karakterisasi tar hasil gasifikasi biomassa cangkang sawit
TRANSCRIPT
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
1/68
TK4092 PENELITIAN TEKNIK KIMIA I Semester II 2014/2015
JudulKARAKTERISASI TAR HASIL PIROLISIS BIOMASSA
Kelompok B2.1415.K.18
Syafik (13012003)
Natasha Kurniawati (13012079)
Pembimbing
Prof. Herri Susanto
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNGMei 2015
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
2/68
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
3/68
B2.1415.K.18 i
LEMBAR PENGESAHAN
TK4092 PENELITIAN TEKNIK KIMIA I
Semester II ! 2014/2015
KARAKTERISASI TAR HASIL PIROLISIS BIOMASSA
Kelompok B2.1415.K.18
Syafik (13012003)
Natasha Kurniawati (13012079)
Bandung, Mei 2015
Disetujui Pembimbing
Prof. Herri Susanto
Catatan Pembimbing
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
4/68
B2.1415.K.18 ii
SURAT PERNYATAAN
TK4092 PENELITIAN TEKNIK KIMIA I
Semester II Tahun 2014/2015
Kami yang bertanda tangan di bawah ini:
Kelompok : B2.1415.K.18
Nama (NIM) : Syafik (13012003)
Nama (NIM) : Natasha Kurniawati (13012079)
dengan ini menyatakan bahwa laporan dengan judul:
KARAKTERISASI TAR HASIL PIROLISIS BIOMASSA
adalah hasil penelitian kami sendiri di mana seluruh pendapat dan materi dari sumber
lain telah dikutip melalui penulisan referensi yang sesuai.
Surat pernyataan ini dibuat dengan sebenar-benarnya dan jika pernyataan dalam lembar
pernyataan ini di kemudian hari diketahui keliru, kami bersedia menerima sangsi sesuai
peraturan yang berlaku.
Bandung, Mei 2015
Tanda tangan
Syafik
Tanda tangan
Natasha Kurniawati
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
5/68
B2.1415.K.18 iii
TK4092 PENELITIAN TEKNIK KIMIA I
Kakterisasi Tar Hasil Pirolisis Biomassa
Kelompok B2.1415.K.18
Syafik (13012003) dan Natasha Kurnaiwati (13012079)
Pembimbing
Prof. Herri Susanto
ABSTRAK
Indonesia adalah negara dilimpahi akan berbagai kekayaan alam, terutama di bidang biomassa. Selain digunakan sebagai kebutuhan primer, biomassa juga dapat
dimanfaatkan sebagai sumber energi alternatif. Biomassa seperti buah kelapa dan kelapa
sawit seringkali digunakan hanya sebagai bahan pangan. Bagian buah yang tidak
digunakan kemudian menumpuk menjadi limbah dalam jumlah besar. Dewasa ini,
biomassa telah banyak dikembangkan sebagai sumber energi terbarukan melalui proses
gasifikasi. Hasil gasifikasi biomassa berupa gas yang dapat menggantikan fungsi bahan
bakar fosil. Akan tetapi, rangkaian proses gasifikasi selalu menghasilkan produk
samping yang tidak diinginkan, yaitu tar. Tar yang dihasilkan tidak selalu memiliki
karakteristik yang sama, namun bergantung pada pada jenis dan kandungan biomassayang hendak digunakan, jenis gasifier , dan juga temperatur reaksi yang digunakan
untuk melakukan gasifikasi. Oleh karena itu, dibutuhkan pengetahuan kandungan tarhasil proses gasifikasi. Hasil karakterisasi tar diharapkan dapat digunakan untuk
menemukan solusi pengurangan kandungan tar di dalam gasifier. Karakteristik tarmencakup komponen penyusun tar, rentang titik didih, viskositas, dan tampilan warna.
Karakterisasi tar dilakukan pada hasil gasifikasi batok kelapa dan cangkang sawit
dengan variasi laju alir udara dan ukuran biomassa. Gasifikasi dilakukan di dalam
reaktor fixed-bed updraft gasifier yang melibatkan kehadiran udara. Analisis tar
dilakukan dengan menggunakan gas kromatografi, kolom kapiler RTX5, dan detektor
FID.
Kata kunci: biomassa, gasifikasi, karakterisasi, pirolisis, tar
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
6/68
B2.1415.K.18 iv
TK4092 CHEMICAL ENGINEERING RESEARCH I
The Characterization of Tar As The Result of Biomass Pyrolysis
Group B2.1415.K.18
Syafik (13012003) and Natasha Kurnaiwati (13012079)
Advisor
Prof. Herri Susanto
ABSTRACT
Indonesia is a country that boasts an abundance of natural prosperity, especially in thefield of biomass. In addition of its utilization in primary needs, biomass is also used as
the source of alternative energy. Coconut and coconut palm are examples of biomass
that are every so often used as comestibles. Nevertheless, the left overs of the crop
usually pile up as waste in bulk. Nowadays, biomass has gone through a development to
become renewable energy via gasification process, in which the produced gas can
replace the use of fossil fuel. However, the series of gasification process always resultsan undesirable product called tar. The produced tar doesn't always hold the same
characteristics by reason of the difference in the biomass content, type of gasifier, andreaction temperature. For that reason, it is pivotal to apprehend the content of tar that is
produced by the gasification process. The characterization of tar is then expected to prompt many ways in reducing the production of tar in a gasifier. The characteristics of
tar include the tar’s component, boiling point, viscosity, and color. The characterization
of tar is done on coconut shell and coconut palm shell by gasification process with
variaties in flow rate and particle size. The gasification process is carried out in a fixed-
bed updraft gasifier with the presence of air. The analysis of tar is performed using gas
cromatography with RTX5 capillary column and FID detector.
Keywords: biomass, characterization, gasification, pyrolysis, tar
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
7/68
B2.1415.K.18 v
KATA PENGANTAR
Laporan penelitian ini dimaksudkan untuk memenuhi salah satu ketentuan kelulusan
Program Studi Sarja Teknik Kimia ITB. Penulis mengucapkan syukur dan terima kasih
kepada Tuhan Yang Maha Esa atas terselesaikannya laporan penelitian ini. Penulis juga
ingin mengucapkan terima kasih kepada
• Prof. Herri Susanto selaku dosen pembimbing yang telah mebagikan segenap
ilmu yang Beliau miliki dan mendampingi kami selama proses penyusunan
laporan ini.
• Kak Dwi Hantoko selaku asisten Prof. Herri Susanto yang senantiasa berbagi
pengalaman dan telah meluangkan waktunya untuk berkonsultasi mengenai masalah
penyusunan laporan ini.
• Seluruh teman-teman Teknik Kimia ITB angkatan 2012 yang telah mendampingi
penulis untuk sama-sama berjuang menyelesaikan laporan tepat waktu, telah berdiskusi
bersama penulis, dan telah memberikan dukungan dan semangat.
Semoga laporan penelitian berjudul “Karakterisasi Biomassa Hasil Pirolisis Tar” ini dapat
bermanfaat di masa depan dan menyelesaikan masalah-masalah mengenai tar yang ada saat ini.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
8/68
B2.1415.K.18 vi
DAFTAR ISI
Halaman
Lembar Pengesahan i
Surat Pernyataan ii
Abstrak iii
Abstract iv
Kata Pengantar v
Daftar Isi vi
Daftar Tabel vii
Daftar Gambar viii
I Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
1.2 Rumusan Masalah
1.3 Tujuan
1.4
Manfaat1.5 Ruang Lingkup
1
1
3
3
34
II Tinjauan Pustaka
2.1
Potensi Biomassa di Indonesia
2.2 Karakteristik Biomassa
2.3 Gasifikasi Biomassa
2.3.1 Proses Gasifikasi
2.3.1.1 Pengeringan
2.3.1.2 Pirolisis
2.3.1.3
Gasifikasi
2.3.1.4 Combustion
2.3.2 Fixed Bed Gasifier
2.3.3
Kompatibilitas Umpan Bahan Bakar
2.3.3.1 Konten Energi Umpan Bahan Bakar
2.3.3.2 Kandungan Air Umpan Bahan Bakar
5
5
7
9
9
10
10
11
11
13
13
15
15
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
9/68
B2.1415.K.18 vii
2.3.3.3 Ukuran Umpan Bahan Bakar
2.3.3.4 Perolehan Abu
2.3.3.5
Profil Temperatur dalam Fixed-Bed Gasifier
2.4 Karakteristik Tar
2.4.1 Kadar Tar Yang Diperbolehkan
2.4.2 Klasifikasi Tar
2.4.3 Reduksi Tar
2.4.3.1 Reduksi Tar In-situ
2.4.3.1.1 Kondisi Operasi
2.4.3.1.2
Rancangan Gasifier 2.4.3.1.3 Penggunaan Katalis
2.4.3.2 Reduksi Tar Pasca Gasifikasi
2.4.3.2.1
Barrier Filters
2.4.3.2.2 Wet Electrostatic Precipitators (ESP)
2.4.3.2.3 Wet Scrubbers
2.4.4
Perolehan Tar
2.5
Analisis Karakterisasi Tar2.5.1 Pengondisian Gas
2.5.2
Filtrasi Partikel
2.5.3 Pengumpul Tar
2.5.3.1 Impinger Bottles
2.5.3.2 Kolom Petersen
2.5.4 Pengukur Volume
2.5.5 Gravimetri
2.5.6
Gas Kromatografi
2.5.7 Solid Phase Adsoprtion (SPA)
2.5.8 Photo Ionization (PID)
2.6
Karakteristik Tar untuk Setiap Jenis Biomassa
2.6.1 Batok Kelapa
2.6.2 Cangkang Sawit
2.7 Faktor yang Mempengaruhi Karakteristik Tar
15
15
16
16
18
18
22
22
22
2323
24
24
24
25
25
26
27
28
29
29
30
30
30
32
33
33
34
34
35
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
10/68
B2.1415.K.18 viii
2.7.1 Jenis Biomassa
2.7.2 Kadar Air
2.7.3 Ukuran Partikel
36
37
37
37
IIII Metodologi Penelitian
3.1 Metodologi
3.2 Percobaan
3.2.1
Bahan
3.2.2 Alat
3.2.3
Prosedur3.2.4 Variasi
3.3 Interpretasi Data
3.4 Jadwal
39
39
39
39
40
4147
47
47
Daftar Pustaka 49
Lampiran A Material Safety Data Sheet dan Job Safety Analysis
Lampiran B Instruksi Kerja (Work Instructions)
Lampiran C Contoh Perhitungan
51
54
55
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
11/68
B2.1415.K.18 ix
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1.1. Jumlah produksi kelapa dan kelapa sawit pada tahun 2014.............................1
Tabel 1.2. Kadar tar yang terkandung di dalam gas hasil gasifikasi pada jenis-jenis
gasifier ……………………………………………………………………….………...2
Tabel 2.1. Data potensi biomassa di Indonesia pada tahun 2013 ....................................6
Tabel 2.2. Data hasil analisis proksimat dan ultimat yang terkandung dalam biomassa .. 7
Tabel 2.3. Tipikal reaksi gasifikasi pada suhu 25o
C ......................................................12
Tabel 2.4. Keuntungan dan kerugian updraft dan downdraft fixed bed gasifier ........... 14
Tabel 2.5. Batas tar pada gas biomassa .......................................................................... 18
Tabel 2.6. Klasifikasi tar .................................................................................................20
Tabel 2.7. Titik didih beberapa senyawa penyusun tar ...................................................21
Tabel 2.8. Analisis proksimat dan ultimat batok kelapa ................................................34
Tabel 2.9. Komposisi penyusun tar hasil pirolisis batok kelapa .....................................35
Tabel 2.10. Analisis ultimat cangkang sawit ..................................................................35
Tabel 2.11. Hasil analisis komposisi tar cangkang sawit menggunakan GC-MS .......... 36
Tabel 3.1. Spesifikasi susunan alat percobaan pirolisis biomassa………………….…..41
Tabel 3.2. Analisis proksimat biomassa pada keadaan air-dried-basis ..........................42
Tabel 3.3. Analisis ultimat biomassa ..............................................................................42
Tabel 3.4. Jadwal rencana pelaksanaan penelitian ......................................................... 48
Tabel C.1. Ultimate & moisture analysis batok kelapa………………………………...55
Tabel C.2. Hasil perhitungan jumlah udara ....................................................................56
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
12/68
B2.1415.K.18 x
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Diagram terner proses gasifikasi ..................................................................8
Gambar 2.2. Proses yang terjadi di dalam gasifikasi biomassa ......................................11
Gambar 2.3. Pembentukan tar pada proses pirolisis di updraft fixed bed gasifier . ........ 17
Gambar 2.4. Pembentukan tar pada proses pirolisis di downdraft fixed bed gasifier .... 17
Gambar 2.5. Hubungan reaktivitas terhadap konversi tar .............................................. 19
Gambar 2.6. Hubungan principle component score terhadap temperatur untuk
pembentukan tar ...................................................................................19
Gambar 2.7. Klasifikasi tar .............................................................................................21
Gambar 2.8. Reduksi tar hasil gasifikasi biomassa secara (a) in situ dan (b) pasca
gasifikasi ................................................................................................ 22
Gambar 2.9. Hubungan temperatur terhadap perolehan tar ............................................26
Gambar 2.10 Hubungan ER terhadap perolehan tar .......................................................26
Gambar 2.11. Rangkaian alat untuk sampling Tar Standard Measurement . ................. 27
Gambar 2.12. Alat untuk melakukan sampling pada gas pada bertekanan atmosferik .. 28
Gambar 2.13. Alat untuk melakukan sampling pada gas pada bertekanan . .................. 28
Gambar 2.14. Module 2: Alat filtrasi partikel .................................................................29
Gambar 2.15. Module 3: Impringer bottles .................................................................... 29
Gambar 2.16. Module 3: Kolom Petersen .......................................................................31
Gambar 2.17. Module 4: Pompa dan alat pengukuran volume.......................................31
Gambar 2.18. Skema alat Gas Kromatografi ..................................................................32
Gambar 2.19. Prinsip kerja detektor FID ........................................................................33
Gambar 2.20. Kromatogram hasil analisis tar batok kelapa menggunakan GC-MS ...... 34
Gambar 3.1. Susunan alat percobaan pirolisis biomassa……………………………….41
Gambar 3.2. Impinger bottles untuk menangkap tar ………………………………….. 46
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
13/68
B2.1415.K.18 1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Indonesia adalah negara yang dianugerahi oleh berbagai kekayaan alam. Mulai dari
Sabang hingga Merauke, Indonesia dilimpahi oleh berbagai bentuk kekayaan alam yang
beraneka ragam, terutama dalam bidang biomassa. Terdapat berbagai macam biomassa
di Indonesia, dimulai dari tanaman pangan, pepohonan, rumput, tanaman hortikultura,
hingga tanaman perkebunan.
