PROPOSAL PENELITIAN

PEMURNIAN BIOGAS DARI KANDUNGAN HIDROGEN SULFIDA (H2S)

DENGAN METODE ABSORPSI KIMIA

Oleh :

1. Kusuma Aditya L2C008134

2. Pricilia Melisa L2C008144

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2011

ii

Halaman Pengesahan

Proposal Penelitian

Nama /NIM : Kusuma Aditya /L2C008134

Nama /NIM : Pricilia Melisa /L2C008144

Judul Penelitian : Pemurnian Biogas dari Hidrogen Sulfida (H2S) dengan

Metode Absorbsi Kimia

Dosen Pembimbing : Ir. Agus Hadiarto, M.T

Semarang, Juli 2011

Telah menyetujui

Dosen Pembimbing

Ir. Agus Hadiyarto, M.T

NIP. 19550821 198303 1 002

iii

RINGKASAN

Harga minyak bumi yang terus melambung tinggi memaksa terus

dilakukannya upaya pencarian dan penelitian sumber energi alternatif baru.Hal

ini pun juga terjadi di Indonesia. Cadangan minyak yang semakin sedikit

Diperkirakan akan habis dalam dua dekade mendatang apabila terus dikonsumsi

tanpa ditemukannya cadangan minyak baru. Salah satu sumber energi alternatif

yang paling menjanjikan adalah biogas. Hal ini dikarenakan bahan baku yang

dapat diperbaharui dan tersedia melimpah. Akan tetapi kandungan H2S yang

cukup besar dapat berpotensi mencemari lingkungan sehingga biogas perlu

dimurnikan terlebih dahulu sebelum digunakan sebagai bahan bakar. Penelitian

sebelumnya mengenai pemurnian biogas dari kandungan H2S menggunakan

larutan CuSO4 menemui kendala dalam hal regenerasi absorben dan penggunaan

kembali sulfur yang dipisahkan. Oleh karena itu, dalam penelitian ini

menggunakan penyerap Ferri dimana penyerap dapat diregenerasi dan sulfur

yang terpisahkan berwujud padatan. Paremeter operasi yang akan dipelajari

adalah perbedaan laju alir dan jenis penyerap serta pengaruhnya terhadap yield

H2S. Operasi pemurnian biogas ini meliputi pembuatan biogas, analisa

kandungan biogas sebelum dan sesudah diabsorpsi, preparasi penyerap, operasi

absorbsi H2S dan regenerasi penyerap. Penelitian ini dilakukan selama 6 (enam)

bulan dengan beberapa tahapan yang dimulai dengan studi pustaka, pencarian

dan preparasi bahan, percobaan pendahuluan, pengamatan pengaruh variabel

proses serta pembuatan laporan hasil penelitian.

iv

SUMMARY

The price of oil continues to bounce higher forces continue to undertake

efforts to search and research new alternative energy sources. this also has

happened in Indonesia. Oil reserve is estimated that fewer and fewer will be

exhausted within the next two decades if it continues to be consumed without the

discovery of new oil reserves. One source of the most promising alternative

energy is biogas. This is because the raw materials that can be updated and

available in abundance. However, a substantial content of H2S can potentially

pollute the environment so that the biogas needs to be purified before use as fuel.

Previous research about the purification of biogas from the content of H2S using

CuSO4 solution meet the constraints in terms of regenerating the absorbent and

reusing the separated sulfur. Therefore, in this study using absorbent Ferri where

the absorbent can be regenerated and sulfur are separated in solids. Operating

parameter to be studied is the difference in flow rate, type of absorbent and its

influence on yield H2S. Biogas purification operations include the manufacture of

biogas, biogas analysis before and after the contents are absorbed, the absorbent

preparation, operation and absorbent regeneration of H2S absorption. This

research is conducted for six months with several stages that begin with the

literature study, search and preparation materials, a preliminary experiment,

observation variables influence the process and making research reports.

v

PRAKATA

Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena

dengan berkat dan anugerahNya, maka kami dapat menyelesaikan proposal

penelitian dengan judul “Pemurnian Biogas dari Kandungan Hidrogen Sulfida

(H2S) dengan Metode Absorpsi Kimia”.

Proposal Penelitian merupakan mata kuliah wajib di Teknik Kimia

Universitas Diponegoro dengan bobot 1 SKS. Proposal penelitian merupakan

tahap awal mahasiswa sebelum melakukan penelitian. Mahasiswa diharapkan

mampu menyusun proposal penelitian sesuai dengan kaidah usulan penelitian.

Saran, bantuan, dan bimbingan senantiasa datang secara moril maupun

materiil, secara langsung maupun tidak langsung selama penyusunan proposal

penelitian. Oleh karena itu, pada kesempatan kali ini kami mengucapkan terima

kasih kepada :

1. Ir. Abdullah, M.S., Ph.D. selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Universitas

Diponegoro

2. Ir. Agus Hadiyarto, M.T selaku Dosen Pembimbing Penelitian

3. Semua pihak yang telah membantu menyusun proposal penelitian.

Kami menyadari adanya keterbatasan kemampuan dan pengetahuan dalam

menyusun proposal penelitian ini. Kritik dan saran yang membangun senantiasa

kami harapkan untuk perbaikan dan pengembangan di masa mendatang.

Besar harapan kami, semoga proposal penelitian ini dapat bermanfaat bagi

kami khususnya dan pembaca sekalian pada umumnya.

