reaktor plasma convert propylene

8/10/2019 Reaktor Plasma Convert Propylene

http://slidepdf.com/reader/full/reaktor-plasma-convert-propylene 1/62

0

PROPOSAL PENELITIAN

PROPOSAL PENELITIAN

EFEK SUHU DAN WAKTU CHARGING TERHADAP KINERJA REAKTOR

TERINTEGRASI PLASMA – KATALITIK UNTUK KONVERSI LIMBAH PLASTIK

POLIPROPILEN (PP) MENJADI BAHAN BAKAR CAIR

Disusun Oleh:

Muhammad Khoirul Anam L2C309034

Vidarti Dyah Atikayanti L2C309037

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2010



1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sekitar 80% konsumsi energi dunia diambil dari batu bara, minyak, dan gas alam. Dari

ketiganya, minyak berkontribusi paling besar ( 35% dari minyak, 23% dari batu bara, dan

21% dari gas)( Morten Bjǿrgen et al, 2008). Seperti yang diketahui bahwa konsumsi bahan

bakar dari tahun ketahun makin meningkat, sementara cadangan bahan bakar fosil yang ada

terbatas jumlahnya. Hal ini mendorong manusia untuk mencari bahan bakar alternatif.

Penelitian yang sekarang telah dilakukan untuk bahan bakar kebanyakan dari sumber alam

hayati dimana jika explorasi terlalu banyak akan menimbulkan ketidakseimbangan pada rantai

makanan. Tentu tidaklah mudah membuat suatu terobosan yang sempurna dalam

menghasilkan bahan bakar. Supaya keseimbangan pangan nasional maupun dunia tidak

terganggu, penelitian pada dekade ini lebih banyak menitik beratkan pada pengkonversian

bahan yang tidak bermanfaat untuk dikonversi menjadi produk yang bermanfaat.

Bahan yang tidak bermanfaat biasa disebut sampah. Sampah yang memungkinkan untuk

dikonversi menjadi bahan bakar diantaranya adalah plastik. Plastik merupakan material yang

baru secara luas dikembangkan dan digunakan sejak abad ke-20 yang berkembang secara luar

biasa penggunaannya dari hanya beberapa ratus ton pada tahun 1930-an, menjadi 150 juta

ton/tahun pada tahun 1990-an dan 220 juta ton/tahun pada tahun 2005. Saat ini penggunaan

material plastik di negara-negara Eropa Barat mencapai 60kg/orang/tahun, di Amerika Serikat

mencapai 80kg/orang/tahun, di India hanya 2kg/orang/tahun (Richardson, 2008). Penggunaan

plastik yang cukup tinggi juga menyebabkan persoalan tersendiri, mengingat sifat plastik

yang tidak mudah terdegradasi. Menurut data dari KLH (Kementerian Lingkungan Hidup)

volume timbunan sampah di 194 kabupaten dan kota di Indonesia mencapai 666 juta liter atau

setara 42 juta kilogram, dimana komposisi sampah plastik mencapai 14 persen atau 6 juta ton

(Junaedy, 2009). Dengan semakin meningkatnya penggunaan plastik dan tidak dapat

terdegradasinya secara alami, maka keberadaanya menjadi masalah lingkungan. Salah satu

jenis sampah plastik yang tidak mudah terdegradasi adalah kemasan minuman terutama cup

air mineral yang merupakan jenis plastik polipropilen (PP).



2

Metode konvensional yang biasa digunakan untuk pendegradasian plastik adalah

thermal cracking. Namun metode ini mempunyai kelemahan yaitu membutuhkan suhu operasi

yang relativ tinggi dan energi yang digunakan besar, sehingga diperlukan biaya operasi yang

relativ mahal. Untuk mengatasi kelemahan dari proses thermal cracking maka dapat

digunakan penambahan katalis untuk penurunan suhu operasi (Manos et al, 2002). Dari proses

tersebut akan dihasilkan suatu bahan bernilai jual tinggi yang berupa bahan bakar cair dan

gas.

Pada beberapa penelitian terdahulu, dijelaskan proses perengkahan dengan

menggunakan bantuan katalis. Pinto et al (1999) memaparkan proses perengkahan katalitik

dengan menggunakan katalis Fe2O3 yang menghasilkan konversi mencapai 90% dengan suhu

operasi 415o C dan kisaran waktu 20 menit. Palafox et al (2001) masih menggunakan cara

konvensional tanpa katalis memerlukan suhu mencapai 500-700 o

C. Karagoz et al (2002)menggunakan katalis Co-Ac, DHC-8, dan HZSM-5 untuk menghasilkan yield produk pada

kisaran 95-98%, dengan suhu operasi 425, 435, 450oC dan waktu 2 jam . Park et al (2003)

menggunakan katalis BaO untuk mengasilkan yield produk 73,2%, dengan suhu operasi

350oC. DP Serrano et al (2005) menggunakan katalis HZSM-5 untuk menghasilkan yield

produk 80% dengan suhu operasi 340o C dan waktu 2 jam. Dari beberapa penelitian tersebut

dapat diketahui bahwa konsumsi energi yang dibutuhkan untuk proses konvensional -

perengkahan katalitik polimer, adalah cukup besar. Hal ini dapat dilihat dari suhu operasi

yang relatif tinggi. Oleh sebab itu, dibutuhkan suatu teknologi alternatif pendukung untuk

memperbaikinya. Teknologi plasma diharapkan dapat menyelesaikan masalah tersebut.

Plasma terbentuk ketika suatu gas yang tidak bermuatan listrik diberi energi yang cukup

dari sumber listrik sehingga menjadi bermuatan dan bersifat radikal. Sumber elektron bebas

pada umumnya berupa elektroda bertegangan tinggi. Hal tersebut menimbulkan benturan

antara elektron dan molekul gas yang menghasilkan suatu keadaan metastabil dan ion yang

terenergi. Treatment polimer dengan teknologi plasma, menyebabkan perubahan struktur dan

sifat kimia dari lapisan polimer (Shikova et al, 2004) sehingga polimer lebih mudah terurai.

Keadaan seperti inilah yang kemudian dimanfaatkan lebih lanjut dalam proses perengkahan

katalitk. Efek waktu charging didalam reaktor plasma dan suhu reaktor konvensional-katalitik

terhadap kinerja reaktor terintegrasi plasma-katalitik belum pernah diteliti oleh peneliti

sebelumnya untuk konversi polipropilen menjadi bahan bakar cair.

Penelitian ini akan berfokus pada kajian reaktor plasma terintegrasi yang khusus

digunakan untuk perlakuan terhadap polipropilen sebelum dilakukan tahapan perengkahan



3

katalitik. Beberapa variabel yang akan dipelajari adalah pengaruh suhu reaktor konvensional

katalitik dan waktu charging reaktor plasma terhadap kinerja proses perengkahan katalitik

untuk konversi limbah plastik polipropilen (PP) menjadi bahan bakar cair.

1.2. Perumusan Masalah

Pengonversian polipropilen menjadi bahan bakar cair dan gas dapat dilakukan dengan

menggunakan proses perengkahan katalitik. Di dalam proses perengkahan katalitik, rantai

polipropilen yang panjang dapat mengalami pemutusan menjadi rantai pendek yang

mengakibatkan polimer tersebut mudah terurai. Reaktor plasma diharapkan dapat digunakan

sebagai alat untuk merusak struktur polipropilen sehingga dapat mempermudah dalam proses

cracking katalis. Proses perusakan struktur polimer dalam reaktor plasma merupakan tahapan

pre-treatment sebelum dilakukan proses perengkahan katalitik.

Penentuan waktu charging dalam reaktor plasma dan suhu reaktor konvensional-

katalitik yang optimal diharapkan dapat memperbaiki konversi plastik dan menurunkan

energinya. Kedua aspek tersebut perlu diketahui kondisi optimalnya supaya proses pre-

treatment polimer berjalan dengan maksimum.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah:

1. Mengetahui efek pretreatment plasma terhadap proses perengkahan katalitik untuk

konversi plastik polipropilen menjadi bahan bakar cair.

2. Mengetahui besarnya waktu charging dalam reaktor plasma dan suhu reaktor

konvensional - katalitik yang optimal yang memberikan produktifitas paling baik.



4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Karakteristik Plastik

Plastik merupakan salah satu bahan yang paling umum kita lihat, gunakan, dan

merupakan bahan yang dapat dirubah menjadi bermacam-macam bentuk. Plastik adalah

senyawa polimer yang terbentuk dari polimerisasi molekul- molekul kecil (monomer)

hidrokarbon yang membentuk rantai yang panjang dengan struktur yang kaku. Plastik

merupakan senyawa sintesis dari minyak bumi (terutama hidrokarbon rantai pendek) yang

dibuat dengan reaksi polimerisasi molekul- molekul kecil (monomer) yang sama , sehingga

membentuk rantai panjang dan kaku dan akan menjadi padat setelah temperatur pembentukan

nya. Komponen utama plastik sebelum membentuk polimer adalah monomer, yakni rantai

yang paling pendek. Polimer adalah suatu bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut

monomer, jika monomernya sejenis disebut homopolimer, dan jika monomernya berbeda

akan menghasilkan kopolimer. Plastik memiliki titik didih dan titik beku yang beragam ,

tergantung dari monomer pembentuknya. Monomer yang sering digunakan adalah etena

(C 2 H 4 ), propena(C 3 H 6 ), styrene(C 8 H 8 ), vinil klorida, nylon dan karbonat(CO3 ). Plastik

merupakan senyawa polimer yang penamaan nya sesuai dengan nama monomer nya dan

diberi awalan poli-. Contohnya, Plastik yang terbentuk dari monomer- monomer propena,

namanya adalah polipropilena.

Secara garis besar, plastik dapat dikelompokkan berdasarkan :

1. Perubahan Suhu (Syarief et al., 1989):

Plastik thermoplast, yaitu plastik yang dapat dicetak berulang-ulang dengan adanya

panas. Contoh plastik thermoplast diantaranya : PE, PP, PS, ABS, SAN, nylon, PET,

PC.

Plastik thermoset, yaitu plastik yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak

dapat dicetak kembali karena bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi.

Contoh plastik thermoset diantaranya : PU (Poly Urethene), UF (Urea Formaldehyde),

MF (Melamine Formaldehyde), polyester, epoksi.



5

Keterangan : a = Awal proses

b = Peleburan plastik

c = Plastik padat

2. Jumlah rantai karbonnya :

1-4 Gas (LPG, LNG)

5-11 Cair (bensin)

9-16 Cairan dengan viskositas rendah

16-25 Cairan dengan viskositas tinggi (oli,gemuk) 25-30 Padat (parafin)

1000-3000 Plastik (polistiren,polietilen)

Hampir semua plastik sulit untuk diuraikan. Plastik yang memiliki ikatan karbon

rantai panjang dan memiliki tingkat kestabilan yang tinggi, sama sekali tidak dapat diuraikan

oleh mikroorganisme. Karena itu, sampah plastik harus ditangani dengan baik. Kebanyakan



6

plastik termasuk dalam polimer termoplastik, yaitu polimer yang akan melunak apabila

dipanaskan dan dapat dicetak kembali ataupun didaur ulang.

Plastik mempunyai beberapa karakteristik, diantaranya :

1. Densitas

Plastik mempunyai densitas yang lebih rendah dari logam, sehingga plastik lebih ringan.

Kisaran densitas plastik adalah 0,9 g/cm3 sampai 2,2 g/cm3, dibandingkan dengan logam

yang mempunyai densitas 7,85 g/cm3.

2. Ketahanan dan Kekuatan

Beberapa jenis plastik memiliki resistensi yang tinggi terhadap reaksi kimia dan suhu,

kekuatan, kekakuan, dan tingkat kekerasan yang telah ditingkatkan sehingga menjadi

salah satu bahan yang sangat baik untuk digunakan dalam kemasan makanan ataupun

minuman.