Selain digunakan sebagai bahan baku kebutuhan primer,
biomassa juga dapat digunakan sebagai sumber energi berupa bahan bakar. Beberapa
contoh kekayaan alam yang ada di Indonesia adalah produksi biomassa di Indonesia
menurut Badan Pusat Statistik pada tahun 2014 yang dipaparkan pada tabel 1.1 di
bawah ini.
Tabel 1.1. Jumlah produksi kelapa dan kelapa sawit pada tahun 2014 (Badan Pusat
Statistik).
No. Jenis Biomassa Produksi (ribu ton/tahun)
1. Kelapa 3.187,7
2. Kelapa sawit 9.505,0
3. Inti sawit 1.901,0
Biomassa-biomassa seperti kelapa sawit dan buah kelapa seringkali hanya digunakan
sebagai bahan pangan, sehingga bagian yang tidak dapat dimanfaatkan sebagai bahan
pangan dibuang begitu saja dan menumpuk menjadi limbah dalam jumlah besar.
Dengan kekayaan biomassa yang dimiliki Indonesia ini, dapat diperoleh berbagai
keuntungan, di antaranya adalah dalam bidang energi. Dewasa ini telah dikembangkan
berbagai macam sumber energi terbarukan (renewable energy) yang berasal dari
biomassa. Terdapat berbagai keuntungan dengan memanfaatkan biomassa sebagai
sumber energi, di antaranya adalah meningkatkan efisiensi energi dari limbah biomassa
yang memiliki kandungan energi yang cukup besar dan mengurangi pembuangan dan
penimbunan limbah biomassa.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
14/68
B2.1415.K.18 2
Biomassa dapat diolah sebagai sumber energi melalui proses gasifikasi. Biomassa yang
digasifikasi dapat menghasilkan campuran dari dua macam gas, yaitu gas sintesis
( synthesis gas) dan gas bahan bakar. Gas yang diperoleh dari proses gasifikasi tersebut
dapat dimanfaatkan sebagai energi alternatif pengganti bahan bakar fosil.
Meskipun demikian, proses gasifikasi tersebut selalu menghasilkan produk samping
yang tidak diinginkan, yaitu tar. Tar merupakan campuran dari hidrokarbon dan karbon
bebas yang bersifat merugikan karena dapat terkondensasi di dalam gasifier sehingga
menghambat kinerja gasifier tersebut. Tar yang dihasilkan memiliki sifat dankarakteristik yang berbeda-beda, bergantung pada jenis dan kandungan biomassa yang
hendak digunakan, jenis gasifier , dan juga temperatur reaksi yang digunakan untuk
melakukan gasifikasi.
Tabel 1.2. Kadar tar yang terkandung di dalam gas hasil gasifikasi pada jenis-jenis
gasifier (Basu, 2010).
No. Tipe Gasifier Konsentrasi Tar dalam Gas
(gram/Nm3)1. Updraft 50
2. Downdraft < 1,0
3. Fluidized bed 10
4. Entrained bed Dapat diabaikan
Pada tabel 1.2 di atas diperlihatkan konsenstrasi tar yang terdapat dalam gas hasil
gasifikasi pada beberapa tipe gasifier yang berbeda. Oleh karena itu, untuk mengonversi
tar tersebut menjadi zat lain yang tidak merugikan, diperlukan pengetahuan mengenai
tar dengan karakteristik tertentu dari hasil pirolisis biomassa. Untuk mengurangi dan
menghilangkan kandungan tar dari suatu hasil gasifikasi, dapat dapat dilakukan
berbagai macam cara, di antaranya adalah dengan cara menyembur tar dengan air dan
minyak, konversi termal, serta catalytic tar cracking . Di antara ketiga hal tersebut,
metode pengurangan tar dengan catalytic cracking merupakan metode yang paling
menarik.
Catalytic tar craking adalah metode penghilangan tar dengan cara melewatkan gas-gas
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
15/68
B2.1415.K.18 3
yang masih mengandung pengotor hasil gasifikasi melalui katalis. Proses tersebut
berlangsung secara endotermik sehingg dibutuhkan keberadaan udara di dalam reaktor
untuk melakukan pembakaran. Namun, untuk menghilangkan tar dengan metode
catalytic cracking diperlukan sebuah katalis khusus. Oleh karena itu harus diciptakan
sebuah katalis yang mampu digunakan sebagai tar catalytic cracking .
1.2. Rumusan Masalah
Hasil gasifikasi biomassa selalu menghasilkan produk samping berupa tar yang tidak
diinginkan. Oleh karena itu, dapat dirumuskan beberapa masalah sebagai berikut ini.1. Karakteristik yang terdapat di dalam tar dan yang ingin diteliti.
2. Pengaruh jenis biomassa terhadap karakteristik tar.
3. Pengaruh kandungan air biomassa terhadap karakteristik tar.
4. Pengaruh temperatur pirolisis terhadap karakteristik tar.
5.
Pengaruh ukuran partikel biomassa yang digunakan terhadap karakteristik tar.
6. Pengaruh karakteristik tar yang diperoleh terhadap pemilihan jenis katalis untuk
percobaan catalytic tar cracking .
1.3. Tujuan
Karakterisasi tar hasil pirolisis biomassa dalam updraft fixed-bed gasifier .
1.4. Manfaat
Hasil yang diperoleh dari percobaan ini dapat digunakan untuk membantu penelitian
Catalytic Tar Cracking yang meliputi:
1.
Untuk penentuan senyawa model
2. Untuk simulasi termodinamika “ steam reforming of tar ”
3. Untuk simulasi teknik reaksi kimia dalam melakukan perancangan reaktor
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
16/68
B2.1415.K.18 4
1.5. Ruang Lingkup
Percobaan dilakukan dengan menggunakan updraft fixed-bed gasifier dengan variasi jenis
biomassa, laju alir udara umpan, variasi kandungan air, serta ukuran partikel biomassa. Variasi
tersebut dipilih karena menghasilkan tar dengan karakteristik yang berbeda-beda. Karakteristik
tar yang akan diteliti meliputi komposisi komponen penyusun tar serta sifat kelarutan tar
tersebut dalam larutan isopropanol. Karakterisasi tar dapat dilakukan dengan metode
pengukuran.
Untuk komponen penyusun tar dapat dilakukan di Laboratorium Instrumentasi Analisis Teknik
Kimia menggunakan Gas Kromatografi (GC). Tar memiliki komponen penyusun yang beraneka
ragam. Karena keterbatasan reagen yang dimiliki untuk dijadikan larutan standar analisis
dengan gas kromatografi, larutan yang digunakan dibatasi hanya mengandung enam senyawa
penyusun. Senyawa-senyawa tersebut dipilih berdasarkan data literatur karakterisasi tar
biomassa yang sudah diperoleh. Dari literatur tersebut dapat diketahui urutan suatu komponen
membentuk “ peak ”. Dengan demikian, tar yang diinjeksikan dapat dianalisis komposisinya,
namun hanya untuk enam senyawa penyusun sesuai standar yang telah ditentukan.
Untuk sifat kelarutan tar dalam larutan isopropanol dapat dilakukan dengan
menggunakan impinger bottles. Kelarutan tar diukur dengan cara melarutkan tar (yang
masih berupa uap) di dalam larutan isopropanol. Dengan menguapkan isopropanol,
maka akan tersisa tar dalam fasa cair. Massa tar tersebut ditimbang dan kelarutan
dihitung dengan membagi massa tar yang diperoleh dengan jumlah volume aliran yang
melalui impinger bottles.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
17/68
B2.1415.K.18 5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Tinjauan pustaka untuk Pirolisis Biomassa dan Karakteristik Tar dibagi menjadi empat
bagian utama, yaitu potensi biomassa di Indonesia, gasifikasi biomassa dan profil
temperatur di dalam fixed-bed gasifier , karakteristik tar, dan analisis yang dilakukan
untuk melakukan karakterisasi tar
2.1. Potensi Biomassa di Indonesia
Indonesia merupakan negara yang kaya akan berbagai sumber daya alam, terutama
biomassa. Biomassa merupakan bahan organik yang dihasilkan melalui proses
fotosintesis, baik berupa produk maupun buangan. Biomassa pada umumnya merujuk
pada tumbuhan-tumbuhan yang limbahnya dapat dimanfaatkan kembali sebagai bahan
bakar untuk sumber energi terbarukan (renewable energy). Namun, biomassa tidak
mencakup zat-zat organik yang telah tertransformasi oleh proses geologis menjadi
produk seperti batubara ataupun minyak bumi. Indonesia memiliki potensi biomassa
dari berbagai sumber yang dikategorikan sebagai limbah pertanian. Adapun biomassa di
Indonesia yang berpotensi sebagai sumber bahan bakar antara lain adalah limbah padi,
kelapa, limbah minyak kelapa sawit, pohon karet, limbah pabrik gula, dan kayu lapis,
dan sebagainya. Produksi biomassa di Indonesia diperkirakan mencapai sekitar
146.700.000 ton/tahun atau 470 Giga Joule/tahun (Nur, 2005).