Semarang, Juli 2011

Penyusun

vi

DAFTAR ISI

Halaman Judul .................................................................................................. i

Halaman Pengesahan ....................................................................................... ii

Ringkasan ......................................................................................................... iii

Summary .......................................................................................................... iv

Prakata .............................................................................................................. v

Daftar Isi........................................................................................................... vi

Daftar Tabel ..................................................................................................... vii

Daftar Gambar .................................................................................................. viii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang .................................................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ............................................................................ 3

1.3. Tujuan Penelitian ................................................................................ 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Biogas ................................................................................................ 5

II.1.1. Pembuatan Biogas ................................................................... 5

II.1. 2. Komposisi Biogas .................................................................. 7

II.2. Gas Hidrogen Sulfida (H2S) .............................................................. 8

II.2.1. Sifat Fisik dan Kimia Gas H2S ................................................ 9

II.2.2. Karakteristik gas H2S .............................................................. 9

II.2.3. Efek Fisik gas H2S terhadap Manusia ..................................... 9

II.3. Absorbsi............................................................................................. 11

II.3. 1. Absorbsi Fisik ........................................................................ 12

II.3. 2. Absorbsi dengan Reaksi Kimia .............................................. 13

BAB III METODE PENELITIAN

III.1. Bahan Penelitian .............................................................................. 15

III.2. Alat yang dipakai ............................................................................. 15

III.3. Rancangan Penelitian ....................................................................... 16

III.3.1. Variabel Operasi .................................................................... 16

III.3.2. Respon.................................................................................... 17

III.4. Prosedur Penelitian .......................................................................... 17

III.5. Analisa Hasil dan Data ..................................................................... 19

III.6. Jadwal Penelitian…………………………………………………...19

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Produksi biogas dan potensi energi yang dapat dihasilkan....................5

Tabel 2.2. Berbagai Macam Bakteri penghasil Metana dan Substratnya...............6

Tabel 2.3. Komponen Utama Biogas......................................................................7

Tabel 2.4. Kesetaraan biogas..................................................................................8

Tabel 2.5. Tingkat konsentrasi H2S dan efek fisik gas H2S…………………..….9

Tabel 3.1 Rancangan factorial design 2 level penelitian absorpsi kandungan

H2S dalam biogas…………………………………………………..….18

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Teori lapisan dua film........................................................................12

Gambar 2.2. Penyerapan H2S dengan reaksi kimia dengan katalis Fe3+

EDTA.....14

Gambar 3.1. Alat pemurnian Biogas……………………………………………..16

1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Beberapa tahun terakhir ini energi merupakan persoalan yang krusial

didunia. Peningkatan permintaan energi yang disebabkan oleh pertumbuhan

populasi penduduk dan menipisnya sumber cadangan minyak dunia serta

permasalahan emisi dari bahan bakar fosil memberikan tekanan kepada setiap

negara untuk segera memproduksi dan menggunakan energi terbaharukan.

Peningkatan harga minyak dunia hingga mencapai 100 U$ per barel juga menjadi

alasan yang serius yang menimpa banyak negara di dunia terutama Indonesia.

Lonjakan harga minyak dunia akan memberikan dampak yang besar bagi

pembangunan bangsa Indonesia. Konsumsi BBM yang mencapai 1,3 juta/barel

tidak seimbang dengan produksinya yang nilainya sekitar 1 juta/barel sehingga

terdapat defisit yang harus dipenuhi melalui impor(Arief, 2010). Menurut data

ESDM (2006) cadangan minyak Indonesia hanya tersisa sekitar 9 milliar barel.

Diperkirakan cadangan minyak ini akan habis dalam dua dekade mendatang

apabila terus dikonsumsi tanpa ditemukannya cadangan minyak baru. Untuk

mengurangi ketergantungan terhadap bahan bakar minyak pemerintah telah

menerbitkan Peraturan presiden republik Indonesia nomor 5 tahun 2006 tentang

kebijakan energi nasional untuk mengembangkan sumber energi alternatif sebagai

pengganti bahan bakar minyak. Kebijakan tersebut menekankan pada sumber

daya yang dapat diperbaharui sebagai altenatif pengganti.

Biogas merupakan salah satu bahan bakar non fosil bersifat renewable

(dapat diperbaharui) yang dapat dijadikan bioenergi alternatif. Biogas

diperoleh dari proses fermentasi biomassa yang mengandung karbohidrat dengan

bantuan mikroorganisme. Biogas sangat potensial sebagai bahan bakar karena

kandungan metana yang tinggi yaitu sekitar 55-65% (Kismurtono, 2011). Biogas

juga sudah mulai dikembangkan dan dimanfaatkan oleh beberapa industri sebagai

bahan bakar alternatif pengganti minyak. Kandungan biogas tidak hanya CH4 dan

2

CO2, Biogas juga mengandung H2S yang tinggi sekitar 10-40 ppmv yang

berpotensi mencemari lingkungan(Mary Elisabeth, 2010) sehingga biogas perlu

dimurnikan terlebih dahulu sebelum digunakan sebagai bahan bakar.

Secara umum, upaya penghilangan (pengurangan) H2S dari biogas telah

banyak dilakukan, salah satunya dengan menggunakan metode absorpsi. Untuk

absorbsi secara fisika maupun kimia, efektif untuk laju alir gas yang rendah

dimana biogas dioperasikan pada keadaan normal. Absorben yang biasa

digunakan untuk penyerapan dengan metode absorpsi kimia adalah H2S adalah

NaOH (N. Tippayawong, 2010), dan CuSO4(H. Ter Maat dkk, 2006). Penyerapan

dengan absorben tersebut memang tidak memerlukan biaya operasi yang tinggi

dalam skala kecil akan tetapi absorben tersebut tidak bisa di regenerasi dan juga

sulfur yang terpisahkan dari biogas tidak bisa dimanfaatkan kembali. Hal tersebut

sangatlah krusial dikarenakan residu yang dibuang dapat mencemari lingkungan.