3. Penghantar Listrik

Karena plastik merupakan penghantar listrik yang sangat buruk maka dapat digunakan

sebagai isolator atau penyekat listrik.

4. Penghantar Panas

Plastik digunakan sebagai penghambat panas karena memiliki daya penghantar panas

yang sangat rendah.

5. Daya Benturan

Plastik dapat dibuat keras seperti batu dan kuat seperti baja sehingga dapat digunakan

sebagai pelindung kepala bagi para pekerja bangunan, pekerja tambang, dan pekerja kuli

lainnya.

2.1.1 Polipropilen

Polipropilen adalah polimer dari propilen dan termasuk jenis plastik olefin, dengan

rumus bangun sebagai berikut :

(•CH2• CH •)n•CH3Polipropilen mempunyai nama dagang Bexophane, Dynafilm, Luparen, Escon, Olefane dan

Profax. Polipropilen merupakan polimer kristalin yang dihasilkan dari proses polimerisasi gas

propilena. Propilena mempunyai specific gravity rendah dibandingkan dengan jenis plastik

lain. Polipropilen mempunyai sifat sangat kaku, berat jenis rendah, tahan terhadap bahan

kimia, asam, basa, tahan terhadap panas, dan tidak mudah retak.



7

Tabel 2.1. Perbandinagan specific gravity dari berbagai material plastik.

Tabel 2.2. Temperature Leleh Proses termoplastik

Polipropilen mempunyai titik leleh yang cukup tinggi (190 - 200 oC), sedangkan titik

kristalisasinya antara 130 – 135o C. Polypropylene mempunyai ketahanan terhadap bahan

kimia (hemical Resistance) yang tinggi, tetapi ketahanan pukul (impact strength) nya rendah.

2.2 Konsep Perengkahan

2.2.1 Perengkahan Thermal

Perengkahan thermal merupakan suatu proses perengkahan pada suhu tinggi. Proses

perengkahan thermal bertujuan untuk memecah senyawa menjadi molekul yang lebih kecil

dengan cara pyrolisis atau thermolisis. Perengkahan thermal melibatkan radikal bebas (bukan

ion) dan reaksi rantai radikal bebas. Perengkahan plastik pada suhu tinggi adalah proses

paling sederhana untuk daur ulang plastik. Pada proses ini material polimer atau plastik

dipanaskan pada suhu sekitar 600 – 800 0C (Baggio,P et.al, 2009) dengan dialirkan udara.

Proses pemanasan ini menyebabkan struktur makro molekul dari plastik terurai menjadi



8

molekul yang lebih kecil dan hidrokarbon rantai pendek terbentuk. Produk yang dihasilkan

berupa fraksi gas, fraksi cair dan residu padat yang mengandung parafin,olefin, napthan, dan

aromatis.

2.2.2

Perengkahan katalitik

Perengkahan menggunakan katalis dijalankan pada suhu lebih rendah daripada

perengkahan thermal. Permulaan katalis yang digunakan adalah tanah liat (clay) dan silika

alumina amorpous yang kemudian berkembang ke zeolit.

Perengkahan katalitik merupakan suatu cara untuk menghasilkan bensin dan produk

ringan lain dari minyak bumi. Perbedaan sistem reaksi dipelajari pada skala laboratorium.

Ada tiga tipe reaktor katalitik yang biasa digunakan dalam evaluasi laboratorium pada

perengkahan katalitik. Klasifikasi reaktor tersebut adalah fix bed reaktor, fluidized bedreaktor, dab entrained flow reaktor. Satu dari sistem yang umum digunakan untuk

perengkahan katalitik adalah fixed bed micro-activity test or MAT unit.(corma et al., 1990)

2.3 Konsep katalis

Katalis menurut Richardson diartikan sebagai suatu zat kimia yang dapat menaikkan

laju reaksi dan terlibat didalam reaksi kimia walaupun zat itu sendiri tidak ikut bereaksi secara

permanen. Adapun formulasi yang benar mengenai katalis adalah:

1. Aliran distribusi yang baik dan rendahnya pressure drop. Hal ini dapat dicapai dengan

pemilihan bentuk dan ukuran partiel katalis. Juga perlu diperhatikan mengenai kekuatan

mekanis dari katalis.

2. Aktifitas dan selektifitas yang tinggi: hal ini dilakuan dengan pemilihan komponen

kimia, pemilihan metode preparasi untuk surface area, juga formulasi pellet untuk

penyediaan situs aktif.

3. Kestabilan umur, yaitu ketahanan terhadap deaktifasi berupa sintering, poisoning, dan

fouling.

Kinerja suatu katalis dapat dimisalkan sebagai berikut: suatu reaktan A dan reaktan B

untuk membentuk produk C pada keadaan standar harus memiliki energi tertentu (energi

aktifasi). Penggunaan katalis dapat mencarikan mekanisme lain dimana energi yang

diperlukan lebih rendah.



9

Adapun fungsi katalis adalah :

1. Menyediakan situs aktif, untuk mengontakkan kedua reaktan dengan energi aktivasi

yang lebih rendah.

2. Menyumbangkan tenaga dalam bentuk panas sehingga kontribusi ini memudahkan

molekul reaktan untuk melewati energi aktivasi. Kontribusi panas ini adalah akibat dari

proses difusi dan adsorbsi.

3. Menurunkan temperatur operasi.

4. Mengurangi residu dan hasil samping serta meningkatkan selektivitas dan yield produk.

2.3.1. Zeolit

Zeolit merupakan mineral yang terdiri dari mineral aluminosilikat terhidrasi yang

mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi. Struktur zeolit

terdiri dari unit-unit tetrahedral AlO4 dan SiO4 yang saling berhubungan melalui atom O dan

didalam struktur tersebut Si4+ dapat diganti dengan Al3+ sehingga Zeolit mempunyai rumus

(Szostak, 1989).

M2nO.Al2O3.xSiO2.yH2O

Dimana : M = kation alkali atau alkali tanah

n = valensi logam alkali

x,y = bilangan tertentu

Zeolit secara umum berwarna kebiru-biruan, merupakan mineral berpori,mudahmelakukan pertukaran ion yaitu ion alkalinya dengan ion-ion yang lain, bersifat sebagai

adsorben ataupun penyaring molekul, merupakan kristal yang lunak, variasi berat jenis rata-

rata adalah 2-2,4 dan molekul air yang terkandung mudah dilepaskan dengan pemanasan.

Zeolit terdiri dari 3 komponen yaitu : kation yang dipertukarkan ,kerangka alumino silikat dan

kandungan air.

Komposisi kimia dari tiap zeolit akan mempengaruhi bentuk struktur zeolit,dengan

demikian untuk struktur zeolit yang berbeda akan memiliki struktur yang berbeda. Zeolit

terdiri dari 2 jenis yaitu zeolit alam dan sintetis. Zeolit alam diperoleh dengan penambangan

secara terbuka dan mekanis sehingga kemurniannya lebih rendah dibanding zeolit sintesis.

Zeolit sintesis dapat dikelompokkan menurut perbandingan komponen Si dan Al, yaitu :

a. Zeolit kadar Si rendah

Kadar maksimum Al dalam zeolit dicapai bila perbandingan Si/Al mendekati 1. Contoh

zeolit ini adalah zeolit A dan X



10

b. Zeolit kadar Si sedang

Kadar maksimum Al dalam zeolit dicapai bila perbandingan Si/Al antara lebih dari 1 – 5.

Contoh Zeolit omega dan zeolit Y.

c. Zeolit kadar Si tinggi

Kadar maksimum Al dalam zeolit dicapai bila perbandingan Si/Al mulai dari 10 - 100.

Contoh Zeolit ZSM-5, ZSM-11, ZSM-21.

d. Zeolit Si

Zeolit ini tidak mengandung Al sama sekali atau tidak mempunyai sisi kation. Sifat Zeolit

ini sangat hidrofilik-hidrofobik sehingga dapat memisahkan suatu molekul organik dari

campuran air. Contoh zeolit silika : silikalit

2.3.2 Zeolit YStruktur zeolit Y terdiri dari muatan negatif, kerangka 3 dimensi tetrahedral SiO4 dan

AlO4 yang bergabung membentuk oktahedral terpancung (sodalite). Jika 6 buah sodalite

terhubungkan oleh prisma heksagonal akan membentuk tumpukan tetrahidral. Jenis tumpukan

ini membentuk lubang besar (supercages). Lubang-lubang supercages dapat terbentuk dari 4

kristal tetrahedral yang besar, yang masing-masing mempunyai 12 cincin oksigen. Lubang-

lubang tersebut bila saling bersambung akan membentuk sistem pori-pori yang besar dari

zeolit. Setiap atom alumunium dikoordinat tetrahedral dalam kerangka membawa muatan

negatif. Muatan negatif ini digantikan oleh kation yang berada diposisi kerangka non spesifik

(Szostak, 1989).

2.4. Overview Teknologi Perengkahan Katalitik Untuk Konversi Plastik Menjadi Fuel

Proses perengkahan plastik telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir ini.

Berbagai penelitian tentang proses perengkahan berbahan baku plastik maupun sumber

hidrokarbon lain dilakukan untuk mendapatkan produk yang komposisinya sama atau

mendekati bensin. Dalam tabel 3 disajikan beberapa penelitian proses perengkahan yang telah

dilakukan.



11

Tabel 2.3 Overview Teknologi Perengkahan Katalitik Untuk Konversi Plastik Menjadi Fuel

Keterangan :

XRV : petroleum vacuum residue PET : Poletilen Terephtalat

SC : Samla coal PVC : Polvinilklorida

CL : Calotropis procera PS : Polistiren

PP : Polipropilen LDPE : Low Density Polyethylene

NO. Bahan Baku Kondisi Operasi Yield/Konversi Sumber Referensi

1. XVR:PP:SC:CL1 : 1 : 1 : 1 T = 460

0

C XVR+PP+CL = 87,4%

XVR+PP+SC = 80,8%

Ahmamzzaman,met.al,2008

2. PP T = 500-700 0C Pirolisis = 82 wt%

Katalis (Si/Al) = 94 wt%

Kodera et.al 2006

3. PS T = 400-450 0C HY 2.7Gas = 9,4% ; Cair = 83,3%

HUSY 5.1

Gas = 9,7% ; Cair = 76%

HUSY 6.7

Gas = 11,4% ; Cair = 73,3%

Won Tae et.al, 2005

4. PEPP

PS

T = 420-440 0C Dengan katalis Pt/Al2O3

PP

Cair = 96,7% ; Gas = 2,2% PE

Cair = 84,5% ; Gas = 10,2%

PE+PP(1:1)

Cair = 90,5% ; Gas = 5,6%

PS

Cair = 95,7% ; Gas = 0,6%

Walendziewski,J. 2005

5. isobutyl

isoprene rubber

T = 500-700 0C Katalis ZnO

Cair = 47,61 % ; Gas = 12,74 %

Jan Rasul et,al. 2009

6. PP Power input = 35,2

kV.A

Reaktor plasma nitrogen

Konversi = 96 %

Tang,Lan et,al. 2003

7. Dry Methane T=4000C Reaktor plasma DBD terintegrsi

dengan katalis Ni/Al2O3

Konversi = 95%

Wang,Qi et,al.2009

8. PE T=4000C Katalis MCM-41

Cair = 80% ; Gas= 2,9 %

Gaca,P. et,al. 2008

9. HDPE T=4500C Katalis FCC

Konversi = 90%

Ali,Salmiaton et,al.

2006

10. 21 %wt PE,

24 %wt PP,

37 %wt PS,5 %wt PVC,

6 %wt PET,

7 %wt dan lain-lain

200 – 325 oC Non-pretreatment

Oil: 8,03%

Residu karbon: 4,77%

Pretreatment dengan 0,.2N NaOH

(200–325 oC)Oil: 9,39 % – 9,8 %

Residu karbon: 1,24 % – 2,22 %

Akimoto et al, 2004



12

PE : Polietilen HDPE : High Density Polyethylene

Dari tabel tersebut terlihat bahwa proses perengkahan katalitik menggunakan berbagai

jenis katalis membutuhkan kondisi suhu yang lebih rendah daripada perengkahan termal.

