Pendahuluan
Pentingnya antisipasi kelangkaan bahan bakar fosil yang
tidak dapat di perbaharui telah membangkitkan minat dalam penggunaan bahan
bakar alternatif. Di
antara teknologi konversi bahan bakar, gasifikasi
biomassa adalah alternatif yang menarik untuk produksi gas sintesis (syngas)
(Hamad, Radwan, Heggo, & Moustafa, 2016). Syngas
adalah singkatan untuk gas sintesis yang bertujuan untuk produk gasifikasi. Ini adalah nama yang diberikan untuk campuran terutama
terdiri dari CO dan H2 dengan proporsi bervariasi. Syngas juga terdiri dari gas lain seperti CO2, CH4, H2O,
and N2, organic (tar) dan inorganic (H2S,
HCl, NH3, alkali metals) (Wissink & Reitz, 2015). Syngas juga dapat diproduksi dari bahan baku yang berbeda seperti
batu bara, hidrokarbon cair, biomassa, dan produk limbah lainnya dan kualitasnya
bervariasi tergantung pada bahan baku dan proses gasifikasi. Gasifikasi adalah
proses konversi termokimia yang dapat meningkatkan rasio hidrogen terhadap
karbon dari bahan baku biomassa dengan memutus ikatan karbon dan menambahkan
hidrogen ke produk gas (Wissink & Reitz, 2015). Ketika biomassa dengan kandungan karbon tinggi bereaksi dengan pada suhu
tinggi lebih dari 600 oC, karbon monoksida (CO) dan hidrogen
(H2) terbentuk. Proses ini terdiri dari banyak reaksi dan
menghasilkan banyak jenis gas/produk turunan. Proses konversi ini diyakini
menjadi sumber energi utama di masa depan untuk menggantikan bahan bakar fosil
dan merupakan bahan bakar yang ramah lingkungan (Sikarwar et al., 2016).
�� Indonesia
memiliki potensi tinggi untuk mengganti bahan bakar fosil dengan sumber daya
energi terbarukan terutama biomassa. Meskipun biomassa mencakup berbagai bahan
baku, kayu adalah sumber daya dominan yang persediaannya melimpah. Di
Kalimantan kayu merupakan komoditas yang sangat penting sebagai bahan bangunan
dan bahan industri. Data Badan Pusat Statistik tahun 2011, ada 112.116 m3 kayu
dihasilkan di Kalimantan Selatan. Banyaknya industri pengolahan kayu di Kalimantan Selatan
menghasilkan limbah kayu yang cukup besar. Di Provinsi Kalimantan Selatan ada 83
industri pengolahan kayu gergajian dan mayoritas industri penggergajian kayu
dibawah 6.000 m3 berada didaerah Kelurahan Alalak Tengah dan
Selatan. Industri penggergajian kayu menghasilkan limbah berkisar 20-30% dari
volume log kayu (Aditya, Rahmadi, & Mahdie, 2020).
�� Volume yang besar
dari limbah kayu tersebut dapat dimanfaatkan sebagai bahan bakar alternatif
melalui proses gasifikasi untuk menghasilkan syngas. Keuntungan penting
biomassa dibandingkan dengan jenis bahan bakar fosil adalah harganya yang murah
dan mengurangi pencemaran lingkungan. Oleh karena itu perlu dilakukan
penelitian untuk menghasilkan syngas dari limbah kayu.
�� Mayoritas
penelitian di bidang pemanfaatan syngas telah difokuskan pada
penggunaannya sebagai bahan bakar langsung dan produksi kimia. Konversi
biomassa menjadi syngas yang kaya hidrogen dapat meningkatkan nilai kalor bahan bakar. Produksi syngas dari biomassa dalam skala besar tidak hanya memenuhi kebutuhan energi
tetapi juga mengurangi pencemaran lingkungan yang berkembang pesat (Pandey, Prajapati, & Sheth, 2019). Syngas juga dapat diproses lebih lanjut untuk
digunakan dalam turbin gas untuk menghasilkan listrik (Dincer & Acar, 2014). Penggunaan
syngas untuk bahan bakar mesin pembakaran dalam masih sangat terbatas. Padahal, selain mengurangi emisi polutan, penggunaan bahan bakar padat
melalui proses gasifikasi memiliki kelebihan lain seperti penanganan yang mudah
dan fleksibilitas bahan baku mulai dari residu pertanian hingga limbah
perkotaan
(Chuahy & Kokjohn, 2017). Syngas dari biomassa dan limbah padat merupakan bahan bakar netral
karbon yang diyakini akan menjadi bahan bakar yang menjanjikan untuk mesin masa
depan (Hagos, Aziz, & Sulaiman, 2014). Beberapa instalasi mesin menggunakan limbah biomassa dan limbah padat
sebagai bahan baku. General Electric (GE) telah memimpin dalam� pengembangan teknologi syngas dan teknologi
turbin (Chuahy & Kokjohn, 2017).