Dari tabel 2.1, dapat dilihat bahwa produksi padi dan jagung di Indonesia sangat tinggisehingga juga menghasilkan limbah yang banyak. Sehingga limbah sisa padi dan jagung
yang tidak digunakan sebagai bahan pangan juga sangat melimpah. Limbah padi yang
dapat digunakan sebagai biomassa sumber energi antara lain adalah sekam padi, kulit
padi, dan batang padi, serta jerami. Sedangkan untuk jagung, yang dapat dimanfaatkan
sebagai sumber energi adalah tongkol jagung. Untuk kelapa adalah batok kelapa.
Sedangkan untuk kelapa sawit, yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi adalah
batok dan sabut kelapa sawit.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
18/68
B2.1415.K.18 6
Tabel 2.1. Data potensi biomassa di Indonesia pada tahun 2013 (Badan Pusat Statistik).
Dari tabel di atas, dapat dilihat bahwa produksi padi dan jagung di Indonesia sangat
tinggi sehingga juga menghasilkan limbah yang banyak. Sehingga limbah sisa padi dan
jagung yang tidak digunakan sebagai bahan pangan juga sangat melimpah. Limbah padi
yang dapat digunakan sebagai biomassa sumber energi antara lain adalah sekam padi,
kulit padi, dan batang padi, serta jerami. Sedangkan untuk jagung, yang dapat
dimanfaatkan sebagai sumber energi adalah tongkol jagung. Untuk kelapa adalah batok
kelapa. Sedangkan untuk kelapa sawit, yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi
adalah batok dan sabut kelapa sawit.
No.Jenis Biomassa
Produksi (ribu
ton/tahun)
1. Padi 70.831,753
2. Jagung 19.032,677
3. Karet 2.885,3
4. Kelapa 3.187,7
5. Minyak kelapa sawit 9.505,0
6. Inti sawit 1.901,0
7. Kopi 669,18. Kakao 723,0
9. Teh 51,9
10. Kapuk 64,8
11. Jambu mete 117,4
12. Pala 25,8
13. Kayu manis 89,5
14. Kemiri 97,9
15. Pinang 42,1
16. Lada 88,7
17. Vanili 3,218. Cengkeh 98,7
19. Tebu 1.369,4
20. Tembakau 257,4
21. Sereh wangi 2,6
22. Jarak kepyar 1,6
23. Nilam 2,7
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
19/68
B2.1415.K.18 7
Jika ditinjau dari ketersediaan lahan, Indonesia memiliki potensi untuk ditanami dengan
tumbuhan-tumbuhan yang berpotensi sebagai sumber energi seperti yang telah
disebutkan di atas. Indonesia memiliki 148 juta lahan kering dan 40,2 juta lahan basah
(Nur, 2014). Angka tersebut merupakan angka yang besar sehingga Indonesia
diharapkan mampu untuk menyediakan lahan untuk ketersediaan pangan dan bahan
baku energi sehingga Indonesia tidak perlu lagi khawatir untuk mengalokasikan lahan
yang ada untuk ditanami tanaman baku sumber energi terbarukan.
2.2. Karakteristik Biomassa
Setiap jenis biomassa memiliki sifat dan kandungan yang berbeda-beda. Untuk
mengidentifikasi kandungan biomassa dapat dilakukan analisis proksimat ( proximate
analysis) dan analisis ultimat (ultimate analysis). Analisis proksimat merupakan analisis
dasar yang dilakukan terhadap biomassa. Analisis ini meliputi kandungan dalam
biomassa berupa kadar kelembapan (moisture content ), bahan yang dapat menguap
(volatile matter / VM ), abu (ash), dan sisa karbon dalam biomassa ( fixed carbon / FC ).
Sedangkan analisis ultimat menganalisis mengenai kandungan karbon, oksigen, sulfur,
nitrogen, serta hidrogen dalam suatu biomassa. Data analisis proksimat dan ultimat
dapat dilihat pada tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2. Data hasil analisis proksimat dan ultimat yang terkandung dalam biomassa
(takuma.co.jp).
Sekam
Padi
Tongkol
Jagung
Cangkang
sawit
Bagas Batok
kelapa
Analisis Proksimat
VM % 60,3 64,2 72,47 78,8 30,62
FC % 17 16,67 8,97 19,54 42,98
Ash % 22,7 19 18,56 1,66 26,41
Analisis Ultimat
C % 36,1 39,6 51,63 44,6 45,24
H % 4,8 5,17 5,52 6,2 5.04
N % 0,29 1,78 1,89 0,2 1,46
S % 0,02 0,38 0,05 0,05 0,06
O % 35,9 34,06 40,91 46,84 48,2
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
20/68
B2.1415.K.18 8
Untuk kandungan kelembapan dalam suatu biomassa bergantung pada basis tertentu
seperti as received, dry basis, dry-ash free, dan dry-mineral matter free, moist-ash free,
serta moist-mineral matter free. As received berarti biomassa diukur bersama dengan
kandungan kelembapan yang terkandung. Dry basis berarti data analisis biomassa
setelah kadar kelembapan telah dihilangkan dari biomassa tersebut. Dry, ash free
merupakan data analisis biomassa setelah kelembapan dan abu dihilangkan. Sedangkan
dry, mineral-matter free berarti biomassa telah bebas dari kelembapan dan kandungan
mineral, sehingga data hanya berupa gambaran dari material organik suatu biomassa.
Moist, ash-free berarti biomassa telah bebas dari abu namun masih mengandungkelembapan. Sementara itu, moist, mineral-matter-free berarti biomassa diasumsikan
telah bebas dari kandungan-kandungan mineral namun masih mengandung kadar air
(Miller, 2005).
Gambar 2.1. Diagram terner proses gasifikasi (Basu, 2010).
H
CH4
CO2
C2H4
PO
S
HF
CharSolid
fuel
CCO
H hydrogen S steam O oxygen
P slow pyrolysis F fast pyrolysis
O
Gaseous
fuel
Biomass
Combustionproducts
H2O
C o a l
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
21/68
B2.1415.K.18 9
Adapun biomassa memiliki sifat mengikuti diagram terner yang tercantum pada gambar
2.1 di atas. Di dalam gasifier terjadi beberapa macam proses, di antaranya adalah proses
pirolisis. Menurut diagram terner tersebut, dengan dilakukannya proses pirolisis lambat,
biomassa akan semakin banyak memproduksi arang, sedangkan jika pirolisis dilakukan
secara cepat, akan semakin banyak terbentuk gas-gas seperti metana dan etana. Jika
dilakukan pembakaran biomassa (dilibatkan oksigen), biomassa akan terkonversi
menjadi gas-gas hasil pembakaran seperti karbon dioksida, karbon monoksida, dan
oksigen. Sifat-sifat lain biomassa dapat dilihat pada diagram terner dalam gambar 2.1 di
atas.
2.3. Gasifikasi Biomassa
Gasifikasi adalah proses pengonversian umpan bahan bakar yang berbentuk padat atau
cair menjadi bahan bakar gas atau senyawa kimia yang dapat dibakar untuk melepaskan
energi (Basu, 2010). Terdapat berbagai macam bahan bakar yang dapat digunakan
untuk proses gasifikasi seperti batubara, kayu, limbah kayu, gambut, dan berbagai
macam limbah agrikultural lainnya. Karena bahan bakar yang tersedia sangat beraneka
ragam dari segi kimia maupun fisikanya. Oleh karena itu, permintaan pasar terhadap
metode gasifikasi, reaktor, dan teknologi yang digunakan juga sangat beraneka ragam.
Secara umum terdapat empat konfigurasi tipe gasifier yang tersedia secara komersial,
yaitu fixed bed gasifier, fluid bed gasifier, entrained flow gasifier, dan proses gasifier
yang melibatkan molten salt dan molten metal. Agar gasifier dapat beroperasi dengan
baik terdapat beberapa sifat bahan bakar yang penting untuk diperhatikan seperti konten
energi bahan bakar umpan, ukuran bahan bakar umpan, kerapatan bahan bakar umpan,
kandungan air bahan bakar umpan, volatile matter yang dihasilkan, kandungan mineral,
komposisi abu, dan kereaktifan abu. Pada penelitian ini, jenis gasifier yang digunakan
adalah fixed bed gasifier.
2.3.1 Proses Gasifikasi
Secara umum, gasifikasi terdiri dari tahap sebagai berikut:
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
22/68
B2.1415.K.18 10
• Pengeringan
• Dekomposisi termal atau pirolisis
•
Pembakaran (combustion)
• Gasifikasi produk yang terdekomposisi
Langkah ini tertera lebih jelas pada gambar 2.2. Walaupun proses gasifikasi terjadi
secara bertahap, pada kenyataannya setiap tahap sering mendahului tahap lain atau
terjadi secara bersamaan. Dari keempat tahap diatas, tahap pengeringan, pirolisis, dan
gasifikasi merupakan proses endotermik yang membutuhkan energi. Energi yang
dibutuhkan tahap diatas biasanya disuplai dari energi yang dilepaskan pada tahap
pembakaran. Berbagai reaksi yang terjadi pada gasifier tertera pada tabel 2.3.
2.3.1.1. Pengeringan
Kandungan air yang terdapat pada biomassa sangatlah beragam. Pada biomassa tertentu
kandungan airnya dapat melebihi 90% dari berat biomassa itu sendiri. Setiap kilogram
dari kandungan air yang terdapat pada biomassa mengonsumsi paling tidak 2260 kJ
energi dari gasifier untuk menguapkan airnya (Basu, 2010). Kandungan air yang besar
dapat menurunkan efisiensi proses gasifikasi karena energi yang telah digunakan untuk
menguapkan air tidak dapat digunakan kembali. Oleh karena itu, biasanya dilakukan
predrying untuk menurunkan kandungan air sebelum biomassa dimasukkan kedalam
gasifier.
2.3.1.2. Pirolisis
Pirolisis merupakan proses dekomposisi termal tanpa adanya udara. Dalam proses
pirolisis lambat, produk padat bergerak menuju bagian ujun karbon pada diagram
ternary (gambar 2.1). Dalam pirolisis cepat, prosesnya bergerak menuju axis C-H,
sehingga terbentuk banyak hidrokarbon pada fasa cair. Pada proses pirolisis dihasilkan
gas (baik yang dapat terkondensasi maupun tidak), cairan, komponen teroksigenasi, dan
padatan (gambar 2.1).
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
23/68
B2.1415.K.18 11
Gambar 2.2. Proses yang terjadi di dalam gasifikasi biomassa (Basu, 2010).