Penggunaan reaktor plasma untuk pretreatment plastik sebelum proses perengkahan katalitik

merupakan metode yang relatif baru sehingga perlu dikembangkan.

2.5 Konsep Dasar Teknologi Plasma

2.5.1 Pengertian Plasma

Plasma dalam teknologi plasma dapat didefinisikan sebagai gas yang terionisasi,

terdiri dari partikel neutron, ion positif, ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat

medan magnetik. Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena

beberapa atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul.

Hasilnya adalah sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi terikat satu sama lain. Untuk

menghilangkan elektron dari atom dibutukakan suatu energi, energi tersebut berasal dari

panas, listrik ataupun cahaya. Partikel-partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga

terbentuklah plasma.

Berdasarkan temperaturnya, plasma dapat dikategorikan menjadi:

1. Plasma termal : Telektron ~ Tgas

Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium)

akibat pemanasan Joule ( Joule heating ).

Contoh: plasma matahari

2. Plasma non-termal: Telektron > Tgas

Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K); T ~ suhu ruang

Contoh: Aurora borealis

Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya: plasma merupakan

teknologi yang ramah lingkungan, murah, mudah, dan merupakan teknologi reaktor plasma

yang dapat digunakan untuk konversi kimia pada temperatur rendah bahkan temperatur

ruangan.



13

2.5.2 Konsep Reaktor Plasma

Teknologi reaktor kimia merupakan disiplin ilmu yang sangat penting dalam teknik proses kimia. Perkembangan teknologi fisika dalam bidang plasma juga mempunyai

kontribusi yang besar untuk memajukan teknologi reaktor kimia. Reaktor plasma ternyata

sangat menjanjikan dari sudut pandang tingkat konversi, energi pemanasan yang rendah, dan

tekanan yang digunakan biasanya pada tekanan atmosferik. Sumber-sumber yang biasa

dipakai dalam reaktor plasma ada beberapa,diantaranya yang biasa dipakai yaitu voltase

listrik,dan korona. Reaktor plasma yang potensial untuk reaksi kimia senyawa organik dan

anorganik diantaranya adalah korona.

Korona biasa diaplikasikan untuk memproduksi ion atau elektron terenergi pada

plasma. Ciri dari ion lebih tergantung pada polaritas discharge dan karakteristik dari

campuran gas, khususnya pada elektron yang berikatan. Energi dari sebuah elektron

dipengaruhi oleh karakterisasi gas dan metode pembangkitan korona. Umumnya, pada

aplikasi penggunaan ion, korona memasuki zona plasma dan menempati pada sebuah fraksi

kecil dari total volum proses. Sehingga saat proses berlangsung, elektron akan banyak

mengisi volume dengan plasma.

Plasma korona ada beberapa tipe, dan yang akan digunakan pada penelitian ini adalah

tipe planar. Korona planar ini terdiri dari lempengan elektroda, ground dan penutup yang

biasa dibuat dari materi dielektrik seperti kaca,kuarsa,atau keramik. Elektroda ditempatkan

pada bagian yang dapat diatur mendekati atau menjauhi groundnya.

2.5.2.1 Prinsip-Prinsip Dasar Reaktor Plasma Tipe Planar

Reaktor plasma tipe planar sangat potensial untuk reaksi-reaksi kimia organik maupun

anorganik karena sifat-sifat non-equilibrium, tenaga input rendah, serta kemampuan

mempengaruhi reaksi kimia dan fisika pada temperatur yang relatif rendah. Plasma tak panas

(non-thermal ) didefinisikan sebagai sebuah fasa/gas yang berisi elektron, atom-atom dan

molekul-molekul tereksitasi, ion, radikal, foton, dan partikel netral dimana elektron-elektron

mempunyai energi yang sangat tinggi dibandingkan dengan partikel gas netral. Plasma ini

disebut juga non-equilibrium plasma karena terdapat perbedaan temperature dan energi

kinetik yang signifikan antara elektron dan partikel netral. Temperatur gas adalah temperatur



14

kamar sedangkan temperature elektron dapat mencapai 104 – 105 K dalam ruang discharge.

Pemecahan gas (gas breakdown) menghasilkan elektron-elektron yang terpercepatkan oleh

medan listrik membentuk plasma. Discas elektrik dapat dihasilkan dengan beberapa cara

tergantung kepada jenis voltase dan spesifikasi reaktor yang digunakan.

Dalam reaktor plasma elektron berenergi tinggi bertumbukan dengan molekul-molekul

gas menghasilkan eksitasi, ionisasi, pelipatgandaan elektron, dan pembentukan atom-atom

dan senyawa metastabil. Jika medan listrik di dalam zona discas adalah cukup untuk

memecahkan ikatan kimia gas maka akan terlihat discas mikro-discas mikro dalam jumlah

yang banyak. Selanjutnya atom-atom aktif dan senyawa metastabil akan bertumbukan dengan

molekul-molekul sehingga akan terjadi reaksi kimia. Tumbukan antara elektron- elektron

berenergi tinggi dengan molekul-molekul gas menghasilkan eksitasi, disosiasi, atau ionisasi

tanpa menyebabkan pemanasan terhadap gas, sehingga temperature bulk gas tidak berkeseimbangan dengan elektron dan selalu rendah .

Konfigurasi dasar reaktor plasma tipe planar dapat dilihat di Gambar 3, sedangkan

karakteristik- karakteristik discas non-thermal dapat dilihat di Tabel 4.

Gambar 2.3. Prinsip-prinsip dasar reaktor plasma Corona planar

Ketebalan dan besarnya konstanta elektrikal menentukan jumlah arus listrik yang

dapat dilewatkan melalui elektrikal. Dalam beberapa aplikasi, elektrikal tersebut membatasi

densitas arus rata-rata di dalam ruang gas. elektrikal tersebut mendistribusikan discas mikro

ke seluruh permukaan elektroda disamping untuk menjamin tidak ada spark atau arc di dalam

ruang discas. Salah satu keuntungan plasma reaktor tipe planar adalah bahwa energi rata-rata

elektron dapat diatur dengan mengubah jarak antar elektroda.



15

Tabel 2.4. Karakteristik-karakteristik non-thermal discharge

2.5.2.2 Efek-Efek yang Berpengaruh dalam Reaktor Plasma Planar

Hal-hal yang berpengaruh pada Reaktor Plasma Planar yaitu:

1.Sifat material Dielektrik

Material dielektrik bisa terbuat dari kaca, kuarsa, keramik. Pemilihan material tersebut

disesuaikan dengan bahan baku yang digunakan.

2.Power Discharge

Sumber power yang biasa digunakan pada raktor plasma dapat berupa arus AC , DC,

Microwave, atau getaran.

3.Voltase yang digunakan

Reaksi kimia terjadi secara instan ketika voltase tinggi digunakan. Penggunaan tinggi

rendahnya voltase disesuaikan dengan maksud dan tujuan reaksi.

4.Waktu charging

Waktu charging merupakan lama waktu reaktor plasma diberi tegangan listrik.

2.5.3 Konsep Reaktor Plasma dalam Proses Perengkahan Plastik Menjadi Bahan Bakar

Cair

Plasma pyrolisis merupakan teknologi yang baru. Teknologi ini memiliki beberapa

keuntungan, diantaranya operasi penggunaannya mempunyai rentang suhu yang besar, dan

konversi hasil lebih tinggi dari cracking konvensional. Konsep dasar reaktor plasma

merupakan penggunaan elektron berenergi tinggi yang dihasilkannya. Elektron berenergi



16

tinggi ditumbukkan dengan molekul dalam gas, sehingga menghasilkan ion yang tereksitasi,

ion bebas, elektron multiplikasi, pembentukan atom dan komponen metastabil. Ketika bidang

elektrik dalam gap discharge cukup tinggi sehingga menyebabkan penguraian molekul-

molekul gas, yang bila diamati bahwa atom aktif dan komponen metastabil bertubrukan

dengan molekul-molekul sehingga reaksi perengkahan itu terjadi.

2.6. Pemodelan dan Optimalisasi dengan Metode Response Surface Methodology

(RSM)

Metodologi Respon Surface merupakan Penggabungan teknik matematika dan

statistika yg berguna untuk pemodelan dan analisis problem yang mana respon yang diamati

dipengaruhi oleh beberapa variabel dan bertujuan untuk mengoptimalkan respon ini. Respon :

Parameter terukur atau karakteristik kualitas.

Untuk merancang jumlah run percobaan total digunakan persamaan sebagai berukut :

Σ R = 2k + 2k + n o

Dimana : k = jumlah variavel bebas

no = jumlah percobaan yang diulangi pada titik pusat/tengah.

(di dalam kasus ini harga no=2)

Suku 2k : untuk faktorial/variabel

2k : pada sumbu aksial dr faktor/variabel (pd sumbu x,y,z)

Persamaan polynomial sebagai berikut.

Yu=βo + Σ βi xui + Σ βii x 2ui + ΣΣ βij xui xuj + ε

xi = [ Xi-(Xit+Xib)/2 ] i=1,2,3...... k

[(Xit-Xib)/2]

Dimana :

Yu = respon yang diprediksi ke u , u : 1, 2, 3, …….., n

βo = suku ke 0 (rata-rata)

βi : suku linier , βii: suku kuadrat, βij :suku interaksi,

xi : bilangan tdk berdimensi dari sebuah variabel bebas

Xi : harga nyata dari sebuah variabel bebas



17

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Konsep Dasar Penyelesaian Masalah

Adapun tahapan penyelesaian masalah dalam penelitian ini dapat dibuatkan alur

sebagai berikut:

Analisa Permasalahan:

‐ Waktu charging optimal pada reaktor plasma

‐ Suhu optimum pada proses perengkahan katalitik

Hipotesis:

- penggunaan teknologi plasma dalam proses perengkahan

katalitik, dapat menurunkan konsumsi energi proses

Penelitian (pengumpulan,

analisa, dan interpretasi data)Identifiasi variabel bebas

dan variabel bergantung

Identifikasi respon

variabel

Permasalahan:

‐ Efek teknologi plasma pada proses perengkahan katalitik

‐ Pengaruh waktu charging pada saat pretreatment polipropilen dalam reaktor plasma

terhadap produktifitas akhir

‐ Pengaruh suhu reaktor konvensional katalitik terhadap produktifitas akhir

‐ Jumlah yield bahan bakar cair yang didapatkan

Penelitian yang pernah dilakukan

Studi Literatur Diskusi dengan Pakar

Laporan Skripsi

Luaran Penelitian

Makalah jurnal



18

Gambar 3.1. Gambar kerangka pemecahan masalah

3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian

3.2.1. Bahan yang digunakan

Penelitian ini menggunakan plastik jenis polipropilen sebagai bahan yang akan

dilakukan perengkahan katalitik dengan pretreatment pada reaktor plasma, sedangkan

katalis yang digunakan adalah katalis bekas jenis Zeolit HY.

3.2.2. Gambar bahan yang digunakan

Gambar 3.2. Plastik bekas jenis propilen

3.2.3. Peralatan yang digunakan

Dalam penelitian ini digunakan reaktor plasma corona jenis planar dengan dimensi,

panjang 30 cm, lebar 15 cm, dan tinggi 10 cm. Di dalamnya diletakkan sebuah ground

diam atau stator (5) dan ground yang dapat digerakan (6), untuk membantu pergerakan

ground maka dipasang secrup pada sudut-sudut atasnya.

