dan Yusep K Caryana3)

1) Pengkaji Teknologi, 2) Peneliti Pertama, 3)Peneliti Muda pada Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi“LEMIGAS”Jl. Ciledug Raya Kav. 109, Cipulir, Kebayoran Lama, P.O. Box 1089/JKT, Jakarta Selatan 12230 INDONESIATeregistrasi I Tanggal 9 Februari 2009; Diterima setelah perbaikan tanggal 17 Juli 2009Disetujui terbit tanggal: 16 September 2009

S A R I

Dengan adanya program pemerintah tentang pengalihan penggunaan Bahan Bakar Minyak(BBM) ke Bahan Bakar Gas (BBG) telah mendorong banyak sektor untuk menggunakan BahanBakar Gas baik dari sektor industri, transportasi maupun rumah tangga.

Akan tetapi Bahan Bakar Gas yang saat ini menggunakan tabung CNG (Compressed Natu-ral Gas) mempunyai beberapa kelemahan, salah satunya adalah tingginya tekanan dalam tabung(200 bar). Saat ini tabung ANG (Adsorbed Natural Gas) dapat digunakan untuk mengatasikelemahan tersebut, pada tekanan yang relatif lebih rendah sekitar 500 psi, tabung ANG mempunyaivolume penyimpanan hampir setara dengan tabung CNG. Tabung ANG terdiri dari adsorbenkarbon aktif dan lapisan pelindung, biasanya aluminium.

Karakteristik penyimpanan/pelepasan gas bumi dari tabung ANG tergantung dari sifat-sifatadsorben karbon aktif penyusunnya. Kinerja adsorpsi/desorpsi karbon dapat diketahui melaluiparameter massa jenis, kekuatan tekan, tahanan listrik dan luas permukaan karbon. Hasil penelitianmenunjukkan bahwa tabung ANG akan memiliki kinerja yang baik jika adsorpsi/desorpsi gasbumi pada karbon aktif memiliki kapasitas atau laju yang tinggi. Kapasitas adsorpsi gas bumi yangtinggi dalam karbon aktif terjadi jika karbon aktif memiliki massa jenis, luas permukaan dan kekuatantekan yang tinggi serta memiliki hambatan listrik paling rendah. Parameter kinerja karbon aktifsangat bergantung pada proses pembuatannya. Luas permukaan akan tinggi jika butiran karbonaktif dibuat pada ukuran nano. Massa jenis dan kekuatan kompresi yang tinggi serta hambatanlistrik yang rendah terbentuk jika karbon aktif dibuat melalui tahapan kompresi dan waktupemanasan yang relatif lama.

Kata kunci : bioadsorben, karbon aktif, bahan bakar gas.

ABSTRACT

With the launching of governmental program for oil fuel (BBM) to gas fuel (BBG)conversion has pushed many sector to use the gas fuel either industrial sector, transporta-tion and also household.

However, gas fuel which in this time uses CNG (Compressed Natural Gas) tank havingsome weaknesses i.e. the tank pressure is high. In this time the ANG (Adsorbed NaturalGas) tank is applicable to overcome the weakness where at pressure relatively lower than500 psia, the ANG tank has volume equivalent to CNG tank. ANG tank consists of adsor-bent from active carbon and wrapped by aluminium.

The characteristics of gas adsorption/desorption in ANG tank depend on properties ofthe active carbon adsorbent. Adsorption/desorption performance can be known from pa-rameter such as density, compressive strength, electric resistivity and surface area of car-

145


I. PENDAHULUAN

Cadangan minyak bumi yang terus menurun telahmendorong pencarian energi alternatif yang dapatmensubstitusi bahan bakar minyak. Salah satu energialternatif yang dapat digunakan adalah Bahan BakarGas (BBG). Harga Bahan Bakar Gas itu sendirimeskipun tanpa subsidi tetap lebih murah biladibandingkan dengan bahan bakar minyak.

Saat ini sebagian transportasi di Indonesia sudahmengunakan BBG namun penggunaannya masihbelum populer disebabkan tabung BBG seperti tabungCNG (Compressed Natural Gas) mempunyaibeberapa kelemahan di antaranya ukuran tabung besardan berat, tekanan dalam tabung sangat tinggi (sekitar150-200 bar) dan kapasitas pengisian tabung yangterbatas.

Untuk mengatasi permasalahan tersebut dapatdigunakan tabung Adsorbed Natural Gas (ANG).Tabung ANG adalah tabung gas yang berisi adsorbensebagai penyerap dan penampung gas di dalam tabungdengan tekanan tertentu. Dengan adanya adsorbendalam tabung maka kapasitas pengisian tabung akanbertambah besar, sehingga untuk mendapatkankapasitas pengisian yang samatekanan yang diperlukan lebih kecildaripada tabung CNG pada umumnya.

Bahan yang digunakan sebagaiadsorben dalam tabung adalah karbonaktif yang dapat dibuat dari bahan fi-ber alami (bioadsorben) seperti limbahtongkol jagung dan tempurung atausabut kelapa yang diproses menjadibriket karbon.

Briket karbon ini mempunyai poriberukuran nano dan dengan adanyagaya Van der Waals pada dinding porimaka molekul gas metana dapatdiadsorb lalu dimampatkan dalam porihingga mencapai high density fluid.

Briket karbon dapat menampung sekitar 118 gramgas metana per satu liter karbon pada tekanan 500psi1).