2.3.1.3. Gasifikasi
Proses gasifikasi yang mengikuti proses pirolisis melibatkan reaksi kimia diantara
hidrokarbon dan uap ait, karbondioksida, oksigen, hidrogen, dan berbagai macam gas
lainnya pada gasifier. Diantara semua reaksi kimia tersebut, reaksi yang paling penting
adalah gasifikasi arang. Arang biomassa cenderung lebih berpori dan reaktif daripada
daripada arang batubara. Pori pada arang biomassa berukuran sekitar 20-30 mikron
Karakterisasi tar hasil pirolisis biomassa dalam updraft fixed-bed gasifier .
sementara arang batubara berukuran sekitar kurang lebih 5 angstrom (Basu, 2010). Oleh
karena itu, reaktivitas arang biomassa lebih besar dari arang batubara atau gambut.
Reaktivitas dari arang gambut menurun seiring dengan waktu konversi, sementara
reaktivitas dari arang biomassa meningkat terhadap waktu konversi (gambar 2.5).
2.3.1.4. Combustion
Hampir semua reaksi gasifikasi adalah reaksi endotermik. Untuk memberikan energi
yang dibutuhkan oleh reaksi endotermik tersebut, sejumlah reaksi pembakaran
eksotermik dilangsungkan dalam gasifier. Reaksi pembakaran berlangsung sangat cepat
jika dibandingkan reaksi lainnya. Hampir seluruh oksigen yang dipasok habis
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
24/68
B2.1415.K.18 12
terkonsumsi pada fasa ini.
Tabel 2.3. Tipikal reaksi gasifikasi pada suhu 25o
C (Basu, 2010)
Tipe Reaksi Reaksi
Reaksi Karbon
R1 (Boudard) C+CO2!2CO +172kJ/mol1
R2 (water-gas atau steam) C+H2O!CO+H2 +131kJ/mol2
R3 (hidrogasifikasi) C+2H2!CH4 !74.8kJ/mol2
R4 C+0.5O2"CO !111kJ/mol1
Reaksi Oksidasi
R5 C+O2"CO2 !394kJ/mol2
R6 CO + 0.5O2" CO2 ! 284 kJ/mol4
R7 CH4+2O2!CO2+2H2O !803kJ/mol3
R8H2 +0.5O2
"
H2O!
242kJ/mol4
Reaksi Shift
R9 CO+H2O!CO2 +H2 !41.2kJ/mol4
Reaksi Metanasi
R10 2CO +2H2" CH4 + CO2 ! 247
kJ/mol4
R11 CO+3H2!CH4 +H2O !206kJ/mol4
R14 CO2+4H2"CH4+2H2O !165kJ/mol2
Reaksi Steam reforming
R12 CH4 +H2O!CO+3H2 +206kJ/mol3
R13 CH4 +0.5O2"CO+2H2 !36kJ/mol3
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
25/68
B2.1415.K.18 13
2.3.2. Fixed Bed Gasifier
Dalam fixed bed gasifier, umpan bahan bakarnya disangga dengan grate dan gas bakar
dialirkan melewati umpan bahan bakar. Fixed bed gasifier dibagi secara umum menjadi
dua yaitu countercurrent fixed bed gasifier (updraft gasifier) dan co-current fixed bed
gasifier (downdraft gasifier). Countercurrent fixed bed terdiri dari fixed bed gasifier
dimana udara mengalir dengan arah yang berlawanan dengan umpan bahan bakar.
Keuntungan dari fixed bed tipe ini adalah pertukaran panas dalam reaktor berlangsungsecara efektif, proses relatif simpel dan murah, dapat digunakan pada biomassa yang
memiliki kandungan air yang tinggi, presentase karbon yan terkonversi besar, dan
berbagai keuntungan lainnya. Namun kerugian pada konfigurasi ini adalah tar yang
terbentuk cukup banyak. Pada co-current fixed bed berlangsung proses yang mirip
dengan countercurrent fixed bed tetapi gas bakar mengalir searah dengan umpan bahan
bakar. Keuntungan fixed bed tipe ini adalah konversi tar yang dihasilkan rendah serta
prosesnya relatif murah dan simpel. Kerugian pada konfigurasi ini adalah umpan bahan
bakar harus dikeringkan terlebih dahulu, dan biasanya terdapat 4% – 7% karbon yang
tidak terkonversi. Keuntungan dan kerugian lebih lanjut dari updraft dan downdraft
fixed bed gasifier terlampir pada tabel 2.3.
2.3.3. Kompatibilitas Umpan Bahan Bakar
Semua rancangan gasifier memiliki berbagai keuntungan dan kerugian yang sangat
berkaitan dengan tipe umpan bahan bakar yang digunakan. Oleh karena itu sebelum
memilih bahan bakar yang akan digunakan sebagai umpan, diperlukan pengetahuan
tentang kompatibilitas bahan bakar dan gasifier yang akan digunakan. Oleh karena itu
perlu diketahui sifat bahan bakar yang penting untuk diperhatikan seperti konten energi
umpan bahan bakar, ukuran umpan bahan bakar, kerapatan umpan bahan bakar,
kandungan air umpan bahan bakar, volatile matter yang dihasilkan, kandungan mineral,
komposisi abu, dan kereaktifan abu.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
26/68
B2.1415.K.18 14
Tabel 2.4. Keuntungan dan kerugian updraft dan downdraft fixed bed gasifier(Warnecke, 2000).
Kriteria Tipe Reaktor
Fixed bed
Updraft Downdraft
Waktu operasi (-) belum ada plant yang dapat bekerja lebih dari 5000 h/a
Ketersediaan secara teknik/ fitur
teknik
(+) konstruksi sederhana
(-) terdapat komplikasi mekanik pada bagian internal yang
bergerak
(-) temperatur distribusi kurang baik
(-) terdapat titik panas pada reaksi eksotermik
(-) pertukaran panas kurang baik
(-) dapat terjadi penyumbatan abu
(-) dapat terjadi channelling
(-) waktu tinggal untuk padatan : berjam-jam atau berhari-
hari
(+) hilang tekan rendah
Pengalaman (+) terdapat berbagai macam proses untuk aplikasi yang
berbeda
(+) telah terbukti dapat bekerja dengan baik, sederhana
Scale-up (-) kapasitas spesifik rendah
(-) waktu tinggal padatan lama
(+) gasifier dapat digunakan dalam jangka waktu panjang
(-) scale up terbatas karena ukuran maksimum cukup
rendah
(-) kapasitas gasifier terbatas oleh laju alir gas
(-) perpindahan panas membatasi scale-up
Start up/shutdown (-) membutuhkan waktu lama untuk memanaskan
(+) turndown baik (-) turndown terbatas
Rentang beban (+) dapat mengoperasikan beban parsial (20%-110%)
Pergantian beban (-) penggantian dengan cepat bahan bakar dengan nilai
kalor yang berbeda dibatasi
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
27/68
B2.1415.K.18 15
2.3.3.1. Konten Energi Umpan Bahan Bakar
Pemilihan bahan bakar yang digunakan bergantung pada energi yang terkandung di
dalamnya. Dimana semakin tinggi konten energi pada bahan bakar maka akan
dihasilkan gas sintesis yang memiliki energi lebih besar.
2.3.3.2. Kandungan Air Umpan Bahan Bakar
Pemilihan bahan bakar juga bergantung pada kandungan air yang terdapat didalamnya.
Dimana kandungan air yang besar akan menurunkan efisiensi termal karena panas yang
disuplai digunakan untuk memanaskan air di dalam bahan bakar. Panas yang telah
dipakai tidak dapat digunakan kembali untuk mereduksi karbon sehingga semakin besar
kandungan bahan bakar maka heating valiue dari bahan bakar tersebut akan semakin
menurun.
2.3.3.3. Ukuran Umpan Bahan Bakar
Berbagai macam bahan bakar memiliki ukuran yang terlalu besar bagi reaktor sehingga
perlu dilakukan reduksi ukuran. Baik updraft maupun downdraft gasifier memiliki
keterbatasan dalam ukuran yang dapat diproses oleh masing-masing reaktor. Ukuran
yang tidak sesuai dapat menyebabkan adanya hilang tekan sehingga menurunkan
temperatur dalam reaktor. Selain itu semakin besar ukuran bahan bakar, maka semakin
besar ketidak reaktifan bahan bakar tersebut. Umumnya, updraft gasifier memiliki lebih
banyak keterbatasan ukuran dibandingkan dengan downdraft gasifier.
2.3.3.3. Perolehan Abu
Abu yang diperoleh pada proses gasifikasi mempengaruhi terjadi slagging dan
aglomerasi. Selama ini tidak teramati terjadi adanya slagging pada bahan bakar yang
memiliki perolehan abu kurang dari 6% w/w dari bahan bakarnya. Namun apabila
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
28/68
B2.1415.K.18 16
perolehan abu lebih dari 12% w/w dari bahan bakarnya maka dapat dipastikan akan
terjadi slagging yang parah. Biomassa yang memiliki kandung alkali oksida dan garam
yang tinggi biasanya mudah mengalami slagging. Slagging juga bergantung pada titik
leleh abu biomassa dan profil temperatur di gasifier. Umumnya slagging terjadi pada
temperatur tinggi seperti di zona oksidasi.
2.3.4. Profil Temperatur dalam Fixed-Bed Gasifier
Pirolisis merupakan salah satu bagian dari gasifikasi. Di dalam fixed-bed gasifier ,
proses yang pertama kali terjadi adalah pengeringan (drying ). Sebelum memasuki gasifier , pada umumnya biomassa masih memiliki kadar air tinggi (berkisar antara 30%
– 60%) sehingga biomassa perlu dikeringkan terlebih dahulu ( pre-drying ) untuk
mengurangi kadar air biomassa hingga hanya tersisa kelembaban 10 – 20%. Pada tahap
awal biomassa berada di dalam gasifier , temperatur masih tergolong rendah, namun di
atas 100°C. Seiring dengan meningkatnya temperatur, molekul-molekul dengan titik
didih rendah akan mulai menguap dan terlepas dari biomassa. Hal ini terus terjadi
hingga temperatur mencapai 200°C.
Temperatur di dalam gasifier berubah dan berbeda pada tiap-tiap titik di suatu
ketinggian dalam gasifier . Temperatur pada zona drying dan pirolisis terus meningkat
hingga mencapai 500°C hingga 700°C. Temperatur tersebut terus meningkat dan
berpuncak pada zona pembakaran (combustion). Temperatur pembakaran di dalam
fixed-bed gasifier berada sekitar 1000°C hingga 1400°C. Setelah melewati zona
pembakaran, temperatur menurun hingga 800°C untuk melakukan proses gasifikasi.
Kemudian, temperatur di dalam gasifier semakin menurun karena abu biomassa yang
terbentuk tidak lagi mengalami pemanasan. Gambar 2.3 dan 2.4 di bawah ini
mengilustrasikan kondisi saat tar terbentuk di dalam fixed-bed gasifier . Kebanyakan tar
dibentuk pada saat proses pirolisis berlangsung, yaitu pada temperatur di antara 200°C
hingga 500°C.
2.4. Karakteristik Tar
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
29/68
B2.1415.K.18 17
Tar merupakan produk samping hasil pirolisis yang tidak diinginkan berupa cairan
hidrokarbon berwarna hitam. Gas yang diperoleh dalam proses gasifikasi biasanya
mengandung kandungan tar yang dapat menyumbat tempat mengalirnya gas.
Gambar 2.3. Pembentukan tar pada proses pirolisis di updraft fixed bed gasifier (Basu,
2010).