Penelitian penelitian terus dikembangkan untuk mengatasi masalah tersebut.

Penelitian yang dilakukan oleh Frare, dkk (2005) yaitu menentukan rasio optimum

laju alir cairan dan gas. Laju alir larutan katalis yang digunakan bervariasi dengan

rentang 22-250 mL/min dan laju alir biogas yang digunakan konstan 265 mL/min.

Pada run pertama dan kedua digunakan laju alir sebesar 22 mL/min dan 48

mL/min. Setelah 15 menit diamati H2S yang keluar dari kolom mulai terlihat ini

dikarenakan deaktivasi katalis. Pada run ketiga, empat , dan kelima digunakan laju

alir 61, 70, 80 mL/min dan H2S mulai terjadi deaktivasi katalis pada menit ke-35.

Pada run keenam digunakan laju alir sebesar 122 mL/min dan tidak terjadi

deaktivasi katalis. Dan dari penelitian diatas dapat disimpulkan bahwa L/G

optimum adalah 0,46.

Penelitian yang dilakukan oleh Horikawa,dkk (2004) yaitu membandingkan

penyerapan H2S menggunakan larutan katalis FeEDTA dengan penyerapan

menggunakan air murni. Pada percobaan pertama dilakukan secara batch untuk

mengetahui deaktivasi katalis. Laju alir gas yang digunakan sebesar 1000 mL/min

dan tekanan biogas sebesar 2,2 kgf/cm2. Dari hasil percobaan terlihat larutan

katalis kehilangan effisiensi setelah menit ke-4 dan deaktivasi terjadi setelah

menit ke-35. Estimasi laju alir larutan katalis sebesar 83 dan 68 mL/min.

3

Pada percobaan selanjutnya dibandingkan laju alir cairan dan H2S yang

terpisahkan. Dan hasilnya adalah laju alir 83,61 mL/min lebih baik dalam

menghilangkan gas H2S. Pada percobaan membandingkan tekanan biogas dengan

H2S yang terpisahkan. Tekanan yang digunakan adalah 2,2 kgf/cm2 dan 1,2

kgf/cm2. Dari hasil terlihat bahwa tekanan 1,2 kgf/cm

2 lebih dapat menghilangkan

H2S lebih banyak. Pada percobaan dilakukan penyerapan CO2 dan H2S dengan air

murni dan telihat bahwa H2S lebih banyak terserap dari pada CO2. Percobaan

membandingkan penyerapan H2S dengan menggunakan air dan larutan FeEDTA

dengan laju alir gas sebesar 1000 mL/min, tekanan 2,2 kgf/cm2, laju alir air 88

mL/min, laju alir larutan katalis sebesar 83 mL/min. Dari hasil didapat bahwa

larutan katalis lebih baik dalam menghilangkan H2S dalam biogas. Dengan

berlandaskan penelitian terdahulu diatas, maka dibuatlah penelitian pemurnian

biogas dari kandungan Hidrogen Sulfida dengan menggunakan garam garam ferri

sebagai penyerap.

I. 2 Rumusan Masalah

Krisis energi yang terjadi saat ini, menuntut adanya inovasi dalam mencari

sumber energi terbarukan. Salah satu sumber energi terbarukan yaitu biogas.

Kendala dalam mengaplikasikan biogas sebagai bahan bakar non fosil adalah

tingginya kandungan gas H2S dalam biogas yang dapat mencemari lingkungan

sehingga diperlukan proses pemurnian. Banyak penelitian yang dilakukan untuk

penyerapan H2S secara kimia salah satunya dengan menggunakan metode

absorpsi. Metode absorpsi dinilai efektif untuk laju alir gas yang rendah dimana

biogas dioperasikan pada kondisi normal (W. Hadi, 2010). Absorben yang biasa

digunakan adalah NaOH, CuSO4, dan Hidrogen bertekanan namun, residu dengan

kandungan sulfur tidak bisa dimanfaatkan kembali sehingga dapat mencemari

lingkungan. Dimungkinkan untuk menyerap H2S dengan absorben garam-garam

ferri yang diharapkan dapat mengatasi permasalahan tersebut sehingga diperlukan

penelitian lebih lanjut.

4

I. 3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian pemurnian biogas dari kandungan Hidrogen Sulfida (H2S)

dengan Teori Absorpsi Kimia ini adalah sebagai berikut :

1. Mempelajari pengaruh laju alir penyerap terhadap yield H2S.

2. Mempelajari pengaruh jenis penyerap Fe-EDTA dan FeCl3 terhadap yield

H2S.

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Biogas

Biogas merupakan gas yang dihasilkan secara fermentasi anaerob dari bahan

organik dengan bantuan bakteri. Bahan yang dapat digunakan sebagai bahan baku

pembuatan biogas yaitu bahan biodegradable seperti biomassa (bahan organik

bukan fosil), kotoran, sampah padat hasil aktivitas perkotaan dan lain-lain. Tetapi,

biogas biasanya dibuat dari kotoran ternak seperti kerbau, sapi, kambing, kuda

dan lain – lain. Tabel 2.1. berikut menunjukkan produksi biogas dan potensi

energi yang dihasilkan dari berbagai sumber.