II. METODOLOGI

Dalam penelitian pembuatan bioadsorben ini, agarmendapatkan hasil yang optimal maka perlu dilakukantahapan metodologi seperti yang digambarkan dalamdiagram alir berikut ini.

Metode penelitian dimulai dengan pembuatankarbon aktif yang berkinerja tinggi karena karbontersebut akan digunakan sebagai bioadsorben yangmenyimpan gas metana. Kegiatan yang dilakukanuntuk mendapatkan karbon aktif dengan kinerja tinggiadalah proses aktivasi dan modifikasi permukaankarbon. Karbon aktif yang telah dibuat dilanjutkandengan karakterisasi untuk mengetahui sifat karbonseperti sifat hidrofobik dan volume pori karbon. Bilakarbon sudah mempunyai spesifikasi karbon aktifyang berkinerja tinggi maka pada karbon dilakukanpengujian seperti uji sifat fisik/mekanik dan ujikapasitas adsorpsi. Dengan tercapainya sifat fisik/mekanik dan kapasitas adsorpsi seperti yang

bon. ANG tank will have a good performance if gas adsorption/desorption in active car-bon has high capacity. In addition, gas adsorption capacity will be high if active carbon’sdensity, surface area and compressive strength is high and electric resistivity is low. Per-formance parameter of active carbon depend on the making process. Surface area will behigh if active carbon’s particle is at nano level size. To get high density and compressivestrength and low electric resistivity of active carbon, compression stages and log time ofheating should be applied.

Key words : bioadsorbent, active carbon, compressed natural gas

Gambar 1 Metode penelitian adsorben karbon aktif

penyimpanan gas bumi

146


diinginkan maka dibuatlah tabung baja sebagai cas-ing untuk membentuk tabung ANG.

III. PROSES PEMBUATAN KARBONAKTIF

Hampir semua material mengandung karbon yangberpotensi untuk dibuat karbon aktif. Umumnya bahanbaku yang cocok adalah batubara (antrasit, aspal danbatubara muda), tongkol jagung, tempurung kelapa,kayu (lembut dan keras), gemuk dan minyak residu.Bahan baku lainnya yang juga dapat digunakan adalahkulit kenari, persik, kulit kacang babassu dan palmkarnel namun secara komersial bahan baku ini kurangbanyak tersedia. Sebagai gambaran 1000 ton bahanbaku jenis tempurung kelapa hanya akanmenghasilkan sekitar 100 ton karbon aktif yangberkualitas. Atau dapat dikatakan hanya 1/10 daribahan baku jumlah karbon aktif yang dapat diperoleh.

Material karbon mempunyai porositas tertentu danluas permukaan internal (internal surface area)sekitar 10-15 m2/g. Selama pengaktifan, volume porimenjadi lebih luas dengan pengendalian oksidasi atomkarbon yang umumnya dilakukan dengan pemanasanpada temperatur tinggi. Setelah pengaktifan, luaspermukaan internal karbon meningkat antara 700sampai 1200 m2/g, tergantung pada prosespengaktifan2,4).

Agar material karbon dapat berfungsi sebagaiadsorben maka luas permukaan internal harus dapatdilalui uap air atau cairan. Jadi, dalam pengaktifankarbon yang diperlukan tidak hanya peningkatan luasinternal surface tetapi juga jaringan pori-pori sebagaitempat masuknya fluida. Berdasarkan IUPAC,ukuran diameter pori dapat dibagi dalam tiga golonganyaitu3,5):

- Mikropori 2 - 20 Ångstrom

- Mesopori 20- 50 Ångstrom

- Makropori > 50 Ångstrom

Semua karbon aktif mempunyai pori mikropori,mesopori dan makropori di dalam struktur denganproporsi berbeda-beda tergantung bahan bakupembuat karbon.

Karbon dari tempurung kelapa didominasi olehmikropori mencapai 95% dari luas permukaan inter-nal yang tersedia. Struktur seperti ini ideal untukadsorpsi fluida dengan berat molekular rendah dankonsentrasi zat pelarut rendah. Karbon dari gemukkayu didominasi oleh struktur mesopori atau

makropori, sehingga cocok untuk adsorpsi fluida yangmempunyai berat molekular besar.

Bahan dasar karbon aktif yang saat inidikembangkan di beberapa negara untuk adsorbenberasal dari bahan fiber alami (natural fiber) sepertitongkol jagung (corncob), kayu dan tempurungkelapa (coconut shell). Mengingat Indonesia adalahnegara agraris maka banyak sumber bahan baku yangdapat dibuat menjadi bioadsoben untuk tabung ANG.

Untuk memperoleh kinerja adsorben tabung ANGyang optimal perlu dipilih bahan dasar karbon aktifbeserta perekat yang sesuai untuk pembentukanadsorben sebagai media penyimpanan BBG dengantekanan rendah. Berikut ini akan dibahas prosespembuatan bioadsorben mulai dari karbon aktif hinggamenjadi briket karbon.

A. Proses pembuatan Karbon Aktif66,7)

Karbon aktif yang akan digunakan sebagaiadsorben dapat diproduksidengan steam maupunbahan kimia pengaktif, di mana proses pengaktifanuntuk kedua cara tersebut dilakukan pada temperaturtinggi.