Gambar 2.4. Pembentukan tar pada proses pirolisis di downdraft fixed bed gasifier
(Basu, 2010).
Terbentuknya tar merupakan hasil serangkaian reaksi termokimia yang kompleks. Jenis
biomassa yang berbeda akan menghasilkan tar yang berbeda pula. Karena keterbatasan
data literatur terhadap hubungan setiap biomassa dengan tar yang dihasilkan maka
dilakukan analisis terhadap komposisi utama biomassa yaitu lignin, selulosa, dan
hemiselulosa.
Pyrolysis
Reduction
Combustion
Ash
Biomass
Air
Gas, tar
Temperature
1000 °C
200–500 °C
Tar
Tar formation
Air Air
Ash
TarformationDrying
Biomass
Temperature
200–500 °C (drying)
500–700 °C (pyrolysis)
1000–1400 °C
(combustion)
800–1000 °C(gasification)
Pyrolysis
Combustion
Gasification
Flaming pyrolysis
Gas, tar
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
30/68
B2.1415.K.18 18
Tar merupakan zat hasil gasifikasi dan pirolisis yang sangat mengganggu. Tar tidak
diinginkan karena dapat menimbulkan berbagai masalah seperti
• Kondensasi dan penyumbatan aliran pada peralatan gasifier
• Pembentukan aerosol tar
• Polimerisasi menjadi struktur yang lebih kompleks
Akan tetapi pembentukan tar tidak dapat dihindari dan merupakan produk samping hasil
konversi termal.
2.4.1 Kadar Tar Yang Diperbolehkan
Tar yang terdapat pada gas hasil produksi gasfikasi tidak cocok untuk digunakan pada
berbagai mesin, yang umumnya memiliki toleransi yang rendah terhadap tar. Oleh
karena itu, dibutuhkan proses reduksi tar pada gas yang akan digunakan dalam mesin.
Hal ini dapat dilakukan dengan berbagai cara seperti memilih desain gasifier, memilih
biomassa, mengatur kondisi operasi, dan berbagai cara lainnya. Batas tar yang
diperbolehkan pada berbagai aplikasi tertera pada tabel 2.5.
Tabel 2.5. Batas tar pada gas biomassa (Basu, 2010).
2.4.2 Klasifikasi Tar
Tar dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok besar: tar primer, tar sekunder, dan tar
tersier.
Aplikasi Tar (g/Nm3)
Pembakaran langsung Tidak ada batas
Produksi gas sintesis 0,1
Turbin gas 0,05-5
Mesin internal combustion 50-100
Pipa transportasi 50-500 untuk kompresor
Fuel cell
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
31/68
B2.1415.K.18 19
Gambar 2.5. Hubungan reaktivitas terhadap konversi tar (Basu, 2010).
Gambar 2.6. Hubungan principle component score terhadap temperatur untuk
pembentukan tar (Basu, 2010).
Tar primer diproduksi dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin pada biomassa. Saat
temperatur gasifier mencapai 500oC, tar primer mulai membentuk tar sekunder yang
memiliki molekul yang lebih berat dan merupakan gas yang tak dapat terkondensasi.
Pada tar sekunder terdapat kandungan fenol dan olefin yang tinggi. Tar tersier
mengandung senyawa turunan metil yang aromatik seperti methyl acenaphtylene,
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
32/68
B2.1415.K.18 20
methylnaphtalene, toluene, dan indene (Basu, 2010). Tar sekunder dan tersier
merupakan tar yang terbentuk dari tar primer. Hampir semua tar primer hancur sebelum
terbentuknya tar tersier. Gambar 2.6 menunjukkan bahwa tar primer berkurang seiring
dengan meningkatnya temperatur sementara tar tersier meningkat.
Menurut Kiel, dkk., 2004, klasifikasi tar ditentukan berdasarkan dua sifat utama dari tar
itu sendiri, yaitu sifat terkondensasi dan kelarutan dalam air. Sifat kondensasi sangat
penting, karena tar yang terkondensasi pada temperatur tertentu dapat menyumbat
peralatan proses. Di sisi lain, tar dengan yang mudah larut dalam air seperti senyawa-
senyawa fenol dapat mencemari air limbah industri. Sehingga tar diklasifikasikan dalamlima kelas, yaitu kelas 1 hingga 5.
Tabel 2.6. Klasifikasi tar (Kiel, dkk., 2004)
Kelas Deskripsi
1 Tar yang paling berat dan dapat terkondensasi pada temperatur yang sangat
tinggi meskipun dengan konsentrasi tar yang kecil. Tar ini tidak dapat
dideteksi menggunakan GC
2 Tar yang tersusun atas senyawa heterosiklik dan sangat mudah terlarut dalam
air akibat sifatnya yang polar. Contoh: fenol, kresol, piridin3 Tar yang tersusun atas senyawa aromatik yang hanya terdiri dari satu cincin
dan senyawa hidrokarbon ringan yang tidak dipermasalahkan sifat kelarutan
dan kondensasinya. Contoh: xilena, stirena, toluena
4 Tar yang tersusun atas senyawa hidrokarbon poliaromatik atau PAH dengan
cincin 2 – 3 dan terkondensasi pada temperatur yang cukup tinggi dengan
konsentrasi yang tinggi pula. Contoh: naftalena, florena, indene
5 Tar yang tersusun atas PAH berat dengan jumlah cincin 4 – 7. Tar ini dapat
terkondensasi pada temperatur yang cukup tinggi dengan konsentrasi rendah.
Contoh: pyrene, coronene, fluoranthene
Dua macam klasifikasi tersebut dapat diilustrasikan dalam skema pada gambar 2.7. Sifat
kelarutan tar dalam air pada tar primer merupakan yang paling rendah, sedangkan sifat
condensability tar tersier adalah yang tertinggi. Hal ini menyatakan bahwa sifat
condensability dan kelarutan dalam air berbanding terbalik. Semakin rendah nilai
kelarutan tar tersebut dalam air, makan tar tersebut akan semakin mudah untuk
terkondensasi pada temperatur yang semakin tinggi (1000°C).
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
33/68
B2.1415.K.18 21
Gambar 2.7. Klasifikasi tar (Chan, dkk., 2014)
Kelarutan tar dapat diukur menggunakan spektrofotometer UV/VIS atau menggunakan
cara sederhana. Tar yang telah larut dalam air dapat dipisahkan dari pelarut dengan cara
menguapkan air sehingga hanya tersisa tar. Tar yang diperoleh tersebut ditimbang
massanya. Kelarutan merupakan nilai massa tar yang terlarut per volume tar
keseluruhan yang dialirkan ke dalam pelarut. Sedangkan condensability suatu tar
merupakan sifat kemudahan tar untuk terkondensasi pada temperatur tertentu. Hal ini
berhubungan langsung dengan titik didih senyawa penyusun tar. Berikut adalah daftar
titik didih senyawa-senyawa penyusun tar.
Tabel 2.7. Titik didih beberapa senyawa penyusun tar
Senyawa
Penyusun Tar
Titik Didih
(°C)
Piridin 115,2Fenol 181,7
Kresol 191,0 – 201,8
Toluena 110,6
Stirena 145,0
Xilena 137,0 – 140
Indene 182,4
Naftalena 218,0
Bifenil 255,0
Pyrene 404,0
Coronene 525,0
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
34/68
B2.1415.K.18 22
2.4.3. Reduksi Tar
Terdapat beberapa opsi yang tersedia dalam pereduksian tar. Secara umum pereduksian
tar dapat dibagi menjadi dua, yaitu reduksi tar in-situ dan reduksi tar pasca gasfikasi.
Reduksi tar in-situ menghindari pembentukan tar sebelum dihasilkan produk gas.
Sementara reduksi tar pasca gasifikasi memisahkan tar dari produk gas yang telah
terbentuk. Hal ini terlihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.8. Reduksi tar hasil gasifikasi biomassa secara (a) in situ dan (b) pasca
gasifikasi (Basu, 2010).
2.4.3.1. Reduksi Tar In-Situ
Pada pendekatan ini kondisi operasi gasifier diatur sedimikian rupa sehingga tar
tereduksi. Selain itu dapat juga dilakukan modifikasi rancangan gasifier, penggunaan
katalis dan berbagai cara lainnya.
2.4.3.1.1. Kondisi Operasi
Kondisi operasi yang dapat diatur antara lain adalah temperatur dan tekanan reaktor.
Secara umum, semakin tinggi temperatur operasi maka kandungan tar akan semakin
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
35/68
B2.1415.K.18 23
berkurang. Hal yang sama juga berlaku pada tekanan dimana semakin tinggi tekanan
maka tar yang dihasilkan juga berkurang.
2.4.3.1.2 Rancangan Gasifier
Rancangan gasifikasi menentukan dimana proses pirolisis berlangsung, bagaimana tar
bereaksi dengan oksigen, dan temperatur terjadinya reaksi. Pada penelitian ini, hanya
digunakan fixed bed gasifier, sehingga tipe rancangan yang dipilih adalah antara updraft
atau downdraft gasifier. Pada updraft gasifier udara yang dipasok berlawanan dengan
arah umpan, sehingga terdapat tar yang terbawa keluar bersama dengan gas keluaran.Sedangkan pada downdraft gasifier, udara mengalir searah dengan umpan sehingga
hampir semua tar yang terbentuk ikut terbawa kebawah menuju zona yang panas dan
ikut tereduksi. Selain itu temperatur pada downdraft gasifier lebih besar daripada
temperatur pada updraft gasifier. Oleh sebab itu, tar yang terbentuk dalam downdraft
gasifier lebih sedikit daripada yang terbentuk dalam updraft gasifier (Basu, 2010).
2.4.3.1.3. Penggunaan Katalis
Katalis dapat digunakan baik pada reduksi tar in-situ dengan menggunakan reaktor
primer maupun pada reduksi tar pasca gasifikasi dengan menggunakan reaktor
tambahan (sekunder). Beberapa katalis yang telah terbukti bekerja baik pada reduksi tar
antara lain adalah dolomit, olivine, alkali, dan nikel.
Dolomit (MgCO3, CaCO3) tersedia banyak di pasaran dan harganya juga tidak mahal.
Dolomit dapat bekerja lebih baik pada reaktor sekunder dengan suhu diatas 800oC
(Sutton, dkk., 2001). Pada kondisi operasi yang sesuai katalis ini dapat mengonversi
hampir seluruh tar yang ada, tetapi tidak dapat mengonversi metan pada gas sintesis.
Deposisi karbon dapat mematikan katalis ini, akan tetapi karena harganya yang murah,
pembuangan katalis ini tidak menyebabkan banyak kerugian.
Katalis alkali metal biasanya dicampur dengan umpan biomassa sebelum dimasukan ke
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
36/68
B2.1415.K.18 24
dalam gasifier. Beberapa jenis katalis ini lebih efektif dari yang lainnya. Urutan
keefektifan katalis alkali metal adalah sebagai berikut:
K2CO3 >Na2CO3 >(Na3H(CO3)2 #2H2O)>Na2B4O7 #10H2O
Tidak seperti dolomit, katalis ini dapat mereduksi metan dari gas produk. Tetapi katalis
ini sulit untuk digunakan kembali setelah dipakai (Mettanant dkk., 2009).
Katalis Nikel banyak tersedia secara komersial di pasaran serta dapat digunakan untuk
mereduksi tar dan metan. Katalis ini sangatlah efektif dan bekerja dengan baik pada
reaktor sekunder dengan temperatur 780oC. Namun dekomposisi karbon dapat
mematikan katalis ini
2.4.3.2 Reduksi Tar Pasca Gasifikasi
Reduksi tar pasca gasifikasi dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti penggunaan
barrier filters, ESP, wet scrubbers, dan penggunaan katalis seperti yang telah dijelaskansebelumnya.