Reaktor konvensional yang digunakan adalah jenis stainless tube reactor (6)

berukuran panjang 50 cm dengan diameter 3 cm sedangkan di dalamnya diletakkan

crucible sebagai penyangga sampel. Setelah itu, reaktor tersebut dimasukkan dalam

furnace electric yang telah dilengkapi dengan klem, statif, serta pengontrol suhu

(temperature control ).

Di ujung atas reaktor dihubungkan dengan selang tahan panas (2) dimana gas hasil

reaksi nanti akan dialirkan menuju pendingin liebig (3) untuk dikondensasikan. Air pada

pendingin liebig berasal dari waterbath yang airnya dipompakan melalui selang silikon

menuju pendingin liebig. Setelah itu, gas yang dapat terkondensasi ditampung dalam



19

65

7

erlenmeyer vacuum (4) dalam bentuk cairan sedangkan gas yang lolos akan dialirkan

menuju gas sampling bag. Cairan dan gas hasil reaksi akan dianalisa dengan GC-MS (GC-

Mass Spectrometer )

3.2.4 Gambar Rangkaian Alat

Gambar 3.3. Peralatan perengkahan katalitik

Gas

N2

V-3



20

Gambar 3.4. Peralatan reaktor corona plasma

3.5. Reaktor plasma corona planar

Dari gambar alat di atas, secara garis besar dapat digolongkan menjadi 2 bagian,

yaitu gambar rangkaian peralatan reaktor konvensional dan reaktor plasma. Secara

berturut-turut, gambar rangkaian alat tersebut terdiri dari frame penyangga, selang tahan

panas, erlenmeyer, pendingin (water bath), f urnace electric, stainless tube reactor ,

pengatur suhu, reaktor plasma, ground elektrode, dan high voltage electrode.

3.3. Prosedur Penelitian

3.3.1. Penanganan Katalis

Katalis yang akan digunakan diberi penanganan terlebih dahulu (regenerasi) agar

nilai fungsi dari katalis dapat naik. Regenerasi katalis dilakukan dengan drying, kalsinasi

dan crushing. Hal ini bertujuan untuk menghilangkan air dan sisa-sisa karbon (Coke) yang

terperangkap dalam pori-pori katalis.

3.3.2. Perengkahan Katalitik Plastik

Proses pengkonversian limbah plastik polipropilen menjadi bahan bakar cair dengan

reaktor terintegrasi plasma - katalitik melibatkan beberapa tahapan proses dari penyiapan



21

bahan dan alat, hingga dihasilkan tiga jenis produk yaitu cair, gas, dan residu. Produk cair

dan gas tersebut akan dianalisa dengan menggunakan GC-MS dan digunakan metode RSM

dalam analisa datanya.

Plastik yang akan digunakan menjadi bahan percobaan dilakukan pre-treatmen

dalam reaktor plasma dengan perbedaan perlakuan waktu charging, yaitu pada rentang

waktu 10-30 menit . Hal ini diharapkan supaya plastik terdegradasi awal, sehingga

memudahkan dalam proses perengkahan katalitik. Reaksi perengkahan katalitik dalam

reaktor katalitik fixed bed konvensional dilakukan pada range suhu antara 325-475 0C.

Suhu yang dijadikan variabel merupakan suhu dinding dari reaktor katalitik konvensional.

Secara garis besar proses tersebut dapat digambarkan dengan skema berikut :

Gambar 3.6. Prosedur percobaan

Adapun detail urutan prosedur percobaan sesuai skema di atas dapat dijabarkan

sebagai berikut. Mula-mula menyiapkan alat dan bahan yang akan dipergunakan.

Kemudian merangkai reaktor terintegrasi plasma - katalitik sesuai dengan gambar

rangkaian alat dimana lama waktu charging reaktor plasma dan penetapan suhu reaktor

Penyiapan bahan dan alat

Pre-treatment plastik dalam reaktor plasma

Proses catalytic cracking dalam reactor fixed

Produk gas Residu Produk cair

- Model empiris: ANOVA ( Analysis of Variance)

- Kondisi operasi optimal:

Waktu Charging

Reaktor Plasma (menit)

Suhu Reaktor Katalitik (Celcius)

Gas Chromatography Mass

Spectrometer( GC-MS)

Optimasi dengan RSM ( Response

Surface Methodology)



22

katalitik merupakan variabel berubah yang digunakan. Selanjutnya adalah memasukkan

plastik yang telah dipotong kecil-kecil pada ruang antara elektroda dan ground untuk

selanjutnya dilakukan proses pre-treatment plastik dalam reaktor plasma. Plastik yang

telah dikenai tahapan pre-treatment dalam reaktor plasma, kemudian digunakan sebagai

sampel untuk proses perangkahan katalitik dalam reaktor fixed bed konvensional.

Langkah selanjutnya meregenerasi katalis bekas sebelum dipakai dengan cara

mengeringkan (drying) pada suhu 110oC selama ± 24 jam (overnight) di dalam oven.

Setelah itu baru dilanjutkan dengan kalsinasi katalis pada suhu 550oC di dalam furnace

selama 3 jam dan proses penghancuran (crushing ).

Kemudian merangkai peralatan yang digunakan untuk proses perengkahan katalitik.

Peralatan disusun sesuai dengan gambar rangkaian alat dimana reaktor dimasukkan dalam

furnace electric yang dilengkapi dengan alat pengontrol suhu. Ujung bagian atas reaktor

dihubungkan dengan selang tahan panas untuk mengalirkan uap ke dalam pendingin, dan

dari pendingin dihubungkan ke erlenmeyer vakum sebagai penampung cairan. Ujung

bagian atas dan bawah reaktor diberi glasswool secukupnya. Kemudian bahan baku

dimasukkan ke dalam reaktor dengan susunan sebagai berikut : katalis di bagian bawah

reaktor, raw material (plastik PP), katalis di bagian atasnya.

Setelah tercapai suhu dan waktu reaksi optimal akan didapatkan 2 produk. Produk

yang keluar berupa gas, setelah dikondensasikan akan berupa cairan yang kemudian

ditampung dalam erlenmeyer vakum, diukur volumenya dan ditimbang beratnya. Produk

gas yang tidak terkondensasi akan disalurkan ke gas sampling bag . Sedangkan padatannya

yang merupakan sisa reaktan ditimbang. Selanjutnya produk cairan dan gas dianalisa

menggunakan GC-MS (GC-Mass Spectrometer)

3.4. Analisis Hasil dan Karakteristik Produk

Analisis hasil dari proses perengkahan yang berupa produk cair dan gas dilakukan

dengan menggunakan Gas Chromatography Mass Spectrofotometry (GC-MS). Analisis ini

untuk mengetahui komposisi dari produk perengkahan yang didapat.

3.5. Desain Eksperiment

3.5.1. Variabel Tetap



23

Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini adalah perbandingan massa

plastik PP dengan massa katalis, besar tegangan yang digunakan pada reaktor plasma.

Perbandingan massa plastik dengan katalis yang akan dipakai adalah 1:2, tegangan dipakai

9 kV, suhu kalsinasi dilakukan pada 550 0C, sedangkan tekanan pada keadaan atmosferik.

3.5.2. Variabel Bebas

Variabel bebas yang digunakan pada penelitian ini adalah waktu charging reaktor

plasma dan suhu reaktor katalitik konvensional. Variabel bebas waktu charging dipilih

pada rentang waktu antara 10 - 30 menit, karena diharapkan dengan rentang waktu

charging tersebut telah dapat mendegradasi awal plastik PP. Kemudian pengaturan suhu

reaktor katalitik adalah pada range 325-475 0C, karena bila hanya dengan katalis perolehan

pyrolisis pada suhu sekitar 450 0C,maka diharapkan dengan integrasi reaktor plasma dapat

menurunkan suhu pyrolisis.

3.5.3. Rancangan Percobaan dan Optimasi Response Surface Methodology (RSM)

RSM ( Response Surface Methodology) adalah suatu metode statistik untuk

perancangan percobaan, pemodelan matematik, optimasi dan analisis statistik dalam

penelitian. Dengan menggunakan RSM, sebuah persamaan polinomial kuadratik

dikembangkan untuk memperkirakan hasil percobaan sebagai fungsi dari interaksi antara

variabel bebas. Koefisien dari model empirik diestimasi dengan menggunakan teknik

analisa regresi multiarah yang ada dalam RSM. Secara umum persamaan empirik yang

akan digunakan adalah:

ji

jiij

j

j jj

j

j j X X X X Y 2

1

22

1

0

dimana Y = hasil yang diperkirakan, β 0 = koefisien intercept, β j = koefisien linier X j , β jj=

koefisien kuadrat X j , β i j = koefisien interaksi, X i dan X j = variabel bebas.

Adapun rentang variabel bebas dan levelnya ditunjukan di Tabel 3.1, sedangkan

rancangan percobaan berdasarkan metode Central Composite Design ditunjukan pada

Tabel 3.1.



24

Tabel 3.1. Rentang dan level variabel bebas di dalam reaktor plasma

Variabel Bebas

Range and Levels

Low level

(-1)

Center level

(0)

High level

(+1)

Waktu Charging (menit) 6 10 25 30 34

Suhu reaktor katalitik (0C) 294 325 400 475 506

Kurva tiga dimensi (Three dimensional response surface and Contour plot )

digunakan untuk menguji kebenaran pengaruh variabel percobaan pada hasil yang

diperoleh. Koefisien-koefisien pada model empirik diestimasi dengan menggunakan

analisis regresi multiarah. Kesesuaian model empirik dengan data eksperimen dapat

ditentukan dari koefisien determinasi (R 2). Untuk menguji signifikan atau tidaknya model

empirik yang hasilkan digunakan ANOVA ( Analysis of Variance).



25

BAB IV

HASIL YANG DIHARAPKAN

4.1. Rancangan Hasil Penelitian

Rancangan hasil penelitian yang meliputi run percobaan, variabel bebas, dan variabel

bergantung dapat dilihat pada tabel 4.1 berikut ini:

Tabel 4.1 Rancangan Hasil Penelitian

RUN

Variabel Bebas Variabel Bergantung

Waktu

Charging

Reaktor

Plasma, X1 (menit)

Suhu Reaktor

Konvensional

katalitik, X2

(Celcius)

Yield produk

cair, Y1 ( % )

Yield residu,

Y2 ( % )

Yield produk gas,

Y3( % )

1. 10 325 .... .... ....

2. 10 475 .... .... ....

3. 30 325 .... .... ....

4. 30 475 .... .... ....

5. 6 400 .... .... ....6. 34 400 .... .... ....

7. 20 294 .... .... ....8. 20 506 .... .... ....

9. 20 400 .... .... ....

10. 20 400 .... .... ....

Keterangan Parameter Operasi:

Tekanan = 1 atmosfer Rasio berat sampel/katalis = 1:2

Suhu Kalsinasi = 550 0C Tegangan Listrik = 9 kV

4.2. Rancangan Representasi Hasil Penelitian

Rancangan representasi hasil penelitian merupakan gambaran analisa dari hasil

penelitian yang dilakukan. Reprentasi hasil penelitian ini meliputi optimasi produk

hidrokarbon cair, karakterisasi produk hidrokarbon cair, optimasi produk gas, dan minimasi

produk padat (residu) yang ditunjukkan pada tabel berikut ini:



26

4.2.1. Optimasi Produk Hidrokarbon Cair

Tabel 4.2 Optimasi Produk Hidrokarbon Cair

Sumber variasi SS df MS F-value

SS regresi .... .... .... ....

SS error .... .... .... ....

SS total .... .... .... ....

R 2 .... .... .... ....

4.2.2. Karakterisasi Produk Hidrokarbon Cair

Tabel 4.3 Identifikasi dan komposisi produk cair dengan GC-MS

Peak Retention time(menit)

Senyawa Komposisi (%)

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

4.2.3. Optimasi Produk Gas

Tabel 4.4 Optimasi Produk Hidrokarbon Gas


SS regresi .... .... .... ....

SS error .... .... .... ....

SS total .... .... .... ....