Pengaktifan dengan bahan kimia dilakukan melaluipengeringan atau penurunan kadar selulosa sehinggadapat merubah struktur bahan baku sedangkanpengaktifan dengan steam, diawali dengan penguapandan diikuti oleh oksidasi struktur atom karbon.

1. Pengaktifan dengan Bahan kimia

Bahan baku yang digunakan dalam metode ini adalahserbuk gergaji dan asam fosfat sebagai agenaktivasinya, meskipun dapat pula menggunakan asambelerang atau klorida seng.

Bahan baku dan bahan aktivasi dicampur sehinggamenjadi suatu pasta, lalu dikeringkan dan dikarbonisasipada suhu 600ºC. Dengan asam fosfat (H

3PO

4)

sebagai agen aktivasi, produk yang telah dikarbonisasidipanaskan lebih lanjut pada suhu 800-1000ºC hinggakarbon menjadi bersifat asam. Asam dihilangkansetelah pengaktifan dan dikembalikan ke kondisisemula seperti sebelum digunakan. Karbon aktif yangterbentuk dicuci dengan air dan dikeringkan untukmenghilangkan sifat asam tersebut.

Keaktifan karbon dapat dikontrol dengan mengaturproporsi bahan baku dan agen aktivasi antara 1:0,5sampai 1:4. Aktivitas akan meningkat denganmemperbesar konsentrasi agen aktivasi walaupuntemperatur dan waktu tetap.

147


2. Pengaktifan dengan Steam

Penggunaan uap air untuk pengaktifan dapatdiberlakukan pada hampir semua bahan baku karbon.Berbagai metode telah dikembangkan dengan prinsipdasar sama yaitu karbonisasi pada suhu 500-600ºCdan dilanjutkan dengan pemanasan kembalimenggunakan steam pada suhu 800-1100ºC. Karenakeseluruhan reaksi yang terjadi (mengubah karbonke karbondioksida) bersifat eksotermis maka panasyang dihasilkan dapat digunakan sebagai energi untukproses selanjutnya.

C+ H2O (uap air) CO+ H

2(- 31 Kcal)

CO+½ O2

CO2

(+ 67 Kcal)

H2+½ O

2

H2O ( uap air) (+ 58 Kcal)

C+ O2

CO2

(+ 94 Kcal)

B. Penghalusan Karbon Aktif8,9)

Karbon aktif yang telah diperoleh melalui prosesdi atas perlu dilanjutkan dengan penghalusan (grind-ing) untuk mendapatkan karbon aktif dengan bentukpowder. Tujuannya adalah untuk memperbesar luaspermukaan karbon aktif.

Proses penghalusan dilakukan dengan menggu-nakan Planetary Ball Mill Machine yang dapatdilihat pada Gambar 2 berikut ini.

Untuk mendapatkan metode penghalusan yangtepat perlu dilakukan variasi parameter seperti sepertiberat sampel, kecepatan putar (RPM) dan waktu putaralat Ball Mill tersebut. Dalam Tabel 1 berikut iniditunjukkan hasil penghalusan karbon aktif yangterbuat dari tempurung kelapa dengan variasi waktuputar alat.

Berdasarkan Tabel 1 diketahui bahwa semakinlama waktu putar alat maka ukuran partikel karbonaktif yang diperoleh semakin kecil.

C. Pembuatan Briket Karbon

Untuk mendapatkan briket karbon dari karbonaktif yang telah dihaluskan yang berasal daritempurung kelapa atau tongkol jagung dilakukandengan tahapan sebagai berikut1,10,11) :

1. Karbon aktif halus dicampur dengan asam fosfat(H

3PO

4) dan ditambahkan air sebanyak 50%

2. Campuran dimasukkan ke dalam oven dandipanaskan dengan temperatur rendah selamabeberapa jam sebagai langkah awal proseskarbonisasi

3. Karbon didinginkan beberapa saat dandipanaskan kembali untuk yang kedua kalinyadengan panas yang lebih tinggi. Selama prosestahap kedua ini gas nitrogen dipompa kedalamcampuran untuk menjaga agar karbon tidakterbakar

4. Karbon didinginkan kembali lalu dicuci denganair untuk menghilangkan asam fosfat yangmenempel dan dilanjutkan dengan pengeringandalam oven.

5. Karbon yang telah kering dihaluskan untukmendapatkan serbuk karbon aktif yang sangathalus.

6. Serbuk karbon aktif dicampur dengan bahanpengikat (binder) dan selanjutnya dipress dengantekanan dan temperatur tinggi menjadi briket yaitupada tekanan 500 MPa dan temperatur 200-

A1 50 150 100 632

A2 50 150 50 635

A3 50 150 150 523

Sampel RPMW aktu

uji (jam)

Hasil uji (nm)

Berat sampel (gram)

Tabel 1 Hasil penghalusan karbon aktif

dengan variasi waktu uji

Gambar 2 Planetary Ball Mill Machine

148


300ºC secara bertahap untuk mendapatkankerapatan massa adsorben yang stabil

7. Jika stabilitas kerapatan massa telah dicapai, ma-ka selanjutnya sampeladsorben dikeringkandalam oven pada tempe-ratur 60ºC lalu diproseskembali di dalam ovenpada temperatur 150 ºCuntuk menghilangkansisa-sisa uap air

8. Adsorben dikarbonisasipada lingkungan gas in-ert pada temperatur650ºC untuk kemudiandiaktivasi di lingkungankarbondioksida (CO

2)

pada temperatur 800-900ºC

9. Adsorben atau briketkarbon didinginkan.

Untuk lebih jelasnyapada Gambar 3 ditunjukkanproses dan rangkaian pe-ralatan yang digunakandalam pembuatan briket dariserbuk karbon aktif.