Tabel 2.1. Produksi biogas dan potensi energi yang dapat dihasilkan

Bahan Biogas yield

(m3/ton bahan)

Jumlah energi

(MJ/m3 biogas)

Kotoran sapi 25 23-25

Kotoran ayam 90-150 23-27

Limbah makanan 46 21-25

Sumber : Ken Dann, 2000

Kandungan yang terdapat biogas adalah gas metana (CH4),gas karbon dioksida

(CO2), gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2), gas karbon monoksida (CO) dan gas

hidrogen sulfida (H2S). Gas dalam biogas yang dapat berperan sebagai bahan

bakar yaitu gas metana (CH4), gas hidrogen (H2) dan gas CO (Price dan

Cheremisinoff, 1981).

II.1.1. Pembuatan Biogas

Proses pembuatan biogas dilakukan secara fermentasi yaitu proses

terbentuknya gas metana dalam kondisi anaerob dengan bantuan bakteri anaerob

di dalam suatu digester sehingga akan dihasilkan gas metana (CH4) dan gas

lainnya seperti gas karbon dioksida (CO2), gas hidrogen (H2), gas nitrogen (N2)

dan asam sulfida (H2S). Pada proses pembentukan biogas dengan bahan yang

banyak mengandung selulosa seperti kotoran sapi, tahap pertama adalah tahap

6

hidrolisa/pelarutan dimana selulosa diubah menjadi glukosa, tetapi pembuatan

biogas menggunakan vinase yang lebih banyak mengandung glukosa, reaksi

kimia pembentukan biogas terdapat dua tahap, yaitu:

1. Reaksi Asidogenik / Tahap pengasaman

Pada tahap ini, bakteri asam menghasilkan asam asetat dalam suasana

anaerob. Tahap ini berlangsung pada suhu 25o C di digester (Price dan

Cheremisinoff, 1981). Reaksi:

a) n (C6H12O6) 2n (C2H5OH) + 2n CO2 + kalor

glukosa etanol karbondioksida

b) 2n (C2H5OH) + n CO2 2n (CH3COOH) + n CH4

etanol karbondioksida asam asetat metana

2. Reaksi Metanogenik / Tahap gasifikasi

2n (CH3COOH) 2n CH4(g) + 2n CO2

asam asetat gas metana gas karbondioksida

Pada tahap ini, bakteri metana membentuk gas metana secara perlahan secara

anaerob. Proses ini berlangsung selama 14 hari dengan suhu 25o C di dalam

digester. Pada proses ini akan dihasilkan 70% CH4, 30 % CO2, sedikit H2 dan

H2S (Price dan Cheremisinoff, 1981). Berbagai jenis bakteri yang digunakan

untuk menghasilkan gas metana ditunjukkan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Berbagai Macam Bakteri Penghasil Metana dan Substratnya

Bakteri Substrat Produk

Methanobacterium

formicum

CO

H2 + CO2

Formate

CH4

Methanobacterium mobilis H2 + CO2

Formate CH4

Methanobacterium

propionicum

Propionate CO2 + Acetate

7

Bakteri Substrat Produk

Methanobacterium

ruminantium

Formate

H2 + CO2 CH4

Methanobacterium

sohngenii Acetate butyrate CH4 + CO2

Methanobacterium

suboxydans Caproate dan butyrate Propionate dan Acetate

Methanococcus mazei Acetate dan Butyrate CH4 + CO2

Methanobacterium vannielii H2 + CO2

Formate CH4

Methanosarcina barkeri

H2 + CO2

Methanol

Acetate

CH4

CH4

CH4 + CO2

Methanobacterium

methanica Acetate Butyrate CH4 + CO2

Sumber : Khandelwal, 1978

II.1.2. Komposisi Biogas

komposisi biogas yang dihasilkan sangat tergantung pada jenis bahan baku

yang digunakan (Wellinger and Lindenberg,2000). Tetapi komposisi biogas yang

utama adalah gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan sedikit

hidrogen sulfida (H2S). Komponen lainnya yang ditemukan dalam kisaran

konsentrasi kecil (trace element). Komposisi utama yang terdapat dalam biogas

ditunjukkan pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Komponen Utama Biogas

No. Komponen Satuan Komposisi

(1) (2)

1 Methan (CH4) %vol 50-75 54-70

2 Karbon Dioksida (CO2) %vol 24-40 27-45

3 Nitrogen (N2) %vol <2 0-1

8

No. Komponen Satuan Komposisi

(1) (2)

4 Hidrogen (H2) %vol <1 0-1

5 Karbon Monoksida

(CO) %vol 0,1

6 Oksigen (O2) Ppm <2 0,1

7 Hidrogen Sulfida (H2S) Ppm <2 sedikit

Sumber : (1) Hambali, 2007. (2) Widarto, 1997

Biogas yang mempunyai kandungan methana murni memiliki nilai kalor

minimal sekitar 912 Btu/ft3. Sedangkan biogas yang mengandung 65 % methan

memiliki nilai kalor 600 Btu/ft3. Untuk kesetaraan kandungan panas dari berbagai

bahan bakar dapat dilihat dalam Tabel 2.4. berikut.

Tabel 2.4. Kesetaraan biogas

1000 ft3 biogas

600 ft3 gas alam

6.6 gal propana

5,9 gal butana

4,7 gal of gasoline

4,3 gal of fuel oil

44 lb of bitominous coal

100 lb of medium dry wood

Sumber : James L. Walsh Jr., 1988

II.2. Gas Hidrogen Sulfida (H2S)

Gas H2S adalah rumus kimia dari gas Hidrogen Sulfida yang terbentuk

dari 2 unsur Hidrogen dan 1 unsur Sulfur. Satuan ukur gas H2S adalah ppm (part

per milion). Gas H2S disebut juga gas telur busuk, gas asam, asam belerang atau

uap bau. Gas H2S terbentuk akibat adanya penguraian zat-zat organik oleh

bakteri. Oleh karena itu gas ini dapat ditemukan di dalam operasi pengeboran

minyak / gas dan panas bumi, lokasi pembuangan limbah industri, peternakan

atau pada lokasi pembuangan sampah.