R 2 .... .... .... ....

4.2.4. Minimasi Produk Padat (residu)

Tabel 4.5 Minimasi Produk Padat (residu)

Sumber variasi SS Df MS F-value

SS regresi .... .... .... ....

SS error .... .... .... ....

SS total .... .... .... ....

R 2 .... .... .... ....



27

BAB V

KESIMPULAN

Dari proposal penelitian yang telah dibuat dapat ditarik kesimpulan seperti berikut:

1. Proses pre-treatment pilopropilen di dalam reaktor plasma diharapkan dapat

mendegradasi awal struktur polipropilen sehingga dapat mempermudah proses

perengkahan katalitik.

2. Besarnya waktu charging pada reaktor plasma dan suhu reaktor konvensional katalitik

perlu dioptikasi agar memberikan produktifitas palig baik.



PROPOSAL PENELITIAN

EFEK SUHU DAN WAKTU CHARGING TERHADAP KINERJA REAKTOR

TERINTEGRASI PLASMA – KATALITIK UNTUK KONVERSI LIMBAH PLASTIK

POLIPROPILEN (PP) MENJADI BAHAN BAKAR CAIR

Disusun Oleh:

Muhammad Khoirul Anam L2C309034

Vidarti Dyah Atikayanti L2C309037



SEMARANG

2010



BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sekitar 80% konsumsi energi dunia diambil dari batu bara, minyak, dan gas alam. Dari

ketiganya, minyak berkontribusi paling besar ( 35% dari minyak, 23% dari batu bara, dan

21% dari gas)( Morten Bjǿrgen et al, 2008). Seperti yang diketahui bahwa konsumsi bahan

bakar dari tahun ketahun makin meningkat, sementara cadangan bahan bakar fosil yang ada

terbatas jumlahnya. Hal ini mendorong manusia untuk mencari bahan bakar alternatif.

Penelitian yang sekarang telah dilakukan untuk bahan bakar kebanyakan dari sumber alam

hayati dimana jika explorasi terlalu banyak akan menimbulkan ketidakseimbangan pada rantaimakanan. Tentu tidaklah mudah membuat suatu terobosan yang sempurna dalam

menghasilkan bahan bakar. Supaya keseimbangan pangan nasional maupun dunia tidak

terganggu, penelitian pada dekade ini lebih banyak menitik beratkan pada pengkonversian

bahan yang tidak bermanfaat untuk dikonversi menjadi produk yang bermanfaat.

Bahan yang tidak bermanfaat biasa disebut sampah. Sampah yang memungkinkan untuk

dikonversi menjadi bahan bakar diantaranya adalah plastik. Plastik merupakan material yang

baru secara luas dikembangkan dan digunakan sejak abad ke-20 yang berkembang secara luar

biasa penggunaannya dari hanya beberapa ratus ton pada tahun 1930-an, menjadi 150 juta

ton/tahun pada tahun 1990-an dan 220 juta ton/tahun pada tahun 2005. Saat ini penggunaan

material plastik di negara-negara Eropa Barat mencapai 60kg/orang/tahun, di Amerika Serikat

mencapai 80kg/orang/tahun, di India hanya 2kg/orang/tahun (Richardson, 2008). Penggunaan

plastik yang cukup tinggi juga menyebabkan persoalan tersendiri, mengingat sifat plastik

yang tidak mudah terdegradasi. Menurut data dari KLH (Kementerian Lingkungan Hidup)

volume timbunan sampah di 194 kabupaten dan kota di Indonesia mencapai 666 juta liter atau

setara 42 juta kilogram, dimana komposisi sampah plastik mencapai 14 persen atau 6 juta ton

(Junaedy, 2009). Dengan semakin meningkatnya penggunaan plastik dan tidak dapat

terdegradasinya secara alami, maka keberadaanya menjadi masalah lingkungan. Salah satu

jenis sampah plastik yang tidak mudah terdegradasi adalah kemasan minuman terutama cup

air mineral yang merupakan jenis plastik polipropilen (PP).

Metode konvensional yang biasa digunakan untuk pendegradasian plastik adalah

thermal cracking. Namun metode ini mempunyai kelemahan yaitu membutuhkan suhu operasi

yang relativ tinggi dan energi yang digunakan besar, sehingga diperlukan biaya operasi yang



relativ mahal. Untuk mengatasi kelemahan dari proses thermal cracking maka dapat

digunakan penambahan katalis untuk penurunan suhu operasi (Manos et al, 2002). Dari proses

tersebut akan dihasilkan suatu bahan bernilai jual tinggi yang berupa bahan bakar cair dan

gas.

Pada beberapa penelitian terdahulu, dijelaskan proses perengkahan dengan

menggunakan bantuan katalis. Pinto et al (1999) memaparkan proses perengkahan katalitik

dengan menggunakan katalis Fe2O3 yang menghasilkan konversi mencapai 90% dengan suhu

operasi 415o C dan kisaran waktu 20 menit. Palafox et al (2001) masih menggunakan cara

konvensional tanpa katalis memerlukan suhu mencapai 500-700 o C. Karagoz et al (2002)

menggunakan katalis Co-Ac, DHC-8, dan HZSM-5 untuk menghasilkan yield produk pada

kisaran 95-98%, dengan suhu operasi 425, 435, 450oC dan waktu 2 jam . Park et al (2003)

menggunakan katalis BaO untuk mengasilkan yield produk 73,2%, dengan suhu operasi350oC. DP Serrano et al (2005) menggunakan katalis HZSM-5 untuk menghasilkan yield

produk 80% dengan suhu operasi 340o C dan waktu 2 jam. Dari beberapa penelitian tersebut

dapat diketahui bahwa konsumsi energi yang dibutuhkan untuk proses konvensional -

perengkahan katalitik polimer, adalah cukup besar. Hal ini dapat dilihat dari suhu operasi

yang relatif tinggi. Oleh sebab itu, dibutuhkan suatu teknologi alternatif pendukung untuk

memperbaikinya. Teknologi plasma diharapkan dapat menyelesaikan masalah tersebut.

Plasma terbentuk ketika suatu gas yang tidak bermuatan listrik diberi energi yang cukup

dari sumber listrik sehingga menjadi bermuatan dan bersifat radikal. Sumber elektron bebas

pada umumnya berupa elektroda bertegangan tinggi. Hal tersebut menimbulkan benturan

antara elektron dan molekul gas yang menghasilkan suatu keadaan metastabil dan ion yang

terenergi. Treatment polimer dengan teknologi plasma, menyebabkan perubahan struktur dan

sifat kimia dari lapisan polimer (Shikova et al, 2004) sehingga polimer lebih mudah terurai.

Keadaan seperti inilah yang kemudian dimanfaatkan lebih lanjut dalam proses perengkahan

katalitk. Efek waktu charging didalam reaktor plasma dan suhu reaktor konvensional-katalitik

terhadap kinerja reaktor terintegrasi plasma-katalitik belum pernah diteliti oleh peneliti

sebelumnya untuk konversi polipropilen menjadi bahan bakar cair.

Penelitian ini akan berfokus pada kajian reaktor plasma terintegrasi yang khusus

digunakan untuk perlakuan terhadap polipropilen sebelum dilakukan tahapan perengkahan

katalitik. Beberapa variabel yang akan dipelajari adalah pengaruh suhu reaktor konvensional

katalitik dan waktu charging reaktor plasma terhadap kinerja proses perengkahan katalitik

untuk konversi limbah plastik polipropilen (PP) menjadi bahan bakar cair.



1.2. Perumusan Masalah

Pengonversian polipropilen menjadi bahan bakar cair dan gas dapat dilakukan dengan

menggunakan proses perengkahan katalitik. Di dalam proses perengkahan katalitik, rantai

polipropilen yang panjang dapat mengalami pemutusan menjadi rantai pendek yang

mengakibatkan polimer tersebut mudah terurai. Reaktor plasma diharapkan dapat digunakan

sebagai alat untuk merusak struktur polipropilen sehingga dapat mempermudah dalam proses

cracking katalis. Proses perusakan struktur polimer dalam reaktor plasma merupakan tahapan

pre-treatment sebelum dilakukan proses perengkahan katalitik.

Penentuan waktu charging dalam reaktor plasma dan suhu reaktor konvensional-

katalitik yang optimal diharapkan dapat memperbaiki konversi plastik dan menurunkan

energinya. Kedua aspek tersebut perlu diketahui kondisi optimalnya supaya proses pre-

treatment polimer berjalan dengan maksimum.

1.3. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah:

1.

Mengetahui efek pretreatment plasma terhadap proses perengkahan katalitik untuk

konversi plastik polipropilen menjadi bahan bakar cair.

2.

Mengetahui besarnya waktu charging dalam reaktor plasma dan suhu reaktor

konvensional - katalitik yang optimal yang memberikan produktifitas paling baik.



BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Karakteristik Plastik

Plastik merupakan salah satu bahan yang paling umum kita lihat, gunakan, dan

merupakan bahan yang dapat dirubah menjadi bermacam-macam bentuk. Plastik adalah senyawa

polimer yang terbentuk dari polimerisasi molekul- molekul kecil (monomer) hidrokarbon yang

membentuk rantai yang panjang dengan struktur yang kaku. Plastik merupakan senyawa sintesis

dari minyak bumi (terutama hidrokarbon rantai pendek) yang dibuat dengan reaksi polimerisasi

molekul- molekul kecil (monomer) yang sama , sehingga membentuk rantai panjang dan kakudan akan menjadi padat setelah temperatur pembentukan nya. Komponen utama plastik sebelum

membentuk polimer adalah monomer, yakni rantai yang paling pendek. Polimer adalah suatu

bahan yang terdiri dari unit molekul yang disebut monomer, jika monomernya sejenis disebut

homopolimer, dan jika monomernya berbeda akan menghasilkan kopolimer. Plastik memiliki

titik didih dan titik beku yang beragam , tergantung dari monomer pembentuknya. Monomer

yang sering digunakan adalah etena (C 2 H 4), propena(C 3 H 6 ), styrene(C 8 H 8 ), vinil klorida, nylon

dan karbonat(CO3). Plastik merupakan senyawa polimer yang penamaan nya sesuai dengan

nama monomer nya dan diberi awalan poli-. Contohnya, Plastik yang terbentuk dari monomer-

monomer propena, namanya adalah polipropilena.

Secara garis besar, plastik dapat dikelompokkan berdasarkan :

1. Perubahan Suhu (Syarief et al., 1989):

Plastik thermoplast, yaitu plastik yang dapat dicetak berulang-ulang dengan adanya

panas. Contoh plastik thermoplast diantaranya : PE, PP, PS, ABS, SAN, nylon, PET, PC.

Plastik thermoset, yaitu plastik yang apabila telah mengalami kondisi tertentu tidak dapat

dicetak kembali karena bangun polimernya berbentuk jaringan tiga dimensi. Contoh

plastik thermoset diantaranya : PU (Poly Urethene), UF (Urea Formaldehyde), MF

(Melamine Formaldehyde), polyester, epoksi.



Keterangan : a = Awal proses

b = Peleburan plastik

c = Plastik padat

2. Jumlah rantai karbonnya :

1-4 Gas (LPG, LNG)

5-11 Cair (bensin)

9-16 Cairan dengan viskositas rendah

16-25 Cairan dengan viskositas tinggi (oli,gemuk)

25-30 Padat (parafin)

1000-3000 Plastik (polistiren,polietilen)



Hampir semua plastik sulit untuk diuraikan. Plastik yang memiliki ikatan karbon rantai

panjang dan memiliki tingkat kestabilan yang tinggi, sama sekali tidak dapat diuraikan oleh

mikroorganisme. Karena itu, sampah plastik harus ditangani dengan baik. Kebanyakan plastik

termasuk dalam polimer termoplastik, yaitu polimer yang akan melunak apabila dipanaskan dan

dapat dicetak kembali ataupun didaur ulang.