Dalam pembuatan bri-ket, jumlah binder yangdicampurkan sangat menen-tukan kualitas briket karenaakan berpengaruh pada den-sitas briket di mana densitasbriket akan menentukanjumlah ruang kosong (poro-sitas) pada briket karbon.

Sebenarnya terdapatdua metode pembuatanbriket karbon. Metodepertama dengan proseskarbonisasi kemudian dilan-jutkan dengan pembuatanmonolith/briket seperti yangtelah dijelaskan sebelumnya.Metode yang kedua yaitudengan pembuatan mono-lith dulu baru kemudiandilakukan proses karbonisasi

Gambar 3Peralatan pembuatan Briket Karbon dari Serbuk

Gambar 4Skema Tahapan Pembuatan Briket karbon / monolith1)

dari monolith/briket tersebut. Secara skematis keduametode pembuatan briket karbon diperlihatkan padagambar 4 berikut ini.

149


Dalam proses pencetakan briket ini memerlukanalat press dengan kekuatan yang sangat besar, yaitumencapai 150 ton yang dilengkapi dengan alatpencetaknya (mold) sesuai dengan ukuran briket yangakan dibuat yang terdiri dari die dan piston, sehinggadidapat hasil cetakan yang presisi dan kuat. Gambaralat press sebagai pencetak briket karbon dapat dilihatpada Gambar 5 di bawah ini.

Hasil pembuatan briket karbon untuk setiap tahapmulai dari bahan baku terlihat pada Gambar 6 di manabahan baku yang digunakan adalah tongkol jagung.Pada Gambar 7 juga terlihat hasil akhir bentuk briketkarbon yang diperoleh yang akan digunakan sebagaiadsorben dalam tabung ANG.

IV. KARAKTERISTIK BIOADSORBEN

Kualitas bioadsorben atau briket untukmengadsorpsi atau desorpsi gas metana sangattergantung dari karakteristikbriket karbon yang diperolehdari hasil proses karbonisasidan kompresi. Karakteristikbioadsorben yang perludiketahui antara lain massajenis, kekuatan tekan (com-pressive strength), tahananlistrik dan luas permukaankarbon.

A. Massa Jenis

Massa jenis adsorbenmenunjukkan jumlah massaper satuan volume material

terus meningkat sesuai dengan kenaikan tekananGambar 5

Alat Press dan Cetakan Briket Karbon1)

Gambar 6 Briket Karbon dari Tongkol Jagung1)

karbon aktif adsorben. Massa jenis adsorben yangtinggi akan meningkatkan kapasitas penyimpanan gasmetana. Hal ini terlihat pada grafik yang ditunjukkandalam Gambar 8.

Gambar 8 menunjukkan bahwa pada temperaturdan tekanan yang sama (3,4 Mpa dan 24 ºC),adsorben dengan massa jenis yang rendah (0,49 g/cc) hanya mampu menyerap atau menyimpan gasmetana sekitar 120 v/v. Sementara itu, adsorbendengan massa jenis yang lebih tinggi (0, 63 g/cc)mampu menyerap atau menyimpan gas metanasekitar 146 v/v. Jadi, kapasitas penyimpanan gasdalam adsorben berbanding lurus dengan massa jenisadsorben.

Massa jenis adsorben sebenarnya terjadi secarabertahap sesuai dengan tahapan kompresi pencetakanpada saat proses pembuatan. Pada saat kompresipertama massa jenis adsorben belum stabil, nilainya

150


kompresi pencetakan. Massa jenis yang stabil dengannilai yang tetap terjadi pada tahap akhir kompresiseperti yang terlihat pada Gambar 9.

B. Kekuatan Tekan (Compressive Strength)

Stabilitas adsorben yang tinggi dengan masa pakaiyang panjang merupakan sifat adsorben karbon aktifyang diinginkan. Parameter yang menunjukkan sifatstabilitas tinggi dan durabilitas yang panjang adalahcompressive strength (kekuatan tekan).

Oleh karena itu, untuk menjamin stabilitas yangtinggi dan masa pakai yang panjang, adsorben karbonaktif harus memiliki sifat compressive strength yangtinggi.

C. Tahanan Listrik (Electric Resistivity)

Dengan mengetahui resistivitas elektris dariadsorben maka akan lebihmudah dalam merancangsistem desorpsi (pelepasan)gas dari adsorben karbonaktif. Resistivitas elektrisadsorben dapat diukurdengan menggunakan alatyang ditunjukkan dalamGambar 10.

Untuk kepentingan alir-an listrik yang baik makaresistivitas elektris adsorbenharus sekecil mungkin. Nilaiakhir dari resistivitas elektrissangat dipengaruhi olehproses pembuatan adsorbenyang akan melibatkan durasipemanasan, tahapan kom-presi pencetakan dan massajenis. Pengaruh tahapankompresi pembuatan adsorben terhadap resistivitaselektris adsorben digambarkan oleh grafik padaGambar 11.