9

II. 2.1. Sifat Fisik dan Kimia Gas H2S (HSDB,1999)

Gas H2S merupakan gas yang tidak berwarna yang mempunyai berat

molekul 34,08, berat jenis 1,4 g/L saat suhu 25oC (AHIA, 1991), mempunyai

vapour pressure 1740 kpa saat suhu 20oC, mempunyai kelarutan dalam air 4

g/L saat suhu 20oC.

II. 2.2. Karakteristik gas H2S

Gas H2S karakteristik yaitu tidak berwarna tetapi mempunyai bau khas

seperti telur busuk pada konsentrasi rendah sehingga sering disebut sebagai gas

telur busuk, merupakan jenis gas beracun dapat terbakar dan meledak pada

konsentrasi LEL (Lower Explosive Limit ) 4.3% ( 43000 ppm ) sampai UEL (

Upper Explosive Limite ) 46% ( 460000 ppm ) dengan nyala api berwarna

biru pada temperature 500 0F (260

0C), berat jenis gas H2S lebih berat dari udara

sehingga gas H2S akan cenderung terkumpul di tempat / daerah yang

rendah(Berat jenis gas H2S sekitar 20 % lebih berat dari udara dengan

perbandingan berat jenis H2S : 1.2 atm dan berat jenis udara : 1 atm), H2S dapat

larut (bercampur) dengan air ( daya larut dalam air 437 ml/100 ml air pada 0 0

C; 186 ml/100 ml air pada 40 0C ), dan H2S bersifat korosif sehingga dapat

mengakibatkan karat pada peralatan logam.

II. 2. 3. Efek fisik gas H2S terhadap manusia

Efek fisik gas H2S terhadap manusia tergantung dari beberapa faktor,

diantaranya adalah lamanya seseorang berada di lingkungan paparan H2,

frekuensi seseorang terpapar, besarnya konsentrasi H2S, daya tahan seseorang

terhadap paparan H2S.

Tabel 2.5. Tingkat konsentrasi H2S dan efek fisik gas H2S

Tingkat H2S (ppm) Efek pada manusia

0,13 Bau minimal yang masih terasa

10

4,6 Mudah dideteksi, bau yang sedang

Tingkat H2S (ppm) Efek pada manusia

10 Permulaan iritasi mata dan mulai berair

27 Bau yang tidak enak dan tidak dapat ditoleransi lagi

100 Batuk-batuk , iritasi mata dan indera penciuman sudah tidak berfungsi

200-300 Pembengkakan mata dan rasa kekeringan di tenggorokan

500-700 Kehilangan kesadaran dan bisa mematikan dalam waktu 30 - 1 jam

Lebih dari 700 Kehilangan kesadaran dengan cepat dan berlanjut kematian

Sumber: Hazardous Substance Data Bank, 1999

Menurut ACGIH (American Conference Of Govermental Industrial

Hygienists, 1970) nilai ambang batas (TLV-TWA / Threshold Limit Value-

Time Weighted Average) H2S adalah 10 ppm, yang didefinisikan sebagai

konsentrasi rata-rata yang diperkenankan untuk pemaparan selama 8 jam sehari

atau 40 jam seminggu. Pekerja dapat terpapar secara berulang tanpa

menimbulkan gangguan kesehatan pada konsentrasi 10 ppm (Occupational

Exposure Limit for Chemical Substances). Nilai ambang batas yang

direkomendasikan untuk pekerja tidak boleh terpapar H2S dalam jangka waktu

maksimal 15 menit adalah 20 ppm atau yang disebut dengan TLV – STEL

(Treshold Limit Value – Short Term Exposure Limit ).

Efek fisik gas H2S pada tingkat rendah dapat menyebabkan terjadinya

gejala- gejala sakit kepala atau pusing, badan terasa lesu, hilangnya nafsu

makan, rasa kering pada hidung, tenggorokan dan dada, batuk – batuk, dan

kulit terasa perih.

Pada penelitian ini H2S akan dirubah menjadi S dengan serangkain reaksi

kimia dibawah ini (M.S. Horikawa dkk,2004). H2S terserap kedalam air

mengalami dissosiasi seperti yang terlihat dalam reaksi (1),(2), dan (3)

(O’Brien, 1991).

H2S(g) + H2O ↔ H2S(l) (1)

H2S(l) ↔ H+ + HS

- (2)

HS- ↔ H

+ + S

2- (3)

11

Pembentukan S terjadi karena oksidasi sulfida dengan chelated iron

sesuai dengan reaksi yang ditunjukkan pada reaksi (4).

S2-

+ 2Fe3+

↔ S0 + 2Fe

2+ (4)

Regenerasi larutan katalis dapat dilakukan dengan oxygenation sesuai

dengan reaksi (5) dan konversi pseudo-catalyst menjadi bentuk aktif Fe3+

pada

reaksi (6).

1/2O2(g) + H2O

1/2O2(l) (5)

1/2O2(l) + 2Fe

2+ 2Fe

3+ +2OH (6)

Reaksi keseluruhan dapat ditunjukkan pada persamaan reaksi (7) (O’Brien,

1991).