Plastik mempunyai beberapa karakteristik, diantaranya :

1. Densitas

Plastik mempunyai densitas yang lebih rendah dari logam, sehingga plastik lebih ringan.

Kisaran densitas plastik adalah 0,9 g/cm3 sampai 2,2 g/cm3, dibandingkan dengan logam

yang mempunyai densitas 7,85 g/cm3.

2. Ketahanan dan Kekuatan

Beberapa jenis plastik memiliki resistensi yang tinggi terhadap reaksi kimia dan suhu,

kekuatan, kekakuan, dan tingkat kekerasan yang telah ditingkatkan sehingga menjadi salah

satu bahan yang sangat baik untuk digunakan dalam kemasan makanan ataupun minuman.

3. Penghantar Listrik

Karena plastik merupakan penghantar listrik yang sangat buruk maka dapat digunakan

sebagai isolator atau penyekat listrik.

4. Penghantar Panas

Plastik digunakan sebagai penghambat panas karena memiliki daya penghantar panas yang

sangat rendah.

5. Daya Benturan

Plastik dapat dibuat keras seperti batu dan kuat seperti baja sehingga dapat digunakan

sebagai pelindung kepala bagi para pekerja bangunan, pekerja tambang, dan pekerja kuli

lainnya.

2.1.1 Polipropilen

Polipropilen adalah polimer dari propilen dan termasuk jenis plastik olefin, dengan rumus

bangun sebagai berikut :

(•CH2• CH •)n•CH3



Polipropilen mempunyai nama dagang Bexophane, Dynafilm, Luparen, Escon, Olefane dan

Profax. Polipropilen merupakan polimer kristalin yang dihasilkan dari proses polimerisasi gas

propilena. Propilena mempunyai specific gravity rendah dibandingkan dengan jenis plastik lain.

Polipropilen mempunyai sifat sangat kaku, berat jenis rendah, tahan terhadap bahan kimia, asam,

basa, tahan terhadap panas, dan tidak mudah retak.

Tabel 1. Perbandinagan specific gravity dari berbagai material plastik.

Tabel 2. Temperature Leleh Proses termoplastik

Polipropilen mempunyai titik leleh yang cukup tinggi (190 - 200 oC), sedangkan titik

kristalisasinya antara 130 – 135o C. Polypropylene mempunyai ketahanan terhadap bahan kimia

(hemical Resistance) yang tinggi, tetapi ketahanan pukul (impact strength) nya rendah.



2.2 Konsep Perengkahan

2.2.1 Perengkahan Thermal

Perengkahan thermal merupakan suatu proses perengkahan pada suhu tinggi. Proses

perengkahan thermal bertujuan untuk memecah senyawa menjadi molekul yang lebih kecildengan cara pyrolisis atau thermolisis. Perengkahan thermal melibatkan radikal bebas (bukan

ion) dan reaksi rantai radikal bebas. Perengkahan plastik pada suhu tinggi adalah proses paling

sederhana untuk daur ulang plastik. Pada proses ini material polimer atau plastik dipanaskan

pada suhu sekitar 600 – 800 0C (Baggio,P et.al, 2009) dengan dialirkan udara. Proses pemanasan

ini menyebabkan struktur makro molekul dari plastik terurai menjadi molekul yang lebih kecil

dan hidrokarbon rantai pendek terbentuk. Produk yang dihasilkan berupa fraksi gas, fraksi cair

dan residu padat yang mengandung parafin,olefin, napthan, dan aromatis.

2.2.2 Perengkahan katalitik

Perengkahan menggunakan katalis dijalankan pada suhu lebih rendah daripada

perengkahan thermal. Permulaan katalis yang digunakan adalah tanah liat (clay) dan silika

alumina amorpous yang kemudian berkembang ke zeolit.

Perengkahan katalitik merupakan suatu cara untuk menghasilkan bensin dan produk

ringan lain dari minyak bumi. Perbedaan sistem reaksi dipelajari pada skala laboratorium. Ada

tiga tipe reaktor katalitik yang biasa digunakan dalam evaluasi laboratorium pada perengkahankatalitik. Klasifikasi reaktor tersebut adalah fix bed reaktor, fluidized bed reaktor, dab entrained

flow reaktor. Satu dari sistem yang umum digunakan untuk perengkahan katalitik adalah fixed

bed micro-activity test or MAT unit.(corma et al., 1990)

2.3 Konsep katalis

Katalis menurut Richardson diartikan sebagai suatu zat kimia yang dapat menaikkan laju

reaksi dan terlibat didalam reaksi kimia walaupun zat itu sendiri tidak ikut bereaksi secara

permanen. Adapun formulasi yang benar mengenai katalis adalah:

1. Aliran distribusi yang baik dan rendahnya pressure drop. Hal ini dapat dicapai dengan

pemilihan bentuk dan ukuran partiel katalis. Juga perlu diperhatikan mengenai kekuatan

mekanis dari katalis.



2. Aktifitas dan selektifitas yang tinggi: hal ini dilakuan dengan pemilihan komponen kimia,

pemilihan metode preparasi untuk surface area, juga formulasi pellet untuk penyediaan situs

aktif.

3. Kestabilan umur, yaitu ketahanan terhadap deaktifasi berupa sintering, poisoning, dan

fouling.

Kinerja suatu katalis dapat dimisalkan sebagai berikut: suatu reaktan A dan reaktan B

untuk membentuk prtoduk C pada keadaan standar harus memiliki energi tertentu (energi

aktifasi). Penggunaan katalis dapat mencarikan mekanisme lain dimana energi yang diperlukan

lebih rendah.

Adapun fungsi katalis adalah :

1. Menyediakan situs aktif, untuk mengontakkan kedua reaktan dengan energi aktivasi yang

lebih rendah.

2. Menyumbangkan tenaga dalam bentuk panas sehingga kontribusi ini memudahkan molekul

reaktan untuk melewati energi aktivasi. Kontribusi panas ini adalah akibat dari proses

difusi dan adsorbsi.

3. Menurunkan temperatur operasi.

4. Mengurangi residu dan hasil samping serta meningkatkan selektivitas dan yield produk.

2.3.1. Zeolit

Zeolit merupakan mineral yang terdiri dari mineral aluminosilikat terhidrasi yang

mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi. Struktur zeolit terdiri

dari unit-unit tetrahedral AlO4 dan SiO4 yang saling berhubungan melalui atom O dan didalam

struktur tersebut Si4+ dapat diganti dengan Al3+ sehingga Zeolit mempunyai rumus (Szostak,

1989).

M2nO.Al2O3.xSiO2.yH2O

Dimana : M = kation alkali atau alkali tanah

n = valensi logam alkali

x,y = bilangan tertentu

Zeolit secara umum berwarna kebiru-biruan, merupakan mineral berpori,mudah

melakukan pertukaran ion yaitu ion alkalinya dengan ion-ion yang lain, bersifat sebagai adsorben

ataupun penyaring molekul, merupakan kristal yang lunak, variasi berat jenis rata-rata adalah 2-



2,4 dan molekul air yang terkandung mudah dilepaskan dengan pemanasan. Zeolit terdiri dari 3

komponen yaitu : kation yang dipertukarkan ,kerangka alumino silikat dan kandungan air.

Komposisi kimia dari tiap zeolit akan mempengaruhi bentuk struktur zeolit,dengan

demikian untuk struktur zeolit yang berbeda akan memiliki struktur yang berbeda. Zeolit terdiri

dari 2 jenis yaitu zeolit alam dan sintetis. Zeolit alam diperoleh dengan penambangan secara

terbuka dan mekanis sehingga kemurniannya lebih rendah dibanding zeolit sintesis. Zeolit

sintesis dapat dikelompokkan menurut perbandingan komponen Si dan Al, yaitu :

a. Zeolit kadar Si rendah

Kadar maksimum Al dalam zeolit dicapai bila perbandingan Si/Al mendekati 1. Contoh

zeolit ini adalah zeolit A dan X

b. Zeolit kadar Si sedang

Kadar maksimum Al dalam zeolit dicapai bila perbandingan Si/Al antara lebih dari 1 – 5.

Contoh Zeolit omega dan zeolit Y.

c. Zeolit kadar Si tinggi

Kadar maksimum Al dalam zeolit dicapai bila perbandingan Si/Al mulai dari 10 - 100.

Contoh Zeolit ZSM-5, ZSM-11, ZSM-21.

d. Zeolit Si

Zeolit ini tidak mengandung Al sama sekali atau tidak mempunyai sisi kation. Sifat Zeolit ini

sangat hidrofilik-hidrofobik sehingga dapat memisahkan suatu molekul organik dari

campuran air. Contoh zeolit silika : silikalit

2.3.2 Zeolit Y

Struktur zeolit Y terdiri dari muatan negatif, kerangka 3 dimensi tetrahedral SiO4 dan AlO4

yang bergabung membentuk oktahedral terpancung (sodalite). Jika 6 buah sodalite terhubungkan

oleh prisma heksagonal akan membentuk tumpukan tetrahidral. Jenis tumpukan ini membentuk

lubang besar (supercages). Lubang-lubang supercages dapat terbentuk dari 4 kristal tetrahedral

yang besar, yang masing-masing mempunyai 12 cincin oksigen. Lubang-lubang tersebut bila

saling bersambung akan membentuk sistem pori-pori yang besar dari zeolit. Setiap atom

alumunium dikoordinat tetrahedral dalam kerangka membawa muatan negatif. Muatan negatif

ini digantikan oleh kation yang berada diposisi kerangka non spesifik (Szostak, 1989).



2.4. Overview Teknologi Perengkahan Katalitik Untuk Konversi Plastik Menjadi Fuel

Proses perengkahan plastik telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir ini.

Berbagai penelitian tentang proses perengkahan berbahan baku plastik maupun sumber

hidrokarbon lain dilakukan untuk mendapatkan produk yang komposisinya sama atau mendekati bensin. Dalam tabel 3 disajikan beberapa penelitian proses perengkahan yang telah dilakukan.

Tabel 3 Overview Teknologi Perengkahan Katalitik Untuk Konversi Plastik Menjadi Fuel

NO. Bahan Baku Kondisi Operasi Yield Sumber Referensi

1. XVR:PP:SC:CL

1 : 1 : 1 : 1

T = 460 0C XVR+PP+CL = 87,4

XVR+PP+SC = 80,8

Ahmamzzaman,met.al,2008

2. PP T = 500-700 0C

Pirolisis = 82 wt%

Katalis (Si/Al) = 94 wt%

Kodera et.al 2006

3. PS T = 400-450 0C HY 2.7

Gas = 9,4% ; Cair = 83,3%

HUSY 5.1

Gas = 9,7% ; Cair = 76%

HUSY 6.7

Gas = 11,4% ; Cair = 73,3%

Won Tae et.al, 2005

4. PE

PP

PS

T = 420-440 0C Dengan katalis Pt/Al2O3

PP

Cair = 96,7% ; Gas = 2,2%

PE

Cair = 84,5% ; Gas = 10,2%

PE+PP(1:1)

Cair = 90,5% ; Gas = 5,6%

PS

Cair = 95,7% ; Gas = 0,6%

Walendziewski,J. 2005



Keterangan :

XRV : petroleum vacuum residue

SC : Samla coal

CL : Calotropis procera

PP : Polipropilen

PE : Polietilen

PS : Polistiren

LDPE : Low Density Polyethylene

HDPE : High Density Polyethylene

Dari tabel tersebut terlihat bahwa proses perengkahan katalitik menggunakan berbagai

jenis katalis membutuhkan kondisi suhu yang lebih rendah daripada perengkahan termal.

Penggunaan reaktor plasma untuk pretreatment plastik sebelum proses perengkahan katalitik

merupakan metode yang relatif baru sehingga perlu dikembangkan.