Sebagaimana terlihat pada Gambar 11, kenaikkantekanan pada berbagai tahapan kompresi pencetakanmenurunkan nilai resistivitas elektris adsorben.Semakin tinggi tekanan kompresi pencetakan makasemakin kecil nilai resitivitas elektris adsorben karbonaktif. Hal ini berarti, semakin tinggi tekanan kompresisaat proses pembuatan maka akan menghasilkanadsorben karbon aktif dengan kinerja tinggi.

Sedangkan pada Gambar 12 terlihat bahwa durasi

Gambar 7 Hasil Akhir Bentuk Briket Karbon1)

Gambar 8 Hubungan massa jenis adsorben dengan kapasitas penyimpanan gas11)

pemanasan yang panjang selama proses pembuatanadsorben akan menurunkan resisitivitas elektris yangdengan sendirinya meningkatkan kinerja adsorbenkarbon aktif.

D. Luas Permukaan

Salah satu karakteristik lain yang akanmenunjukkan kinerja adsorben adalah luas permukaanpori adsorben di mana semakin tinggi luas permukaanpori adsorben maka semakin baik kinerja adsorben.Semakin tinggi luas permukaan pori adsorbenmenunjukkan semakin kecil ukuran partikel karbonaktif. Dengan memperkecil ukuran partikel karbon

151


maka ukuran pori yangterbentuk di antara partikelkarbon dan di dalam partikelkarbon tersebut juga kecilsehingga luas permukaan poripada adsorben akan besar.Ukuran pori karbon aktif terkecilyang diinginkan supaya adsor-ben memiliki kinerja yang tinggiadalah ukuran pori skalamikropori (1-2 nm). Pada Tabel2 terlihat luas permukaan untukbeberapa bahan karbon aktif.

V. MEKANISMEADSORPSI DANDESORPSI GAS

Proses penyimpanan gasdalam karbon aktif yangdigunakan dalam tabung adalah

Gambar 9 Pengaruh tahapan kompresi terhadap

massa jenis adsorben11)

Gambar 10 Alat Pengukur Resisitivitas Elektris Adsorben Karbon Aktif12,13)

152


proses adsorpsi. Adsorpsi didefinisikan sebagaiproses di mana permukaan padatan menyerapmolekul gas / fluida karena proses kima dan / ataugaya fisik. Di dalam proses adsorpsi, molekulmenempel pada permukaan karbon dengan kekuatanlemah yang dikenal dengan gaya Van der Waalsakibat adanya interaksi intermolekuler. Karbon aktifdapat diibaratkan suatu material yang mempunyaipermukaan dengan jutaan pori seperti spons. Karbonaktif dan gas yang terserap tidak mengalamiperubahan secara kimiawi.

Faktor yang sangat menentukan kemampuanbriket karbon untuk mengadsorp gas adalah strukturpola pori atau distribusi volume pori di dalam briket.Untuk itu dalam membuat briket karbon perludilakukan pengujian distribusi volume pori tersebut.Penentuan jenis pola struktur pori dalam briketdilakukan dengan tiga teknik yang berbeda, diantaranya adalah Small-Angle X-ray Scattering(SAXS), nitrogen desorption isotherms, and Scan-ning Electron Microscopy (SEM). SEM digunakanuntuk mengetahui secara visual struktur permukaandan struktur pori pada bagian luar briket. Perbedaandengan SAXS adalah bahwa struktur pori dapatterlihat pada bagian dalam pori briket. Kejelasan danketerbatasan resolusi gambar SEM tidak dapatsecara jelas membedakan nanopori. Sehingga perlumetode analisis lain yang berbeda (SAXS, nitrogen

Gambar 11 Pengaruh Tahapan Kompresi Terhadap

Resistivitas Elektris Adsorben11)

Gambar 12 Pengaruh Durasi Pemanasan Terhadap

Resistivitas Elektris Adsorben11)

1. Busofit 191-5 199.9 0.0176 462 1691 2496 0.887 49.9

2. Busofit-M2 203.9 0.0179 465 1702 2507 0.89 41.5

3. Busofit-M4 225.1 0.0198 536 1715 2547 0.9 42

4. Busofit-M8 252.9 0.0223 571 1939 2985 1.04 51

5. WAC 97-03 115 0.0101 271 715 1050 0.37 33.4

6. WAC 19-99 172.1 0.0151 393 1005 1486 0.53 41.7

7. WAC 3-00 221.1 0.0195 575 1383 2142 0.74 50

8. 207C 209.2 0.0184 502 1300 1944 0.69 41

9. Norit sorbonorit-3 193.8 0.0171 458 1361 2044 0.73 50

10. Sutclife 236.6 0.0208 527 1925 2864 1.02 53.6

RDR,108m

sim pan m enggunakan physisorption , Kg/Kg; SH – luas perm ukaan hidrogen, m 2/g; SBET – luas permukaan BET

Dubinin-Radushkevich, m 3/kg; RDR – ukuran pori m etode Dubinin-Radushkevich

Catatan: WAC – Karbon aktif dari kayu; av – kapas itas s im pan menggunakan physisorption , m 3/kg; a –– kapas itas

nitrogen, m 2/g; SDR – luas perm ukaan m etode Dubinin-Radushkevich , m 2/g; VDR – volum e m icropore m etode

No. Adsorbenav , 103 m3

(STP)/kg

aH,

Kg/kgSH, m2/g

SBET,

m2/gSDR, m2/g

VDR,103

m3/kg

Tabel 2Luas Permukaan Berbagai Bahan Karbon Aktif14,15)

153


adsorption, dan sebagainya) yang dapat membantuuntuk menganalisis sampel. Gambar 13 berikut inimenunjukkan distribusi briket dengan ukuran nano ataumikropori (<20 Å), mesopori (20 – 50 Å), danmakropori (>50 Å)4).