2.4.3.2.1 Barrier filters
Barrier filters bekerja dengan cara menghalangi tar sementara melewatkan gas bersih.
Barrier filters dapat dikombinasikan dengan katalis dengan cara menaruh katalis pada
filter. Filter biasanya dibuat sedemikian rupa sehingga memiliki pori-pori yang dapat
melewatkan gas tetapi menghalangi tar. Namun, penggunaan barrier filter dalam jangka
waktu yang lama dapat menimbulkan cake yang kemudian meningkatkan hilang tekan.
Oleh karena itu barrier filter harus dibersihkan secara berkala.
2.4.3.2.2 Wet Electrostatic Precipitators (ESP)
ESP biasa digunakan pada pabrik gasifikasi dimana gas dilewatkan pada medan listrik
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
37/68
B2.1415.K.18 25
yang kuat dengan elektroda. Tegangan yang tinggi memberikan muatan pada partikel
padat dan cair. Gas pertama dilewatkan pada ruang dengan pelat anoda sehingga
partikel padat dan cair dalam gas menjadi bermuatan. Setelah itu gas dilewatkan pada
pelat katoda sehingga partikel padat dan cair tertarik pada pelat katoda. Penggunaan
ESP memiliki efisiensi lebih dari 90% dan hilang tekan yang rendah. Tetapi karena
penggunaan tegangan yang tinggi, ESP dapat menyebabkan ledakan jika tidak ditangani
dengan baik. Selain itu ESP memiliki harga yang cukup mahal dibanding dengan alat
lainnya.
2.4.3.2.3. Wet Scrubbers
Pada wet scrubbers, air atau cairan scrubbing disemprotkan pada gas produk. Partikel
padat dan tar kemudian akan bertabrakan dengan tetesan air membentuk tetesan besar
akibat adanya peleburan. Tetesan ini kemudian dapat dengan mudah dipisahkan dengan
penggunaan cyclone.
2.4.4. Perolehan Tar
Tar yang diperoleh pada lignin, selulosa, dan hemiselulosa bergantung pada temperatur
reaksi dan equivalent ratio (ER). Berdasarkan gambar 2.8. dapat dilihat pada ER
sebesar 0,2 kenaikan temperatur sebanding dengan penurunan kadar tar baik pada
lignin, selulosa, dan hemiselulosa. Penurunan tar pada temperatur tinggi terjadi karena
adanya cracking, steam reforming, dan dry reforming. Berdasarkan gambar 2.8 dapat
dilihat bahwa perolehan tar pada lignin lebih besar dibandingkan dengan perolehan tar
pada selulosa dan hemiselulosa. Selain itu pada kenaikan temperatur, penurunan kadar
tar pada lignin lebih kecil dibandingkan pada selulosa dan hemiselulosa. Hal ini
menunjukkan tar yang berasal dari lignin lebih stabil secara termal.
Berdasarkan gambar 2.9 dapat dilihat pengaruh perbedaan ER pada temperatur tetap
1000oC terhadap perolehan tar. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa pada ER yang
semakin besar, perolehan tar akan semakin kecil. Namun, kenaikan ER juga dapat
menurunkan kualitas gas sintesis. Hal ini disebabkan karena pada ER yang tinggi,
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
38/68
B2.1415.K.18 26
kandungan combustible gas dan LHV gas pada gas keluaran semakin berkurang. Maka,
dapat disimpulkan bahwa meningkatkan ER bukanlah metoda yang tepat untuk
mengurangi kadar tar.
Gambar 2.9. Hubungan temperatur terhadap perolehan tar (Yu, dkk., 2014).
Gambar 2.10 Hubungan ER terhadap perolehan tar (Yu, dkk., 2014).
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
39/68
B2.1415.K.18 27
2.5. Analisis Karakterisasi Tar
Seperti yang telah disebutkan dalam subbab sebelumnya, setiap proses gasifikasi
biomassa tentu akan menghasilkan tar yang terbawa bersama gas hasil gasifikasi. Tar
tersebut dapat menimbulkan masalah dan menghambat kerja gasifier . Untuk
menghilangkan keberadaan tar tersebut, perlu dilakukan analisis karakterisasi tar
terlebih dahulu. Sebelum tar tersebut dianalisis, tar harus terlebih dahulu ditangkap
melalui rangkaian alat seperti pada gambar 2.10. Alat sampling tersebut terdiri dari
module 1 sebagai unit pengondisian gas, module 2 sebagai unit filtrasi partikel, module
3 sebagai unit pengumpul tar, serta module 4 sebagai unit pengukuran volume. Analisis
karakterisasi tar dapat dilakukan dengan berbagai metode, namun kebanyakan dari
metode tersebut berprinsip pada kondensasi dan adsorpsi. Senyawa tar dikelompokkan
menjadi dua, yaitu gravimetric tars dan GC-detectable tars yang akan dipaparkan lebih
lanjut dalam subbab di bawah ini.
2.5.1. Pengondisian Gas
Pengondisian gas dilakukan di dalam Module I sesuai gambar 2.10 di bawah. Gas dan
uap yang berada di dalam pipa dipanaskan secara eksternal dengan menggunakan
pemanas listrik atapun aliran gas nitrogen panas untuk mencegah terjadinya kondensasi
di dalam pipa. Pipa juga dibalut dengan suatu bahan isolator dengan tujuan yang sama.
Gambar 2.11. Rangkaian alat untuk sampling Tar Standard Measurement (Good, dkk.,
2005).
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
40/68
B2.1415.K.18 28
Gambar 2.12. Alat untuk melakukan sampling pada gas pada bertekanan atmosferik
(Good, dkk., 2005).
Gambar 2.13. Alat untuk melakukan sampling pada gas pada bertekanan (Good, dkk.,
2005).
Di dalam segmen ini, terdapat perbedaan di antara gas bertekanan atmosferik dengan
gas bertekanan. Untuk gas bertekanan, alat dilengkapi dengan control valve yang
berfungsi untuk melepas tekanan tinggi di dalam pipa ke udara luar.
2.5.2. Filtrasi Partikel
Filtrasi partikel berada pada module 2. Partikel dikumpulkan pada suatu filter eksternal
yang dipanaskan secara terus menerus. Material yang dipilih sebaiknya tidak
mempengaruhi komposisi senyawa tar dan mampu menahan temperatur 50°C lebih
besar daripada temperatur operasi. Hal ini bertujuan untuk mencegah pembentukan tar.
Namun temperatur tidak boleh terlalu tinggi agar tidak terjadi reaksi antara tar dengan
material filter. Pada umumnya yang digunakan sebagai filter adalah quartz filter yang
mampu memfiltrasi partikel hingga 0,3µm. Filter memiliki diameter sebesar 30 mm dan
panjang nsebesar 77 hingga 100 mm.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
41/68
B2.1415.K.18 29
Gambar 2.14. Module 2: Alat filtrasi partikel (Good, dkk., 2005).
2.5.3. Pengumpul Tar
Pada module 3 terdapat unit pengumpul tar. Kadar air dan tar ditampung di dalam enam
buah impinger bottles dan kolom Petersen.
2.5.3.1. Impinger Bottles
Terdapat enam buah impinger bottles yang memiliki fungsi yang berbeda-beda. Botol pertama berfungsi sebagai pengumpul kelembapan. Air dan tar mengalami kondensasi
dari proses absoprsi dalam isopropanol. Kemudian gas tersebut dilewati melalui botol
nomor 2, 3, 4, dan 5, yang berisi pelarut serta botol terakhir (kosong). Sampel yang
dialirkan ke dalam impinger bottles menurut spesifikasi dibatasi sebesar 0,1 – 0,6
m3n/jam. Selanjutnya isopropanol yang melarutkan tar diuapkan dengan menggunakan
waterbath dan heater didekat exhaust fan agar tidak membaui ruangan
Gambar 2.15. Module 3: Impringer bottles (Good, dkk., 2005).
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
42/68
B2.1415.K.18 30
2.5.3.2. Kolom Petersen
Kolom Petersen merupakan sebuah kolom yang mengalami pendinginan oleh cairan
pendingin. Pada tahap pertama (stage 1), merupakan tahap pencucian secara tradisional
menggunakan impinger . Sedangkan pada tahap kedua, berfungsi untuk meningkatkan
efisiensi pencucian. Tahap pencucian 1 dan 2 ini terisi dengan medium pencucian
seperti pelarut dan isopropanol. Cairan yang terdapat di dalam kolom bergerak ke
bagian bawah kolom namun selalu ditahan oleh glass frit . Saat sampling telah selesai
dilakukan, ujung washing stage 1 dihubungkan dengan pompa vakum. Dengan
demikian, cairan pada washing stage 2 akan terhisap menuju washing stage 1. Hal ini
menyebabkan washing stage 2 dikosongkan di saat yang bersamaan dengan pencucian
frit oleh solvent . Kolom Petersen terbukti sangat efisien dalam melakukan sampling .
2.5.4. Pengukur Volume
Untuk melakukan pengukuran volume gas, dibutuhkan barometer, dry gas meter,
termokopel, serta detektor perbedaan tekanan. Temperatur, barometer, dan detektor
tekanan digunakan sebagai pengoreksi temperatur dan tekanan terhadap temperatur dan
tekanan keadaan normal.
2.5.5. Gravimetri
Tar yang dapat dianalisis dengan metode gravimetri disebut dengan gravimetric tar .
Gravimetri adalah sebuah metode analisis untuk menentukan jumlah komponen dengan
cara mengukur massa komponen murni setelah melalui proses pemisahan. Dalam
metode gravimetri ini, senyawa tar aromatik yang memiliki lebih dari tiga cincin dapat
dianalisis.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
43/68
B2.1415.K.18 31
Gambar 2.16. Module 3: Kolom Petersen (Good, dkk., 2005).
Gambar 2.17. Module 4: Pompa dan alat pengukuran volume (Good, dkk., 2005).
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
44/68
B2.1415.K.18 32
2.5.6. Gas Kromatografi
Gas kromatografi atau GC adalah suatu unit alat yang digunakan untuk melakukan
analisis komposisi dari suatu campuran senyawa. Tar yang dapat dianalisis dengan gas
kromatografi disebut dengan GC-detectable tars. GC tidak dapat digunakan untuk
menganalisis senyawa tar dengan jumlah cincin lebih dari tujuh. Sampel berbentuk cair
atau gas diinjeksikan ke dalam GC. Sampel tersebut kemudian akan terbawa oleh gas
inert pembawa, biasanya berupa gas hidrogen atau nitrogen. Di dalam GC terdapat
kolom yang berisi fasa diam. Temperatur kolom dijaga agar lebih tinggi dari titik didihsampel sehingga sampel tetap terjaga dalam fasa gas. Komponen-komponen di dalam
sampel semakin lama akan terpisah bergantung dengan sifat kepolaran komponen
tersebut terhadap fasa diamnya. Jika fasa diam bersifat polar, maka komponen-
komponen yang lebih polar akan memiliki waktu tinggal lebih lama di dalam gas
kromatografi. Komponen tersebut dideteksi dengan detektor. Jenis detektor yang
digunakan berbeda-beda bergantung pada komponen sampel. Untuk sampel yang kaya
akan senyawa organik, detektor yang paling cocok digunakan adalah FID ( Flame
Ionization Detector ).