2.5 Konsep Dasar Teknologi Plasma

2.5.1 Pengertian Plasma

Plasma dalam teknologi plasma dapat didefinisikan sebagai gas yang terionisasi, terdiri

dari partikel neutron, ion positif, ion negatif dan elektron yang merespon secara kuat medan

magnetik. Plasma juga dapat dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa

atau semua elektron di orbit atom terluar telah terpisah dari atom atau molekul. Hasilnya adalah

sebuah koleksi ion dan elektron yang tidak lagi terikat satu sama lain. Untuk menghilangkan

elektron dari atom dibutukakan suatu energi, energi tersebut berasal dari panas, listrik ataupun

cahaya. Partikel-partikel ini terionisasi (bermuatan) sehingga terbentuklah plasma.

Berdasarkan temperaturnya, plasma dapat dikategorikan menjadi:

1. Plasma termal : Telektron ~ Tgas

Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat

pemanasan Joule ( Joule heating).

Contoh: plasma matahari



2. Plasma non-termal: Telektron > Tgas

Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K); T ~ suhu ruang

Contoh: Aurora borealis

Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan diantaranya: plasma merupakan teknologi

yang ramah lingkungan, murah, mudah, dan merupakan teknologi reaktor plasma yang dapat

digunakan untuk konversi kimia pada temperatur rendah bahkan temperatur ruangan.

2.5.2 Konsep Reaktor Plasma

Teknologi reaktor kimia merupakan disiplin ilmu yang sangat penting dalam teknik proses

kimia. Perkembangan teknologi fisika dalam bidang plasma juga mempunyai kontribusi yang

besar untuk memajukan teknologi reaktor kimia. Reaktor plasma ternyata sangat menjanjikan

dari sudut pandang tingkat konversi dan energi pemanasan yang rendah, walaupun

selektifitasnya masih rendah. Sumber-sumber yang biasa dipakai dalam reaktor plasma ada

beberapa,diantaranya yang biasa dipakai yaitu voltase listrik,dan korona. Reaktor plasma yang

potensial untuk reaksi kimia senyawa organik dan anorganik adalah tipe DBD (Dielectric Barrier

Discharge).

DBD disebut juga silent discharge, yang terdiri dari planar atau tabung dengan paling

sedikit satu elektroda yang ditutupi dengan material dielektrik seperti kaca, kuarsa dan keramik.Konstanta dielektrik dan ketebalan menentukan jumlah penggantian arus yang dapat dilalui oleh

dielektrik. Dielektrik terbatas terhadap densitas arus rata-rata dalam ruang gas. Dielektrik juga

dapat ditempatkan diantara elektrode untuk memisahkan 2 lapisan gas.

2.5.2.1 Prinsip-Prinsip Dasar Reaktor Plasma Jenis DBD (Dielectric Barrier Discharge)

Reaktor plasma jenis DBD sangat potensial untuk reaksi-reaksi kimia organik maupun

anorganik karena sifat-sifat non-equilibrium, tenaga input rendah, serta kemampuan

mempengaruhi reaksi kimia dan fisika pada temperatur yang relatif rendah. Plasma tak panas

(non-thermal) didefinisikan sebagai sebuah fasa/gas yang berisi elektron, atom-atom dan

molekul-molekul tereksitasi, ion, radikal, foton, dan partikel netral dimana elektron-elektron

mempunyai energi yang sangat tinggi dibandingkan dengan partikel gas netral. Plasma ini

disebut juga non-equilibrium plasma karena terdapat perbedaan temperature dan energi kinetik



yang signifikan antara electron dan partikel netral. Temperatur gas adalah temperatur kamar

sedangkan temperature elektron dapat mencapai 104 – 105 K dalam dielectric- barrier

discharge. Pemecahan gas (gas breakdown) menghasilkan elektron-elektron yang terpercepatkan

oleh medan listrik membentuk plasma. Discas elektrik dapat dihasilkan dengan beberapa cara

tergantung kepada jenis voltase dan spesifikasi reaktor yang digunakan.

Dalam reaktor plasma elektron berenergi tinggi bertumbukan dengan molekul-molekul

gas menghasilkan eksitasi, ionisasi, pelipatgandaan elektron, dan pembentukan atom-atom dan

senyawa metastabil . Jika medan listrik di dalam zona discas adalah cukup untuk memecahkan

ikatan kimia gas maka akan terlihat discas mikro-discas mikro dalam jumlah yang banyak.

Selanjutnya atom-atom aktif dan senyawa metastabil akan bertumbukan dengan molekul-

molekul sehingga akan terjadi reaksi kimia. Tumbukan antara electron- elektron berenergi tinggi

dengan molekulmolekul gas menghasilkan eksitasi, disosiasi, atau ionisasi tanpa menyebabkan

pemanasan terhadap gas, sehingga temperature bulk gas tidak berkeseimbangan dengan electron

dan selalu rendah .

Konfigurasi dasar reaktor plasma jenis DBD dapat dilihat di Gambar 3, sedangkan

karakteristik- karakteristik discas tak panas dapat dilihat di Tabel 4.

Gambar 3. Prinsip-prinsip dasar reaktor plasma DBD

Ketebalan dan besarnya konstanta dielektrik menentukan jumlah arus listrik yang dapat

dilewatkan melalui dielektrik. Dalam beberapa aplikasi, dielektrik tersebut membatasi densitas

arus rata-rata di dalam ruang gas. Dielektrik tersebut mendistribusikan discas mikro ke seluruh



permukaan elektroda disamping untuk menjamin tidak ada spark atau arc di dalam ruang discas.

Salah satu keuntungan plasma reactor jenis DBD adalah bahwa energi rata-rata electron dapat

diatur dengan mengubah densitas gas dan jarak antar elektroda.

Tabel 4. Karakteristik-karakteristik non-thermal discharge

2.5.2.2 Efek-Efek yang Berpengaruh dalam Reaktor Plasma DBD

Hal-hal yang berpengaruh pada Reaktor Plasma DBD (Istadi, Nor Aishah S.A, 2005)

yaitu:

1.Sifat material Dielektrik

Material dielektrik bisa terbuat dari kaca, kuarsa, keramik. Pemilihan material tersebut

disesuaikan dengan bahan baku yang digunakan.

2.Power Discharge

Sumber power yang biasa digunakan pada raktor plasma dapat berupa arus AC , DC,

Microwave, atau getaran.

3.Voltase yang digunakan

Reaksi kimia terjadi secara instan ketika voltase tinggi digunakan. Penggunaan tinggi

rendahnya voltase disesuaikan dengan maksud dan tujuan reaksi.

4.Tekanan sistem reaktor

Tekanan merupakan parameter penting yang mempengaruhi karakteristik reaktor DBD

sehingga mempengaruhi discharge gap dan pemakaian power.



5.Suhu dinding reaktor

Suhu juga merupakan parameter penting yang mempengaruhi keadaan reaksi dalam reaksi

kimia konvensional pada reaktor. Pada umumnya jika reaksi bersifat endothermis, suhu

tinggi sangat diinginkan untuk meningkatkan enthalpi.

6. Waktu charging



BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Konsep Dasar Penyelesaian Masalah

Adapun tahapan penyelesaian masalah dalam penelitian ini dapat dibuatkan alur

sebagai berikut:

Gambar 3.1. Gambar kerangka pemecahan masalah

Analisa Permasalahan:

‐ Waktu charging optimal pada reaktor plasma

‐ Suhu optimum pada proses perengkahan katalitik

Hipotesis:

- penggunaan teknologi plasma dalam proses perengkahan

katalitik, dapat menurunkan konsumsi energi proses

Penelitian (pengumpulan,

analisa, dan interpretasi data)Identifiasi variabel bebas

dan variabel bergantung

Identifikasi respon

variabel

Permasalahan:

‐ Efek teknologi plasma pada proses perengkahan katalitik

‐ Pengaruh waktu charging pada saat pretreatment polipropilen dalam reaktor plasmaterhadap produktifitas akhir

‐ Pengaruh suhu reaktor konvensional katalitik terhadap produktifitas akhir

‐ Jumlah yield bahan bakar cair yang didapatkan

Penelitian yang pernah dilakukan

Studi Literatur Diskusi dengan Pakar

Laporan Skripsi

Luaran Penelitian

Makalah jurnal



3.2. Bahan dan Peralatan Penelitian

3.2.1. Bahan yang digunakan

Penelitian ini menggunakan plastik jenis polipropilen sebagai bahan yang akan

dilakukan perengkahan katalitik dengan pretreatment pada reaktor plasma, sedangkan katalis

yang digunakan adalah katalis bekas jenis Zeolit HY.

3.2.2. Gambar bahan yang digunakan

Gambar 3.2. Plastik bekas jenis propilen

3.2.3. Peralatan yang digunakan

Dalam penelitian ini digunakan reaktor plasma corona jenis planar dengan dimensi,

panjang 30 cm, lebar 15 cm, dan tinggi 10 cm. Di dalamnya diletakkan sebuah ground diam

atau stator (5) dan ground yang dapat digerakan (6), untuk membantu pergerakan ground

maka dipasang secrup pada sudut-sudut atasnya.

Reaktor konvensional yang digunakan adalah jenis stainless tube reactor (6) berukuran

panjang 50 cm dengan diameter 3 cm sedangkan di dalamnya diletakkan crucible sebagai

penyangga sampel. Setelah itu, reaktor tersebut dimasukkan dalam furnace electric yang telah

dilengkapi dengan klem, statif, serta pengontrol suhu (temperature control ).

Di ujung atas reaktor dihubungkan dengan selang tahan panas (2) dimana gas hasil

reaksi nanti akan dialirkan menuju pendingin liebig (3) untuk dikondensasikan. Air pada

pendingin liebig berasal dari waterbath yang airnya dipompakan melalui selang silikon

menuju pendingin liebig. Setelah itu, gas yang dapat terkondensasi ditampung dalam

erlenmeyer vacuum (4) dalam bentuk cairan sedangkan gas yang lolos akan dialirkan menuju

gas sampling bag. Cairan dan gas hasil reaksi akan dianalisa dengan GC-MS (GC-Mass

Spectrometer )



65

7

3.2.3 Gambar Rangkaian Alat

Gambar 3.3. Peralatan perengkahan katalitik

Gambar 3.4. Peralatan reaktor corona plasma

Gas

N2

V-3



3.5. Reaktor plasma corona planar

Dari gambar alat di atas, secara garis besar dapat digolongkan menjadi 2 bagian, yaitu

gambar rangkaian peralatan reaktor konvensional dan reaktor plasma. Secara berturut-turut,

gambar rangkaian alat tersebut terdiri dari frame penyangga, selang tahan panas, erlenmeyer,

pendingin (water bath), f urnace electric, stainless tube reactor , pengatur suhu, reaktor

plasma, ground elektrode, dan high voltage electrode.

3.3. Prosedur Penelitian

3.3.1. Penanganan Katalis

Katalis yang akan digunakan diberi penanganan terlebih dahulu (regenerasi) agar nilai

fungsi dari katalis dapat naik. Regenerasi katalis dilakukan dengan drying, kalsinasi dan

crushing. Hal ini bertujuan untuk menghilangkan air dan sisa-sisa karbon (Coke) yang

terperangkap dalam pori-pori katalis.

3.3.2. Perengkahan Katalitik Plastik

Proses pengkonversian limbah plastik polipropilen menjadi bahan bakar cair dengan

reaktor terintegrasi plasma - katalitik melibatkan beberapa tahapan proses dari penyiapan

bahan dan alat, hingga dihasilkan tiga jenis produk yaitu cair, gas, dan residu. Produk cair dan



gas tersebut akan dianalisa dengan menggunakan GC-MS dan digunakan metode RSM dalam

analisa datanya.