Di dalam briket karbon, struktur pori membentuksuatu pola tertentu yang berulang yang disebut dengan

fractal, hal ini terjadi karena adanya pengelompokanbutiran dan terbentuk rongga (void) di antara fractaltersebut dengan ukuran yang besar yang terdistribusidi seluruh bagian adsorben. Rongga ini adakalanyaberfungsi sebagai pintu masuk (entry point) gas untukmeresap atau teradsorpsi ke pori karbon.

Gambar struktur pori briket karbon dapat dilihatpada Gambar 14 ini, di mana selain terdapat pori jugaterlihat rongga-rongga pada briket1).

Saat gas metana sebagai komponen terbesardalam BBG diadsorpsi, gas akan terjebak atau terikatoleh gaya Van Der Waals pada permukaan karbondan pada jaringan pori karbon. Untuk jaringan/polapori pada karbon dengan ukuran 10 – 20 Angstromakan didapat efek yang bagus untuk adsorpsi. Denganrange ukuran pori seperti itu, gaya Van Der Waalsakan membuat gas metana yang tersimpan dalam porimenjadi seperti liquid dengan densitas sangat tinggisekitar 0.17 g/cm3 pada tekanan 34 atm dantemperatur 25°C (Gambar 15). Pembuatan karbondengan distribusi pori seperti itu akan diperoleh tabungpenyimpanan BBG yang efisien.

Gaya Van Der Waals pada kenyataannya bekerjapada pori karbon dengan ukuran sekitar 1,1 nanometer. Ikatan Van Der Waals adalah ikatan yangterjadi akibat adanya gaya tarik antar-molekul akibatkedudukan kumpulan kimia yang berdekatan. Gambar16 mengambarkan terjadinya ikatan Van der Waals,yang membandingkannya dengan ikatan kovalen5).

Dengan ukuran pori yang sangat kecil (mikropori)yaitu sekitar 1,1 nm, gaya Van der Waals memberikanenergi yang sangat besar untuk menyerap molekulgas ke dinding pori adsorben dan menekan/memampatkan molekul gas menjadi sangat padat

Gambar 13Distribusi volume pori dalam briket

Gambar 14Distribusi Volume pori dan rongga

pori pada briket

Gambar 15Karakteristik adsorpsi gas metana terhadap

perubahan temperatur1)

Gambar 16Ikatan Van der Waals

154


sehingga mempunyai densitas mendekati liquid.

Adsorben yang adalah berupa material padatdapat menyimpan gas dengan jumlah yang lebihbanyak daripada tabung gas yang kosong disebabkanmolekul gas mempunyai energi yang sangat besar.Mereka bergerak secara bebas berputar dan memutardi seluruh ruangan yang ditempati. Dengan dilakukanpenekanan dan pendinginan akan membuat molekulgas tersebut termampatkan dengan menempatiruangan yang lebih sempit.

Di dalam ruangan yang sangat sempit, pori karbonakan menjebak dengan menangkap dua molekul gaskarena gaya Van der Waals tersebut menjadi gas yangsangat padat sehingga molekul gas akan mempunyaigaya yang sangat kecil untuk bergerak5). Hal tersebutdapat diilustrasikan oleh gambar 17 berikut ini.

Sebenarnya untuk mendapatkanadsorben yang dapat mengadsorpsiatau menampung gas yang optimalharus mempunyai volume pori yangproporsional, artinya volume pori yangterbentuk pada briket tidak bolehterlalu besar atau terlalu kecil. Briketdengan volume pori yang besar akanmenampung molekul gas lebihbanyak tetapi hanya mempunyaisedikit pori untuk menampung gastersebut. Hal ini dapat dijelaskankarena dengan pori yang besar, secarakeseluruhan briket hanya mempunyaivolume pori yang kecil.

Dengan ukuran pori yang terlalukecil tidak akan bisa menampung mo-lekul gas karena gas menjadi sangatpadat terjebak dalam pori sehinggatidak dapat bergerak dalam pori. Haltersebut di atas dapat dijelaskan

dengan gambar 18 di bawah ini.

Dengan ukuran molekul gas sebesar 3,7 Å makadiameter pori pada briket sebesar sekitar 22 Å, poriakan mampu menampung molekul gas cukup banyakdengan 3 – 4 baris molekul yang bebas bergerakkarena antar molekul gas dan karbon belum adainteraksi gaya yang menyebabkan gas teradsorpsi.Ukuran pori yang optimum adalah 11 Å, di mana dapatmenampung dua baris molekul gas yangtermampatkan karena adanya gaya Van der Waalssehingga akan tertampung molekul gas yang lebihbanyak dalam briket. Dengan ukuran pori yang terlalukecil sekitar 6 Å akan menyebabkan molekul gasterlalu padat terjebak dalam pori dan tidak dapatbergerak dari pori.

Perbedaan besarnya volume gas yang dapat

Gambar 18Mekanisme adsorpsi gas dalam adsorben5)

Gambar 17Perbandingan molekul gas dalam tabung

kosong dan tabung ANG

155


tertampung dalam tabung CNG dan yang dapatteradsorpsi oleh tabung ANG dapat dilihat padaGambar 19 yang dapat dinyatakan dalam gram perliter dan V/V (Gambar 20).