Gambar 2.18. Skema alat Gas Kromatografi (Furniss, dkk., 2005).
Pada detektor FID, udara dan gas hidrogen dipasok ke dalam detektor dan dibakar. Pada
tahap ini, senyawa-senyawa organik yang ikut terbakar akan menghasilkan ion-ion.
Detektor FID dilengkapi dengan pengumpul elektron di bagian atas untuk mengukur
nilai potensial listrik yang dihasilkan oleh senyawa organik.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
45/68
B2.1415.K.18 33
Gambar 2.19. Prinsip kerja detektor FID (sepscience.com)
2.5.7. Solid Phase Adsoprtion (SPA)
Solid Phase Adsoprtion atau SPA merupakan salah satu metode analisis untuk
karakterisasi tar dengan cara menghisap gas yang kemudian dilalui ke dalam sebuah
adsorben. Adsorben yang biasa digunakan adalah amino-sorben yang berfungsi untuk
mengumpulkan tar yang terbawa oleh gas hasil gasifikasi. Kemudian, senyawa-senyawa
aromatik dan fenolik dikumpulkan secara terpisah. Senyawa-senyawa yang telah
terpisah tersebut kemudian dianalisis secara terpisah dengan menambahkan pelarut
tertentu dan memanfaatkan analisis bantuan gas kromatografi.
2.5.8 . Photo Ionization (PID)
Energi foton dimanfaatkan untuk melepaskan elektron dari suatu molekul. Banyaknya
energi yang dibutuhkan untuk pelepasan ini bergantung pada komponen dan senyawa
tertentu. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron pada molekul berukuran
besar lebih dan molekul dengan struktur aromatik seperti tar. Untuk melepas elektron
dalam molekul seperti hidrogen ataupun karbon monoksida (molekul kecil), diperlukan
energi foton yang besar.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
46/68
B2.1415.K.18 34
2.6. Karakteristik Tar untuk Setiap Jenis Biomassa
Berikut adalah hasil karakteristik tar hasil pirolisis biomassa, yaitu untuk batok kelapa
dan cangkang sawit.
2.6.1. Batok Kelapa
Biomassa batok kelapa memiliki hasil analisis proksimat dan ultimat yang tersedia pada
tabel berikut.
Tabel 2.8. Analisis proksimat dan ultimat batok kelapa (Rout, 2013)
Moisture
Content
Volatile
Matter
Fixed
Carbon
Ash C H O N S
10,1% 64,6% 11,2% 14,2% 64,23% 4,89% 22,61% 4,77% 3,50%
Dengan kandungan batok kelapa seperti tertera pada tabel tersebut, ternyata diperoleh
bahwa pirolisis biomassa batok kelapa dalam fixed-bed gasifier memiliki karakteristik
sebagai berikut. Tar yang dihasilkan memiliki densitas sebesar 1,0536 g/ml pada
temperatur pengukuran 15°C dan viskositas kinematik sebesar 1,47 x 10 -6 m2/s pada
40°C. Nilai kalor bakar yang dihasilkan adalah sebesar 1,975 MJ/kg.
Gambar 2.20. Kromatogram hasil analisis tar batok kelapa menggunakan GC-MS
(Rout, 2013)
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
47/68
B2.1415.K.18 35
Penentuan komposisi penyusun tar dilakukan menggunakan GC-MS dan diperoleh hasil
seperti pada gambar 2.20. Diperoleh 28 komponen penyusun tar dengan komponen
terbanyak adalah fenol sebesar 28,5% dan komponen lain yang merupakan senyawa
turunan fenolik.
Tabel 2.9. Komposisi penyusun tar hasil pirolisis batok kelapa (Rout, 2013)
No Waktu Retensi
(menit)
% Luas
Area
Komponen
1 5,033 28,52 Fenol
2 5,890 2,08 3-metil-1,2-siklopentadiona
3 6,384 1,15 2-metil-fenol
4 6,761 1,44 p-cresol
5 7,023 5,36 2-metoksi-fenol
6 8,736 6,15 Creosol
7 9,753 2,79 3-metoksi-1,2-benzendiol
8 10,043 2,91 4-etil-2-metoksi-fenol
9 10,581 1,33 2-metoksi-4-vinilfenol
10 11,075 10,09 2,6-dimetoksi-fenol
11 11,772 1,11 Vanillin
12 12,353 4,36 Asam 4-hidroksi-3-metoksi-benzoat
13 12,469 4,58 Metilparaben
14 12,963 2,87 D-alosa
15 13,340 4,22 1-(2,6-dihidroksi-4-metoksifenil)-etanon16 13,427 1,90 1-metil-N-vanilil-2-fenetanamin
17 13,790 0,92 Asam dodekanoat
18 13,848 1,23 2,3,5,6-tetrafluoroanisol
19 14,270 1,32 2,6-dimetoksi-4-(2-profenil)-fenol
20 14,357 1,13 2,4-dihidroksiasetopfenon oksim
21 14,851 1,25 N-(4-metoksifenil)-2-hidroksimino-asetamida
22 14,967 0,89 4-hidroksi-3,5-dimetoksi-benaldehid
23 15,461 4,68 2,6-dimetoksi-4-(2-profenil)-fenol
24 15,078 0,75 1-(4-hidroksi-3,5-dimetoksifenil)-etanon
25 15,853 1,04 4-hidroksi-2metoksisinamaldehid26 16,243 3,85 1-(2,4,6-trihidroksi-3-metilfenil)-1-butanon
27 17,595 1,01 Pentadekananitril
28 18,162 1,09 Asam n-heksadekanoat
2.6.2. Cangkang Sawit
Analisis ultimat biomassa cangkang sawit oleh Li, dkk. dapat dilihat pada tabel 2.9.
Tabel 2.10. Analisis ultimat cangkang sawit (Li, dkk., 2012)
C H O N S
47% 6% 38% 0,7% 0,08%
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
48/68
B2.1415.K.18 36
Cangkang sawit dengan hasil analisis ultimat tersebut menghasilkan tar dengan
karakteristik sebagai berikut. Densit tar yang dihasilkan adalah sebesar 1,04 g/ml pada
suhu 25°C. Viskositas dinamik pada 47,2°C adalah sebesar 9,06 cP. Nilai kalor bakar
yang dihasilkan adalah sebesar 21,19 MJ/kg. Komposisi tar tersebut kemudian
dianalisis menggunakan GC-MS seperti pada tabel 2.10. Komponen yang paling banyak
terdapat di dalam tar hasil pirolisis cangkang sawit adalah senyawa asam asetat, dengan
persentase 40%.
Tabel 2.11. Hasil analisis komposisi tar cangkang sawit menggunakan GC-MS (Li,
dkk.,2012)No. Waktu Retensi
(menit)
% Luas
Area
Komponen
1 4,861 4,49 Metil asetat
2 5,850 2,36 2,3-butadiona
3 6,695 1,00 Asam format
4 7,183 40,63 Asam asetat
5 8,080 6,81 Asetol
6 10,215 2,78 Etil piruvat
7 11,624 2,11 Furfural
8 12,680 0,98 Asetol asetat9 16,734 11,7 Fenol
10 17,297 1,98 Guaiakol
11 19,356 1,52 2-metoksi-4-metil-fenol
12 22,000 1,02 3-metil-2,4-pentadiona
13 22,920 2,22 2,6-dimetoksi-fenol
14 23,110 0,96 2,5-dimetil-3-heksanol asetat
15 24,190 1,00 Propilen karbonat
16 24,483 1,57 1,2,4-trimetoksibenzena
17 26,916 1,15 3-metoksi-4-hidroksibenzilaseton
18 28,406 12,80 Levoglukosan
19 28,609 1,10 2,6-dimetoksi-4-alilfenol
20 29,132 1,82 Asam 4-hidroksi-benzoat
2.7. Faktor yang Mempengaruhi Karakteristik Tar
Dalam penentuan variasi yang digunakan untuk penelitian ini, perlu diketahui faktor-
faktor apa saja yang mempengaruhi karakteristik tar yang dihasilkan. Hal-hal yang
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
49/68
B2.1415.K.18 37
dapat mempengaruhi tar yang diperoleh antara lain adalah jenis biomassa, kadar air dari
tiap jenis biomassa, serta ukuran partikel.
2.7.1. Jenis Biomassa
Ku dan Mun pada tahun 2006 melakukan percobaan karakterisasi tar hasil pirolisis
biomassa berupa bambu, kayu pohon pinus, dan kayu pohon oak. Percobaan dilakukan
pada temperatur operasi 800°C. Alasan pemilihan dari biomassa tersebut adalah karena
ketiganya memiliki kandungan yang berbeda, mulai dari analisis proksimat, ultimat,
hingga kandungan lignoselulosa. Dari percobaan tersebut diperoleh bahwa senyawa penyusun tar yang terdapat paling banyak pada bambu ada siringol, sedangkan pada
pohon oak adalah trans-propenilsiringol, dan pada pohon pinus adalah asam 9-
oktkadenoat. Selain itu, persen komposisi setiap komponen penyusunnya juga berbeda-
beda. Hal ini menunjukkan bahwa dengan jenis biomassa yang berbeda, akan diperoleh
karakteristik tar hasil pirolisis yang berbeda pula.
2.7.2. Kadar Air
Kandungan air dalam biomassa mempengaruhi perolehan tar. Semakin tinggi kadar air
yang dimiliki oleh suatu biomassa, maka biomassa tersebut akan semakin banyak
terkonversi menjadi tar, sedangkan konversi menjadi arang dan gas akan berkurang.
Kandungan air pada biomassa juga dapat menyebabkan meningkatnya densitas tar yang
diperoleh. Kadar air yang diinginkan untuk gasifikasi biomassa biasanya berkisar antara
0 – 10% untuk memperoleh banyak arang dan gas, serta sedikit tar. Terdapat dua jenis
drying, yaitu oven-dried dan air-dried . Oven dried merupakan mekanisme pengeringan
biomassa menggunakan sumber panas berupa oven sehingga air dapat teruapkan hampir
seluruhnya (kadar air mencapai 0%). Sedangkan air-dried adalah mekanisme
pengeringan biomassa dengan menggunakan udara terbuka. Tidak seluruh komponen
air dapat terlepas dengan mekanisme ini, kadar air biomassa setelah dikeringkan
berkisar antara 15 – 20%.
2.7.3. Ukuran Partikel
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
50/68
B2.1415.K.18 38
Perocobaan pirolisis biomassa dengan variasi uuran partikel sebelumnya telah dilakukan
oleh Joardder, dkk. Pada tahun 2011. Percobaan tersebut dilakukan dengan
menggunakan batok kelapa dengan variasi ukuran biomassa sebesar 0,6 – 6 mm. Dari
variasi tersebut diperoleh hasil bahwa perolehan tar dan gas hasil pirolisis semakin
berkurang seiring dengan meningkatnya ukuran partikel biomassa. Biomassa yang
terkonversi menjadi arang semakin meningkat. Dengan demikian, ukuran partikel
mempengaruhi perolehan tar hasil pirolisis. Pada percobaan yang dilakukan oleh
Frederick, dkk., ukuran partikel kayu oak divariasikan dari 6, 3, 18, 25 mm. Seiring
dengan meningkatnya ukuran partikel, diperoleh tar dengan komponen PAH yangsemakin banyak. Hal ini membuktikan bahwa ukuran partikel mempengaruhi
karakteristik tar.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
51/68
B2.1415.K.18 39
BAB III
RENCANA PENELITIAN
3.1. Metodologi
Dalam melakukan percobaan pirolisis biomassa dan karakterisasi tar dilakukan
beberapa analisis terlebih dahulu sebelum biomassa dipirolisis. Analisis yang dilakukan
antara lain adalah analisis proksimat, analisis ultimat, serta analisis kalor bakar. Tujuan
dari dilakukannya analisis ini ialah untuk mengetahui sifat biomassa yang hendak
dipirolisis. Setelah melakukan analisis, dapat digunakan percobaan utama, yaitu
pirolisis biomassa. Biomassa dipirolisis dengan memvariasikan biomassa yang
digunakan serta laju alir udara untuk pembakaran. Gas hasil pirolisis yang telah
diperoleh ditangkap dengan menggunakan impinger bottles. Gas yang telah ditangkap
tersebut mengandung tar yang dapat dianalisis karakteristiknya menggunakan gas
kromatografi.