Plastik yang akan digunakan menjadi bahan percobaan dilakukan pre-treatmen dalam

reaktor plasma dengan perbedaan perlakuan waktu charging, yaitu pada rentang waktu 10-30

menit . Hal ini diharapkan supaya plastik terdegradasi awal, sehingga memudahkan dalam

proses perengkahan katalitik. Reaksi perengkahan katalitik dalam reaktor katalitik fixed bed

konvensional dilakukan pada range suhu antara 325-475 0C. Suhu yang dijadikan variabel

merupakan suhu dinding dari reaktor katalitik konvensional.

Secara garis besar proses tersebut dapat digambarkan dengan skema berikut :

Gambar 3.6. Prosedur percobaan

Penyiapan bahan dan alat

Pre-treatment plastik dalam reaktor plasma

Proses catalytic cracking dalam reactor fixed

Produk gas Residu Produk cair

- Model empiris: ANOVA ( Analysis of Variance)

- Kondisi operasi optimal:

Waktu Charging Reaktor Plasma (menit)

Suhu Reaktor Katalitik (Celcius)

Gas Chromatography Mass

Spectrometer( GC-MS)

Optimasi dengan RSM ( Response

Surface Methodology)



Adapun detail urutan prosedur percobaan sesuai skema di atas dapat dijabarkan sebagai

berikut. Mula-mula menyiapkan alat dan bahan yang akan dipergunakan. Kemudian

merangkai reaktor terintegrasi plasma - katalitik sesuai dengan gambar rangkaian alat dimana

lama waktu charging reaktor plasma dan penetapan suhu reaktor katalitik merupakan variabel

berubah yang digunakan. Selanjutnya adalah memasukkan plastik yang telah dipotong kecil-

kecil pada ruang antara elektroda dan ground untuk selanjutnya dilakukan proses pre-

treatment plastik dalam reaktor plasma. Plastik yang telah dikenai tahapan pre-treatment

dalam reaktor plasma, kemudian digunakan sebagai sampel untuk proses perangkahan

katalitik dalam reaktor fixed bed konvensional.

Langkah selanjutnya meregenerasi katalis bekas sebelum dipakai dengan cara

mengeringkan (drying) pada suhu 110

o

C selama ± 24 jam (overnight) di dalam oven. Setelahitu baru dilanjutkan dengan kalsinasi katalis pada suhu 550oC di dalam furnace selama 3 jam

dan proses penghancuran (crushing ).

Kemudian merangkai peralatan yang digunakan untuk proses perengkahan katalitik.

Peralatan disusun sesuai dengan gambar rangkaian alat dimana reaktor dimasukkan dalam

furnace electric yang dilengkapi dengan alat pengontrol suhu. Ujung bagian atas reaktor

dihubungkan dengan selang tahan panas untuk mengalirkan uap ke dalam pendingin, dan dari

pendingin dihubungkan ke erlenmeyer vakum sebagai penampung cairan. Ujung bagian atas

dan bawah reaktor diberi glasswool secukupnya. Kemudian bahan baku dimasukkan ke dalam

reaktor dengan susunan sebagai berikut : katalis di bagian bawah reaktor, raw material

(plastik PP), katalis di bagian atasnya.

Setelah tercapai suhu dan waktu reaksi optimal akan didapatkan 2 produk. Produk yang

keluar berupa gas, setelah dikondensasikan akan berupa cairan yang kemudian ditampung

dalam erlenmeyer vakum, diukur volumenya dan ditimbang beratnya. Produk gas yang tidak

terkondensasi akan disalurkan ke gas sampling bag . Sedangkan padatannya yang merupakan

sisa reaktan ditimbang. Selanjutnya produk cairan dan gas dianalisa menggunakan GC-MS

(GC-Mass Spectrometer)



3.4. Analisis Hasil dan Karakteristik Produk

Analisis hasil dari proses perengkahan yang berupa produk cair dan gas dilakukan

dengan menggunakan Gas Chromatography Mass Spectrofotometry (GC-MS). Analisis ini

untuk mengetahui komposisi dari produk perengkahan yang didapat.

3.5. Desain Eksperiment

3.5.1. Variabel Tetap

Variabel tetap yang digunakan dalam penelitian ini adalah perbandingan massa plastik

PP dengan massa katalis, besar tegangan yang digunakan pada reaktor plasma. Perbandingan

massa plastik dengan katalis yang akan dipakai adalah 1:2, tegangan dipakai 9 kV, suhu

kalsinasi dilakukan pada 550 0C, sedangkan tekanan pada keadaan atmosferik.

3.5.2. Variabel Bebas

Variabel bebas yang digunakan pada penelitian ini adalah waktu charging reaktor

plasma dan suhu reaktor katalitik konvensional. Variabel bebas waktu charging dipilih pada

rentang waktu antara 10 - 30 menit, karena diharapkan dengan rentang waktu charging

tersebut telah dapat mendegradasi awal plastik PP. Kemudian pengaturan suhu reaktor

katalitik adalah pada range 325-475 0C, karena bila hanya dengan katalis perolehan pyrolisis

pada suhu sekitar 450 0C,maka diharapkan dengan integrasi reaktor plasma dapat menurunkan

suhu pyrolisis.

3.5.3. Rancangan Percobaan dan Optimasi Response Surface Methodology (RSM)

RSM ( Response Surface Methodology) adalah suatu metode statistik untuk perancangan

percobaan, pemodelan matematik, optimasi dan analisis statistik dalam penelitian. Dengan

menggunakan RSM, sebuah persamaan polinomial kuadratik dikembangkan untuk

memperkirakan hasil percobaan sebagai fungsi dari interaksi antara variabel bebas. Koefisien

dari model empirik diestimasi dengan menggunakan teknik analisa regresi multiarah yang ada

dalam RSM. Secara umum persamaan empirik yang akan digunakan adalah:



ji

jiij

j

j jj

j

j j X X X X Y 2

1

22

1

0

dimana Y = hasil yang diperkirakan, β 0 = koefisien intercept, β j = koefisien linier X j , β jj=

koefisien kuadrat X j , β i j = koefisien interaksi, X i dan X j = variabel bebas.

Adapun rentang variabel bebas dan levelnya ditunjukan di Tabel 3.1, sedangkan

rancangan percobaan berdasarkan metode Central Composite Design ditunjukan pada

Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Rentang dan level variabel bebas di dalam reaktor plasma

Variabel Bebas

Range and Levels

∝ Low level

(-1)

Center level

(0)

High level

(+1)

∝

Waktu Charging (menit) 6 10 25 30 34

Suhu reaktor katalitik (0C) 294 325 400 475 506

Kurva tiga dimensi (Three dimensional response surface and Contour plot ) digunakan

untuk menguji kebenaran pengaruh variabel percobaan pada hasil yang diperoleh. Koefisien-

koefisien pada model empirik diestimasi dengan menggunakan analisis regresi multiarah.

Kesesuaian model empirik dengan data eksperimen dapat ditentukan dari koefisien

determinasi (R 2). Untuk menguji signifikan atau tidaknya model empirik yang hasilkan

digunakan ANOVA ( Analysis of Variance).



BAB IV

HASIL YANG DIHARAPKAN

4.1. Rancangan Hasil Penelitian

Rancangan hasil penelitian yang meliputi run percobaan, variabel bebas, dan variabel

bergantung dapat dilihat pada tabel 4.1 berikut ini:

Tabel 4.1 Rancangan Hasil Penelitian

RUN

Variabel Bebas Variabel Bergantung

Waktu

Charging

Reaktor

Plasma, X1 (menit)

Suhu ReaktorKonvensional

katalitik, X2

(Celcius)

Yield produkcair, Y1 ( % )

Yield residu,Y2 ( % )

Yield produk gas,Y3( % )

1. 10 325 .... .... ....

2. 10 475 .... .... ....

3. 30 325 .... .... ....

4. 30 475 .... .... ....

5. 6 400 .... .... ....

6. 34 400 .... .... ....

7. 20 294 .... .... ....

8. 20 506 .... .... ....

9. 20 400 .... .... ....

10. 20 400 .... .... ....

Keterangan Parameter Operasi:Tekanan = 1 atmosfer Rasio berat sampel/katalis = 1:2

Suhu Kalsinasi = 550 0C Tegangan Listrik = 9 kV

4.2. Rancangan Representasi Hasil Penelitian

Rancangan representasi hasil penelitian merupakan gambaran analisa dari hasil penelitian

yang dilakukan. Reprentasi hasil penelitian ini meliputi optimasi produk hidrokarbon cair,

karakterisasi produk hidrokarbon cair, optimasi produk gas, dan minimasi produk padat (residu)

yang ditunjukkan pada tabel berikut ini:



4.2.1. Optimasi Produk Hidrokarbon Cair

Tabel 4.2 Optimasi Produk Hidrokarbon Cair


SS regresi....

........

....

SS error .... .... .... ....

SS total .... .... .... ....

R 2 .... .... .... ....

4.2.2. Karakterisasi Produk Hidrokarbon Cair

Tabel 4.3 Identifikasi dan komposisi produk cair dengan GC-MS

Peak Retention time

(menit)

Senyawa Komposisi (%)

....

....

....

....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

.... .... .... ....

4.2.3. Optimasi Produk Gas

Tabel 4.4 Optimasi Produk Hidrokarbon Gas


SS regresi .... .... .... ....

SS error .... .... .... ....

SS total .... .... .... ....

R 2 .... .... .... ....

4.2.4. Minimasi Produk Padat (residu)

Tabel 4.5 Minimasi Produk Padat (residu)

Sumber variasi SS Df MS F-value

SS regresi .... .... .... ....

SS error .... .... .... ....

SS total .... .... .... ....

R 2 .... .... .... ....



BAB V

KESIMPULAN

Dari proposal penelitian yang telah dibuat dapat ditarik kesimpulan seperti berikut:

1. Proses pre-treatment polipropilen di dalam reaktor plasma diharapkan dapat

mendegradasi awal struktur polipropilen sehingga dapat mempermudah proses

perengkahan katalitik.

2. Besarnya waktu charging pada reaktor plasma dan suhu reaktor konvensional katalitik

perlu dioptimasi agar memberikan produktifitas paling baik.



28

BAB VI

JADWAL PELAKSANAAN

Tabel 6.1 Jadwal Pelaksanaan Kegiatan

BENTUK KEGIATANBulan 1 Bulan 2 Bulan 3

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Studi literatur

Penyiapan bahan, peralatan, dan

perancangan

Preparasi Zeolit HY bekas

Konversi limbah plastik polipropilen

menjadi bahan bakar cair

menggunakan reaktor terintegrasi

plasma-konvensional katalitik.

Analisa Data

Pembuatan laporan



LEMBAR KONSULTASI

Proposal Penelitian

Nama : 1. M. Khoirul Anam ( NIM. L2C309034 )

2. Vidiarti Dyah Atikayanti ( NIM. L2C309037 )

Judul Penelitian : Efek Suhu dan Waktu Charging Terhadap Kinerja Reaktor Terintegrasi

Plasma – Katalitik untuk Konversi Limbah Plastik Polipropilen (PP)

Menjadi Bahan Bakar Cair.

Tanggal Mulai :

Pembimbing : Dr. Istadi, S.T., M.T.

No Tanggal Konsultasi Paraf KeteranganMhs. Dosen



No Tanggal Konsultasi Paraf Keterangan

Mhs. Dosen

Dinyatakan selesai

Tanggal :

Dosen Pembimbing,

Dr. Istadi, S.T., M.T.

NIP. 19710301 199702 1 001



BUKU KONSULTASI

PROPOSAL PENELITIAN

Disusun Oleh:

Nama : 1. M. Khoirul Anam ( NIM. L2C309012 )

2. Vidiarti Dyah A ( NIM. L2C309042 )

Judul Penelitian : Efek Suhu dan Waktu Charging Terhadap Kinerja Reaktor

Terintegrasi Plasma – Katalitik untuk Konversi Limbah

Plastik Polipropilen (PP) Menjadi Bahan Bakar Cair.

Pembimbing : Dr. Istadi, S.T., M.T.



SEMARANG

2010

reaktor plasma convert propylene

Documents