Dari Gambar terlihat bahwa ANG dapatmenampung gas sebanyak 3 kali kapasitas yang dapatditampung oleh tabung CNG pada tekanan 5 MPa.Pada tekanan 10 MPa adsorben mencapai kapasitasmaksiumnya. Pada tekanan 20 Mpa CNG hanyamampu menampung gas 30% lebih banyak dari ANGpada tekanan 10 MPa.

Selain kemampuan adsorpsi yang tinggi, adsorbengas harus mempunyai sifat desorpsi yang tinggi pula.Salah satu sifat adsorben karbon aktif berkinerja tinggiadalah kemampuan untuk melepaskan atau desorpsigas yang tersimpan sebesar-besarnya. Kinerjadesorpsi ini identik dengan sifat adsorpsi, artinya kurvakinerja adsorpsi mencerminkan pula perilaku desorpsiadsorben. Sebagai contoh, sifat desorpsi adsorbenkarbon aktif dapat pula diprediksi melalui Gambar 20yang menunjukkan bahwa temperatur yang rendahakan menyebabkan desorpsi gas yang relatif lebihtinggi dibanding proses desorpsi pada temperatur yanglebih tinggi. Hal ini dapat tercapai dengan menjagagradien temperatur yang rendah selama prosesadsorpsi/desorpsi gas. Gradien temperatur yangrendah selama proses adsorpsi/desorpsi gas dapatdipelihara jika konduktivitas termal tinggi. Sifatkonduktivitas termal ini pun terkait dengan sifat-sifatlain dari adsorben karbon aktif yaitu luas permukaan(spesifik), massa jenis, resistivitas elektris, ukuranmikropori serta kekuatan tekan yang tinggi untukstabilitas dan masa pakai yang panjang.

Kapasitas Adsorpsi1,16,17)

Kapasitas adsorpsi atau kapasitas penyimpananBBG pada adsorben mencerminkan akumulasi BBG(adsorbate) yang dapat diserap dan tersimpan didalam adsorben pada tekanan dan temperaturtertentu.

Kapasitas adsorpsi dapat dilakukan pengukurandengan dua macam cara yaitu dengan cara gravi-metric measurement yang biasa dilakukan padasampel dengan ukuran kecil. Seperti namanya prinsippengukuran adsorpsi didasarkan pada berat gas yangteradsorpsi ke dalam adsorben. Peralatan gravimet-ric measurement dapat dilihat pada Gambar 21.

Kemudian cara yang lain adalah dengan pres-sure difference measurement, di mana dengan alat

Gambar 19Kapasitas gas tertampung pada tabung CNG

dan ANG dalam gram/liter1)

Gambar 20Kapasitas gas tertampung pada tabung

CNG dan ANG dalam V/V1)

Gambar 21Gravimetric Measurement4)

156


ini dapat mengukur adsorpsi gasdengan sampel briket yangcukup besar (3,5”) dan denganprinsip pengukuran denganperbedaan tekanan pada sampelbriket dan gas penguji daridalam tabung.

Kapasitas penyimpananBBG pada adsorben dapatdinyatakan dengan tiga satuan,yaitu

- M/V (massa per volume)yaitu massa gas dalam gramper volume karbon dalam li-ter.

- V/V (volume/volume) yaituvolume gas pada temperatur25°C dan tekanan 1 atm pervolume karbon.

- M/M (massa per massa)yaitu massa gas dalam gramper kilo gram karbon.

Pada keadaan kesetim-bangan, kapasitas adsorpsidinyatakan oleh persamaan (1)berikut8,9) :

aeq

= (Wo/ v

a) exp [- (R

m T ln

Psat

/P)/E]2 (1)

Notasi, a : kapasitas adsorpsi,

va

: volume spesifik medium adsorben

W : volume spesifik maksimum microporous (koefisien Dubinin-

Radushkevich)

Ru

: Konstanta gas

T : temperatur absolut

E : Energi aktivasi

Psat

: Tekanan saturasi

P : Tekanan gas

Sedangkan tekanan saturasi (Psat

) diperoleh melaluipersamaan (2) berikut:

Psat

= Pcr(T/T

cr)2 (2)

Pcr dan T

cr menyatakan tekanan dan temperatur kritis.

Luas permukaan spesifik, volume spesifik mediumadsorben (v

a), volume spesifik maksimum

microporous (koefisien Dubinin-Radushkevich, Wo)

dan energi aktivasi ditentukan secara empiris sertadiukur menggunakan alat-alat High Speed Gas Sorp-tion Analyser NOVA 1200, pada temperatur 77 Kdan tekanan 0 – 0,1 MPa. Berdasarkan dataphysisorption nitrogen, kemudian luas permukaan,volume total pori dan volume microporous dapatditentukan. Contoh parameter-parameter empirisberbagai bahan karbon aktif tercantum pada Tabel 3.