H2S + 1/2O2(g) S

0 +H2O (7)

II. 3 Absorbsi

Absorbsi adalah kontak antara gas dengan cairan dan transfer massa terjadi

dari gas ke cairan. Pada umumnya, campuran gas yang masuk ke dalam kolom

absorbsi terdiri atas komponen yang dapat diserap dan gas inert (sukar

bereaksi), sedangkan cairan yang digunakan bersifat tidak melarut dalam fasa

gas. Perpindahan massa solut dari gas menuju cairan terjadi dalam tiga langkah

perpindahan yaitu transfer massa dari badan utama gas ke suatu fase

antarmuka, transfer massa melalui bidang antarmuka ke fase kedua dan transfer

massa dari antarmuka ke badan utama cairan. Dari gambar 1 dapat dilihat

bahwa pada kondisi awal, konsentrasi A dalam badan utama gas adalah yA

fraksi mol. Ketika mulai terjadi kontak dengan cairan, konsentrasi A di daerah

interface menurun hingga yAi dan pada cairan (liquid) terjadi penurunan

konsentrasi A, dari xAi pada interface menjadi xA dalam badan utama cairan.

Syarat terjadinya perpindahan massa, konsentrasi awal yA dan xA tidak berada

dalam keadaan setimbang. Teori Lapisan Dua Film Perpindahan massa terlarut

A dari gas ke cairan akan terjadi bila terdapat cukup kekuatan gerak (driving

force) dari satu fasa ke fasa yang lain yang dikenal dengan nama koefisien

perpindahan massa (mass transfer coefficient). Laju perpindahan massa ini juga

bergantung pada luas permukaan kontak antar fasa.

12

Gambar 2.1. Teori lapisan dua film

Pada absorbsi sendiri ada dua macam proses, yaitu absorbsi fisik dan absorbsi

kimia.

II.3.1 Absorbsi Fisik

Absorbsi fisik merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam cairan

penyerap tidak disertai dengan reaksi kimia. Penyerapan terjadi karena adanya

interaksi fisik. Sedangkan absoebsi kimia merupakan absorbsi dimana gas

terlarut dalam larutan penyerap disertai dengan adanya reaksi kimia.

Menurut Octave Levenspiel, 1972 proses absorbsi dipengaruhi beberapa

hal yaitu laju perpindahan massa (kgl/kga) karena material berada didalam fase

yang berbeda maka material tersebut harus dikontakkan sebelum reaksi dapat

berjalan, laju perpindahan massa kedua material sangat menentukan laju reaksi.

Selanjutnya hal yang berpengaruh adalah kelarutan karena kelarutan akan

membatasi perpindahan komponen reaktan dari fase satu ke fase lain. Faktor

ini juga akan mempengaruhi kecepatan reaksi karena itu akan juga menentukan

dimana reaksi itu akan berjalan disatu fase atau kedua fase. Contacting scheme

13

juga berpengaruh dalam proses absorbsi, seperti dalam sistem semibatch gas-

cair skema countercurrent lebih baik.

II. 3.2 Absorbsi dengan Reaksi Kimia

Beberapa absorbsi adalah absorbsi fisik, tetapi sebagian besar absorbsi

fisik tersebut disertai absorbsi kimia setelah absorbsi fisik. Menurut Wubs and

Beenackers (1994) dan Demmink and Beenackers (1998), langkah-langkah

yang terlibat dalam proses pemisahan H2S dalam aliran gas dapat ditunjukkan

dengan serangkaian reaksi kimia yang digambarkan dalam persamaan reaksi

stoikiometri dibawah ini.

Persamaan reaksi (1) menggambarkan perpindahan fase H2S dari fase gas

ke fase cair. Dengan adanya H2S dalam fase cair, terbentuk sulphur dalam

bentuk tidak terlarut atau padatan S(S) sebagai hasil dari reaksi antara H2S

dengan Fe3+

/EDTA dalam fase cair seperti yang terlihat dalam persamaan

reaksi (2).

H2S(g) H2S(aq) (1)

H2S(aq) + 2Fe3+

EDTA S(s) + 2H+ + 2Fe

2+EDTA (2)

Fe2+

EDTA adalah pseudo-catalyst yang dapat diregenerasi menjadi ferri

Fe3+

EDTA. Ini mendapatkan dengan cara mengoksidasi larutan tersebut

persamaan reaksi (3) dan reaksi dipersamaan (4) menunjukkan regenerasi

larutan katalis FeEDTA.

O2 (g) O2 (aq) (3)

O2 (aq) + 4Fe2+

EDTA + 2H2O 4Fe3+

EDTA + 4OH- (4)

Reaksi antara H2S dengan katalis Fe3+

EDTA yang terlarut dalam fase cair

sangat cepat dan irreversibel. Proses tersebut dapat ditunjukkan dalam gambar

2. Dapat diperhatikan bahwa H2S berdifusi kedalam badan cairan. Jarak

dimana zat terlarut harus menyebar kedalam cairan tergantung pada

ketersediaan pseudo-catalyst.

14

Gambar 2.2. Penyerapan H2S dengan reaksi kimia dengan katalis Fe3+

EDTA

(Caldas and Lacerda, 1988)

15

BAB III

METODA PENELITIAN

III.1 Bahan penelitian

Bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah biogas yang

dibuat dari limbah cair alkohol yang diperoleh di Desa Bekonang, Sukoharjo

dengan bakteri rumen sapi sebagai biokatalis dalam Bioreaktor Anaerobik.

Absorben yang digunakan adalah Fe3+/

EDTA yang diperoleh dari toko Agrifam,

Bogor dan FeCl3 yang diperoleh dari toko Indrasari, Semarang.

III.2 Alat yang dipakai

Alat utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah absorber berupa

kolom akrilik dengan ketinggian 40 cm dan diameter 5 cm dan regenerator berupa

kolom akrilik dengan ketinggian 40 cm dan diameter 5 cm. Biogas baik umpan

maupun yang keluar absorber ditampung dalam tangki penampung dengan

kapasitas 400 liter. Juga disertai alat alat pendukung seperti pompa, selang dan

separator.