3.2. Percobaan
Pada bagian ini diuraikan bahan, alat, prosedur percobaan, serta variasi yang digunakan
dalam percobaan.
3.2.1. Bahan
Bahan-bahan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain adalah biomassa yang
hendak dipirolisis dan senyawa kimia pendukung untuk analisis karakteristik tar.
Biomassa yang dipilih sebagai bahan utama pirolisis adalah sebagai berikut.
1. Cangkang sawit
2. Batok kelapa
Sedangkan bahan-bahan pendukung lain yang digunakan sebagai bahan untuk
melakukan analisis tar antara lain adalah:
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
52/68
B2.1415.K.18 40
1. Isopropanol
2. Air
3.
Gas hidrogen
3.2.2. Alat
Alat-alat yang digunakan untuk percobaan pirolisis biomassa dan karakterisasi tar
antara lain adalah sebagai berikut.
Alat percobaan utama:
1.
Satu set alat pirolisis biomassa: Fixed-bed updraft gasifier 2. Termokopel
3. Blower
4. Orificemeter
5. Manometer
6.
Anemometer digital
7. Stopwatch
Alat pendukung preparasi dan analisis:
1.
Gas kromatografi
2. Syringe
3. Neraca
4. Burner
5. Kalorimeter bom
6. Detektor TCD
7.
Termometer
8. Oven
9. Impinger bottles
Susunan alat percobaan pirolisis biomassa tertera pada gambar 3.1. dan spesifikasinya
tertera pada tabel 3.1.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
53/68
B2.1415.K.18 41
Gambar 3.1. Susunan alat percobaan pirolisis biomassa
Tabel 3. 1. Spesifikasi susunan alat percobaan pirolisis biomassa
Tinggi reaktor (cm) 81
Diameter reaktor (cm) 15,5
Material reaktor logam
Volume impinger bottle (mL) 250
Material impinger bottle kaca
3.2.3. Prosedur
Prosedur percobaan meliputi preparasi biomassa, analisis sifat biomassa, percobaan
utama pirolisis, serta analisis karakterisasi tar hasil pirolisis.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
54/68
B2.1415.K.18 42
A. Analisis sifat biomassa
Sifat biomassa dianalisis dengan menggunakan dua macam metode, analisis proksimat
dan ultimat.
1. Proximate analysis
Analisis proksimat mencakup kadar kelembapan, volatile matter , abu, serta jumlah
karbon dalam suatu biomassa. Akan tetapi, analisis proksimat sering diukur pada
keadaan dry basis, di mana kelembapan dari suatu biomassa telah dihilangkan.
Tabel 3.2. Analisis proksimat biomassa pada keadaan air-dried-basis (Daud dan Ali,
2004).
Jenis Biomassa Moisture Volatile Matter Abu Fixed Carbon Cangkang sawit 7,96% 72,47% 1,1% 18,7%
Batok kelapa 10,66% 68,89% 0,80% 19,65%
2.
Ultimate analysis
Analisis ultimat meliputi kandungan unsur karbon, oksigen, hidrogen, oksigen,
nitrogen, serta sulfur di dalam suatu biomassa
Tabel 3.3. Analisis ultimat biomassa (Daud dan Ali, 2004). Jenis Biomassa C H O N S
Cangkang sawit 50,61% 6,85% 40,15% 1,90% 0,05%
Batok kelapa 48,10% 6,47% 43,72% 0,80% 0,11%
3. Kalor bakar
Nilai kalor bahan bakar adalah jumlah panas yang dapat dihasilkan oleh bahan bakar
per satuan berat padatan atau satuan volume cairan pada keadaan standar.
Pengukuran nilai kalor bakar suatu biomassa dapat dilakukan dengan menggunakan
kalorimeter bom. Sampel yang ingin diketahui nilai kalornya ditempatkan dalam
tabung berisi oksigen yang tercelup dalam kalorimeter. Kalorimeter terhubung
dengan sumber listrik sehingga akan menghasilkan panas. Sampel biomassa akan
mengalami pembakaran. Perubahan temperatur yang terjadi terhadap waktu dicatat
sehingga dapat dihitung nilai kalor bakar suatu biomassa.
B. Preparasi sampel
Preparasi sampel diperlukan guna memastikan biomassa tidak mengandung benda
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
55/68
B2.1415.K.18 43
asing, memiliki kandungan air yang rendah, serta memiliki ukuran yang sama dan
tidak terlalu besar. Pemisahan biomassa dari benda asing seperti batu dapat
dilakukan dengan de-stoner yang menggunakan getaran serta aliran udara untuk
memisahkan benda yang lebih berat dari biomassa. Selain itu dapat juga digunakan
magnetic metal seperator untuk memisahkan metal dari biomassa dengan
menggunakan magnet. Lalu, biomassa juga harus dikeringkan terlebih dahulu untuk
menurunkan kandungan airnya menjadi sekitar 10% – 20% sebelum dapat
dimasukkan kedalam gasifier. Selanjutnya ukuran biomassa harus dijaga agar tidak
terlalu besar karena biomassa yang terlalu besar dapat memampatkan aliran.
Beberapa alat yang dapat digunakan antara lain chunker, chipper, grinder, atau pulverizer. Selanjutnya agar ukurannya sama besar, dapat digunakan trummel yang
merupakan drum berputar dengan lubang-lubang pada dindingnya.
C. Percobaan Pirolisis Biomassa
Percobaan pirolisis biomassa dimulai dengan menyiapkan biomassa yang hendak
dipirolisis beserta dengan arang. Arang dimasukkan ke dalam tong kecil dan dibakar
hingga menjadi glow char . Biomassa yang digunakan diperkecil ukurannya hingga
berukuran tertentu dan cukup seragam. Sejumlah glow char yang telah disiapkan
dimasukkan ke dalam gasifier . Biomassa yang hendak dipirolisis ditimbang
sebanyak 2 kilogram dan kemudian dimasukkan ke dalam gasifier . Tutup bagian atas
gasifier ditutup dan obor pada gas keluaran dinyalakan. Udara dialirkan dengan
menggunakan blower bersamaan dengan dimulainya pencatatan waktu pirolisis.
Tujuan dari dialirkannya udara ialah untuk menjaga glow char tetap membentuk bara
dan dapat memasok panas untuk keseluruhan proses pirolisis di dalam gasifier . Laju
alir udara divariasikan menyesuaikan dengan temperatur pirolisis yang diinginkan,
yaitu sebesar 5%, 8,5%, dan 12% dari kebutuhkan udara stoikiometrik. Temperatur
pada segmen-segmen gasifier dicata pada selang waktu tertentu. Gas hasil pirolisis
yang telah terkondensasi ditampung oleh water seal , tar tersebut merupakan
condesable tar . Sedangkan untuk tar yang tidak terkondensasi juga dapat ditangkap,
yaitu dengan menggunaka impinger bottles. Tar tersebut merupakan soluble tar .
Setelah tar tersebut ditangkap, tar dianalisis menggunakan bantuan gas kromatografi
dengan spesifikasi seperti pada subbab 3.2.3.D.
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
56/68
B2.1415.K.18 44
"#$%&
'(%)* +&,&%-.%)
'(%)* +&/%,#..%) .0+%$%/ 12)* .03&$ .0/#+&%) +&4%.%( /0)5%+&
!"#$ &'()
6(0-%(%,& 4&2/%,,% +&$%.#.%)
7#1#- %1%, !(*+,+-) +&4#.% +%) ,05#/$%8 !"#$ &'() +&/%,#..%)
.0+%$%/ *%,&9&0(
:05#/$%8 4&2/%,,% +&,&%-.%) +%) ,04%*&%) +&/%,#..%) .0+%$%/
*%,&9&0( 8&)**% .01&)**&%) #)**#) 10(10)1#
;&2/%,,%
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
57/68
B2.1415.K.18 45
"#$#% &'()'* '$'+ !"#$%$&' ,)$#$#% -./&'0)
1&23 %',' ('+ -.0#'3'* ,)*4'0'-'*
5026.3 ,)*4'0'-'* &.3+'/''* ,.*('* /#0') /.0'-#-'*
%.*7'$'$'* 6'-$# %)320)+)+
"./%.3'$#3 ,) +.%'*8'*( 3.'-$23 ,)7'$'$ +.$)'% +.0'*( 6'-$#
$.3$.*$#
9'+ 4'*( :'+)0 %)320)+)+ 4'*( $.0': $.3-2*,.*+'+) %',' $()$*!&'
,-../ ,)'*'0)+)+
;.0.+')
-
8/17/2019 Karakterisasi Tar Hasil Gasifikasi Biomassa Cangkang Sawit
58/68
B2.1415.K.18 46
D. Analisis Sampel Tar
Analisis sampel dilakukan dengan mengambil sampel dari aliran gas hasil pirolisis di
bagian atas reaktor. Sampel dianalisis dengan menggunakan enam buah botol kecil yang
dikenal dengan nama impinger bottles. Botol-botol tersebut diletakkan di dalam sebuah
bak yang berisi larutan. Standar ukuran botol adalah 1 – 250 mL dengan volume larutan
sebanyak 50 mL. Botol 1, 2, dan 4 direndam pada sebuah larutan dengan temperatur
sekitar 35 – 40°C. Sedangkan botol 3, 5, dan 6 diletakkan di dalam bak berisi es dan
garam untuk menjaga temperatur rendah hingga -5°C.
Gambar 3.2. Impinger bottles untuk menangkap sampel tar (sumber: Good, dkk., 2005)
Botol 1 hingga 5 berisi pelarut, sedangkan botol keenam dibiarkan kosong. Pelarut yang
biasanya digunakan adalah isopropanol. Botol pertama berfungsi untuk mengondensasi
tar dan gas hasil pirolisis. Botol 2, 3, 5, dan 6 dilengkapi dengan glass frits. Glass frits
merupakan sebuah unit yang menghasilkan gelembung gas yang lebih kecil.
Berkurangnya ukuran gelembung gas dapat meningkatkan kelarutan tar di dalam
isopropanol. Saat filter menunjukkan perubahan warna menjadi kuning berarti terdapat
indikasi adanya aerosol yang melewati impinger bottles. Botol terakhir dibiarkan
kosong sehingga gas yang masuk ke dalam botol tersebut mengalami kondensasi secara
tiba-tiba dengan pendinginan dari cold bath. Penurunan temperatur secara tiba-tiba dari
-5°C menyebabkan meningkatnya kelarutan tar dalam isopropanol. Selanjutnya
isopropanol yang melarutkan tar diuapkan dengan menggunakan waterbath dan heater
didekat exhaust fan agar tidak membaui ruangan. Tar yang diperoleh dari botol keenam