Gambar 22Pressure Difference Measurement1)

157


Penerapan persamaan (1)dan persamaan (2) untukberbagai bahan karbon aktifdengan menggunakan rangkaianperalatan pengujian sebagaimanatercantum pada Gambar 21 dan22 akan menghasilkan karak-teristik adsorpsi BBG untukberbagai jenis karbon aktif padaberbagai tekanan dan tem-peratur seperti contoh di Gambar23. Hasil penelitian yang telahdilakukan oleh Universitas Mis-souri (MU) di Illinois AS,besarnya kapasitas adsorpsi yangtelah berhasil diperoleh jugadapat dilihat pada Tabel 3 di manasecara grafik dapat dilihat padaGambar 23.

Besarnya kapasitas adsorpsigas ke dalam adsorben sangat dipengruhi oleh tekanangas yang bekerja pada sistem. Hubungan antaratekanan gas yang bekerja pada sistem denganbesarnya adsorpsi pada adsorben dapat dilihat padaGambar 23.

VI. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian dan kajian diperolehkesimpulan sebagai berikut:

1. Bahan baku adsorben gas yang paling baik adalahdari bahan karbon aktif karena mempunyaistruktur pori berukuran nano yang dapatmengadsorpsi gas metana atau BBG ke dalampori

2. Untuk jaringan/pola pori pada karbon denganukuran 10 – 20 Angstrom akan diperoleh efekyang bagus untuk adsorpsi

3. Adsorbed natural gas (ANG) dapat mengadsorpsigas metana (CH

4) atau BBG dengan tekanan

relatif rendah (500 psi) dan kapasitas cukup besar(150V/V) dibandingkan dengan CNG yangmemerlukan tekanan sampai 3600 psi.

4. Kualitas adsorben ditentukan oleh karakteristiknyaantara lain massa jenis, kekuatan tekan (compres-sive strength), tahanan listrik dan luas permukaankarbon.

Gambar 23Kapasitas adsorpsi gas hasil penelitian1)

M/V 73 – 95 g/lt 104-107 g/lt 98 g/liter 118 g/liter

V/V 112-145 lt/lt 159-163 lt/lt 150 lt/lt 180 lt/lt

M/M 170-220 g/kg 210-220 g/kg 170 g/kg N/A

AGLARG Best Performance

ANG Industri target

ALL-CRAFT Typical briket (sampel B-21/K)

ALL-CRAFT Best performance (sampel

B-21/K)

Tabel 3Hasil pengukuran kapasitas adsorben1)

158


KEPUSTAKAAN

1. Pfeifer, Peter, 2006, “ALL-CRAFT Technologyfor Low-Pressure Storage of Methane from Bio-mass”, 34th Annual Missouri Waste ManagementConference, Lake Ozark, Columbia

2. Chang, K. et al., 1996, ‘Behavior And Perfor-mance Of Adsorptive Natural Gas Storage Cyl-inders During Discharge’, Appl. Therm. Eng., 16,359–374

3. Hasller, J.W., 1951, “Active Carbon”, ChemicalPublishing Co., Inc., New York

4. Dash, R. K., 2006, “ Nanoporous Carbons De-rived from Binary Carbides and their Optimiza-tion for Hydrogen Storage”, Ph. D Thesis Sub-mitted to the Faculty of Drexel University

5. Bansal R C, et al., 1988, “Active Carbon”, MarcelDekker, New York

6. Cameron Carbon Inc., “Activated Carbon Manu-facture, Structure & Properties”, www.cameroncarbon.com.

7. Hickman, 2002, “Process For Manufacturing Ac-tivated Carbon Honeycomb Structures”, USPatent No. 6,372,289 B1, April 16.

8. Vasiliev, et al., 2005, ‘Activated Carbon For GasAdsorption’ In Int. Conference Solid State Hy-drogen Storage – Materials And Applications,Hyderabad, India.

9. Allen, T., 1997, “Particle Size Measurement”, 5th

ed., Chapman & Hall, London

10. Suryanarayana, C.,”Mechanical Alloying and

Milling”, Departement of Metallurgical and Ma-terial Engineering, Colorado School of Mines,Golden, USA, 1987

11. Banks, M et al., 2007, “Conversion Of WasteCorncob To Activated Carbon For Use Of Meth-ane Storage”, ALLCRAFT, Lincoln University,Columbia

12. Burchell, Tim, 2000, “Carbon Fiber CompositeAdsorbent Media for Low Pressure Natural GasStorage”, Carbon Materials Technology Group,Oak Ridge National Laboratory

13. Vasiliev, L. L., et al, ‘Activated Carbon For GasAdsorption’ In 3rd Int. Symposium On FullereneAnd Semifullerene Structures In The CondensedMedia, Minsk, Belarus, 22–25 June, 2004, 110–115

14. Vasilievi, L. L , et al., “Activated Carbon FiberComposites For Ammonia, Methane And Hydro-gen Adsorption”, International Journal of LowCarbon Technologies 1/2.

15. Quinn, D. , 2005, “Adsorption Storage A ViableAlternative To Compression

16. Bandosz T J, et al. 2003, “Chemistry And Phys-ics Of Carbon”, Ed. L R Radovic (New York:Marcel Dekker)

17. Agarwal, R. K., 1988, “High Pressure Adsorp-tion Of Pure Gases On Activated Carbon: Analy-sis Of Adsorption Isotherms By Application OfPotential Theory And Determination Of HeatsAnd Entropies Of Adsorption. Ph. D. Disserta-tion, Syracuse. ˇ

Bioadsorben sebagai Media Penyimpanan Gas dalam Tabung …

Documents

Transcript of Bioadsorben sebagai Media Penyimpanan Gas dalam Tabung …