Gambar 3.1 Alat Pemurnian Biogas

2

1

3

4

5 6

7

8 9

biogas

udara

biogas

16

Keterangan gambar:

1. Rangka penyangga

2. Kolom absorber

3. Decanter

4. Valve pengatur keluaran sulfur

5. Penampung sulfur

6. Kolom regenerator

7. Penampung katalis

8. Pompa katalis

9. Valve pengatur laju alir katalis

III.3 Rancangan Penelitian

III.3.1 Variabel Operasi

Rancangan percobaan yang digunakan adalah Faktorial 2 level dimana

susunan lengkap run/ percobaan yang terdiri dari 2 level dengan jumlah variabel

berapapun. Variabel yang digunakan adalah sebagai berikut :

a. Variabel Pengendali

Volume absorber : 440 ml

Laju alir biogas : 265 ml/s

Konsentrasi absorben : 0.4 mol/l

Tekanan biogas (atm) : 2 atm

b. Variabel Bebas (independent variable)

Jenis Absorben : Fe3+

EDTA(-) ; FeCl3(+)

Laju alir absorben : 1 ml/s (-) ;10 ml/s(+)

c. Variabel Terikat : Berat H2S yang terserap

Rancangan percobaan yang digunakan adalah sebagai berikut:

17

Tabel 3.1 Rancangan factorial design 2 level penelitian absorpsi kandungan H2S

dalam biogas

Run ke- Variabel

X1 X2

1 - -

2 + -

3 - +

4 + +

Keterangan:

+ : sebagai batas atas

- : sebagai batas bawah

X1 : pengkodean untuk Jenis Absorben: Fe3+

EDTA(-); FeCl3(+)

X2 : pengkodean untuk persentase katali: 10 ml/s(-); 40 ml/s(+)

Penelitian ini menggunakan metode absorpsi kimia yang akan dilakukan di

Laboratorium Limbah Teknik Kimia Universitas Diponegoro. Secara garis besar

penelitian akan dilakukan sebagaimana tertera pada gambar 3.1 berikut :

III.3.2 Respon

a. Analisa kadar H2S masuk dan keluar kolom absorber.

b. Gas yang keluar ditampung tiap 10 menit selama 1 jam dengan laju alir

biogas konstan 0.265 ml/s.

III.4 Prosedur Penelitian

a. Pembuatan biogas

1. Pembuatan biogas dilakukan dengan menggunakan biodigester

dengan bahan baku limbah cair alkohol dan bakteri rumen sapi

selama 7 hari.

18

2. Biogas yang dihasilkan ditampung didalam tangki

penyimpanan(gas holder).

b. Analisa H2S

1. Analisa kandungan H2S dilakukan dengan menggunakan GC (Gas

Chromatography) dengan kolom Proparak Q.

2. Catat kadar H2S yang didapatkan.

c. Preparasi absorben Fe3+/

EDTA dan FeCl3

1. Absorben berupa Fe3+

/EDTA cair yang dibuat dengan melarutkan

13.63 gram Fe3+

/EDTA solid kedalam 1000 ml air suling didalam

ruangan minim cahaya.

2. Aduk larutan Fe3+

/EDTA solid dan air sampai homogen.

3. Simpan larutan dalam tempat yang terlindung dari cahaya.

4. Untuk absorben FeCl3 berupa larutan yang digunakan dengan

Normalitas 0.4 N.

d. Operasi absorpsi kandungan H2S

1. Mengalirkan umpan biogas ke bawah kolom absorber

2. Mengalirkan absorben dalam kolom absorber dengan mengatur laju

alir sesuai variabel.

3. Biogas yang keluar ditampung kedalam tangki penyimpanan untuk

dianalisa kadar H2S-nya.

4. Larutan absorben yang telah dikontakkan dengan biogas ditampung

untuk kemudian menuju proses selanjutnya.

e. Regenerasi absorben

1. Larutan absorben yang telah digunakan dialirkan ke separator

untuk di pisahkan dari sulfurnya.

2. Larutan absorben dialirkan ke regenerator untuk diregenerasi atau

dioksidasi lalu dialirkan kembali ke dalam kolom absorpsi.

19

III.5 Analisa hasil dan analisa data

a. Analisa hasil

Biogas yang masuk maupun keluar dari absorber dianalisa kandungan

H2S nya dengan menggunakan GC( Gas Chromatography)

b. Analisa data

Hasil percobaan pemurnian biogas dari kandungan H2S dengan

absorpsi kimia masing-masing variabel percobaan didapatkan kadar

masuk dan keluar kolom absorber.

Grafik dibuat berdasarkan hubungan antara % H2S yang terserap

dengan laju alir absorben dan % H2S yang terserap dengan waktu.

Analisis dilakukan secara deskriptif kuantitatif.

III.6 Jadwal Penelitian

No. Kegiatan Bulan

Fe

b

Ma

r

Ap

r

Me

i

Ju

n

Jul

1. Persiapan (studi literatur)

2. Pembuatan proposal

3. Set-up alat absorber dan

regenerator

4. Percobaan di laboratorium

5. Analisis data

6. Penyusunan laporan

7. Seminar proposal

8. Seminar hasil percobaan

9. Seminar tertutup (Pendadaran)

DAFTAR PUSTAKA

AIHA. 1991. American Industrial Hygiene Association. Emergency Response

Planning Guideline for Hydrogen Sulfide. Set 6. Akron, HI: AIHA.

Caldas, J. N., Lacerda, A. I. 1988. Torres Recheadas. JR Editora. Rio de Janeiro.

CRC. 1994. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 75th edition. Lide DR, ed.

Boca Raton, FL: CRC Press Inc.

Demmink, J. F., Beenackers, A. A. C. M. 1998. Gas Desulfurization with Ferric

Chelates of EDTA and HEDTA: New Model for the Oxidative Absorption

of Hydrogen Sulfide. Ind. Eng. Chem. Res., 37, 1444.

Endang Kwartiningsih, Arif Jumari , Eka Pitri W dan Sumarni.2009. Pemodelan

Matematis dan Penyelesaian Numeris pada Absorbsi H2S menggunakan

Larutan Absorben Fe-EDTA dalam Packed Coloumn. Jurusan Teknik

Kimia Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret:Solo.

Fischer ,Mary Elizabeth.2010. Biogas Purification: H2S Removal using

Biofiltration. A thesis

presented to the University of Waterloo : Canada.

Hambali, E, S. Mujdalipah, A. H. Tambunan, A. W. Pattiwiri dan R. Hendroko,

Teknologi Bioenergi, Agro Media Pustaka, 2007, pp. 53.

H. ter Maat, M. Al-Tarazi, J.A. Hogendoorn, J.P.M. Niederer dan G.F.

Versteeg.2006. THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF

THE ABSORPTION RATE OF H2S IN CuSO4 SOLUTIONS: THE

EFFECT OF ENHANCEMENT OF MASS TRANSFER BY A

PRECIPITATION REACTION. Department of Chemical Engineering,

University of Twente : Netherlands.

HSDB. 1999. Hazardous Substances Data Bank. U.S. National Library of

Medicine, Bethesda, MD 20894.

James L. Walsh Jr., 1988. biogas utilization handbook. institue technology of

georgia : Georgia.

J. de Hullu, J.I.W. Maassen, P.A. van Meel, S. Shazad dan J.M.P. Vaessen.2008.

Comparing different biogas upgrading techniques. Interim Report, Eindhoven University of Technology : Sweden.

Ken Dann. 2000. Anaerobic Digestion of farm and food processing residues

GoodPractice Guidelines. Walford College : Shropshire.

Kang M, Gupta S, Khandelwal N, Shankar S, Gulati M, Suri S. 1999. CT-guided

fine-needle aspiration biopsy of spinal lesions. Acta Radiol; 40:474-478.

Ken Dann. 2000. Anaerobic Digestion of farm and food processing residues

GoodPractice Guidelines. Walford College:Shropshire.

Khandelwal, K.C., Mahdi, S.S., 1986. Biogas Technology – A Practical

Technology. Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited:New

Delhi. p. 128.

Khandelwal, K.C., Mahdi, S.S., 1986. Biogas Technology – A Practical

Technology. Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited:New

Delhi. p. 128.

Levenspiel, O., 1972, Chemical Reaction Engineering. John Wiley and Sons:

New York.

L. M. Frare, R. M. Bortoleto, A. N. Mufalo Jr., N.C. Pereira. M. L. Gimenes.

2005. Optimum Liquid/gas Ratio Determination for Removing H2S from

Biogas Using Fe-EDTA solution. 2nd Mercosur Congress on Chemical

Engineering: Rio de Janerio.

L. widarto dan fx sudarto c. 1997. membuat biogas. Kanisiun : Jogjakarta.

M.S horikawa, F.Rossi, M.L. Gimenes, C.M.M Costa and M.G.C da Silva. 2004.

Chemical absorbtion of H2S for biogas purufication . brazilian jurnal

Vol. 21, No. 03, pp. 415 - 422. Engineering Department of Quimica :

Maringa.

N. Tippayawong ,P. Thanompongchart.2010. Biogas quality upgrade by simultane

ous removal of CO2 and H2S in a packed column reactor. Department of

Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Chiang Mai University

: Thailand.

O’Brien, M. 1991. Catalytic Oxidation of sulfides in biogas, Ventilation air and

wastewater streams from anaerobic digesters. Proceedings 1991 food

industry enviromental conference : USA.

Perry, R. H. 1997. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 7th Edition, pp. table

2-1 & 2-2. Mc Graw Hill Companies Inc. : New York.

Price,E.C and Cheremisinoff,P.N. 1981. Biogas Production and Utilization. Ann

Arbor Science Publishers, Inc : United States of America.

Q. Zhao, E. Leonhardt, C. MacConnell, C. Frear and S. Chen.2010. Purification

Technologies for Biogas Generated by Anaerobic Digestion. CSANR

Research Report. Washington State University : United States of

America.

Smith, C. L., P. Khandelwal, K. Keliikuli, E. R. Zuiderweg, and M. A. Saper.

2001. Structure of the type III secretion and substrate-binding domain of

Yersinia YopH phosphatase. Mol. Microbiol. 42:967-979.

Svärd, Tove.2004. Adsorption of Hydrogen Sulfide at low temperature.

Department of Chemical Engineering II, Lund University : Sweden.

.

Wellinger, A. and A. Lindeberg. 2000. Biogas Upgrading and Utilization – IEA

Bioenergy, Task 24, International Energy Association:France, pp.20.

Wubs, H.J. and Beenackers, A.A.C.M. 1993. Kinetics of the Oxidation of Ferrous

Chelates of EDTA and HEDTA into Aqueous Solutions, Ind. Eng. Chem.

Res., vol. 32, pp. 2580 – 2594.

Wubs, H.J. and Beenackers, A.A.C.M. 1994. Kinetics of H2S Absorption into

Aqueous Ferric Solutions of EDTA and HEDTA, AICHE Journal, vol. 40

no. 3, pp. 433 – 444.