�� Konversi termokimia dapat digunakan untuk mengubah biomassa menjadi syngas. Diantara banyak jenis pross termokimia, pirolisis memiliki beberapa keunggulan, yaitu tekanan atmosfer dan suhu rendah sehingga lebih murah dan mudah dioperasikan. Namun, produk
yang diperoleh dari pirolisis biomassa masih memiliki kualitas rendah yaitu tingkat keasaman, kelembaban dan viskositas tinggi, serta kepadatan energi yang
rendah (Zhao et al., 2020). Salah satu
parameter yang digunakan untuk
mengukur kualitas syngas adalah kandungan hidrogennya. Semakin tinggi kandungan gas hydrogen
dalam syngas maka semakin tinggi juga kualitas dari syngas (Zhang, Zhu, Zhang, Liu, & Xiong, 2019). Di sisi
lain, kandungan hidrogen
yang lebih tinggi akan meningkatkan nilai kalor spesifik
dari syngas (Suprianto, Wijayanti, & Wardana, 2020).
Banyak faktor yang mempengaruhi hasil dan komposisi syngas.
Diantarnya adalah temperatur reaksi, laju reaksi, jenis reaktor, komposisi bahan dari biomassa itu sendiri dan penggunaan katalis (Pandey et al., 2019), (Nasir Uddin, Daud, & Abbas, 2013). �Banyak penelitian yang telah dilakukan
untuk mengukur pengaruh tersebut, namun sejauh penulis ketahui, belum ada penelitian yang membahas tentang pengaruh
faktor kekerasan bahan
terhadap produksi gas hidrogen dalam syngas
hasil pirolisis biomassa. Oleh karena itu
penelitian ini akan membahas tentang
pengaruh kekerasan bahan (dalam hal
ini biomassa kayu) terhadap kualitas syngas yang dihasikan dari gasifikasi serbuk gergaji
berdasarkan hasil gas hidrogen yang dihasilkan selama proses pirolisis-gasifikasi.
Variabel bebas yang diukur dalam penelitian ini adalah nilai
konsentrasi gas hydrogen yang dihasilkan sedangkan variable
yang diubah adalah tingkat kekerasan kayu dan ukuran serbuk yang dijadikan sebagai bahan baku.
Kualitas syngas diukur berdasarkan konsentrasi gas
hidrogen yang terkandung dalam syngas. Perbandingan konsentrasi gas hidrogen berdasarkan ukuran
serbuk kayu dan tingkat kekerasan kayu dibahas dalam tulisan ini. Hasil dari penelitian ini dapat menjadi
referensi untuk menentukan jenis biomassa yang paling cocok untuk diproses menjadi syngas berdasarkan
tingkat kekerasan bahan baku. Penelitian ini bertujuan untuk
mengetahui pengaruh ukuran serbuk dan kekerasan kayu terhadap kualitas syngas
yang dihasilkan ditinjau dari konsentrasi gas hidrogen yang dihasilkan.
Metode Penelitian
Percobaan dilakukan dengan
memanaskan biomassa kedalam reaktor gasifikasi hingga mencapai temperatur 500 oC. Reaktor tipe fixed bed �dipilih untuk penelitian ini karena relative sederhana dan dan dapat menghasilkan kandungan hidrogen yang relatif tinggi dalam produk gasnya
(Hamad et al., 2016). Reaktor gasifikasi
menerima panas dari kompor LPG dengan nyala konstan. Biomassa akan mengalami
perubahan fase (penguraian) dari padat menjadi gas dalam bentuk syngas dan
gas-gas yang tidak stabil. Thermometer
type K digunakan untuk
mengukur temperatur dalam reaktor. Gas dari hasil gasifikasi
dialirkan ke pendingin untuk diembunkan sehingga tersisa gas yang lebih stabil dan bersih dari uap. Gas tersebut
kemudian dialirkan keluar penampung yang dilengkapi dengan sensor gas hidrogen (H2). Sensor tersebut
mengirimkan data konsentrasi
gas ke microcontroller. Komputer
digunakan untuk menampilkan nilai konsentrasi gas yang dihasilkan.
Beberapa variabel yang diukur
dari penelitian ini adalah:
a. Variabel tetap adalah massa dan jenis dari biomassa
yang digunakan sebagai bahan baku yaitu
10 gr per percobaan.
b. Variabel yang diukur adalah kualitas dari syngas yang dihasilkan
(konsentrasi gas hydrogen dalam
ppm (part per million).
Kualitas dari syngas dapat ditentukan dari pengukuran konsentrasi hidrogen. Semakin tinggi konsentrasi hydrogen maka semakin baik kualitas
dari syngas yang dihasilkan.
Gambar 1
Set Up Percobaan
Gambar 2
Pengaruh Ukuran Serbuk dan Ukuran Kasar Terhadap
Pembentukan Unsur H2 dalam Syngas
Dari gambar 2 menunjukkan bahwa dengan menggunakan serbuk ukuran halus lebih banyak menghasilkan konsentrasi gas hidrogen. Sementara itu, dengan menggunakan serbuk ukuran kasar menunjukkan bahwa konsentrasi hidrogen lebih rendah, meskipun proses pembentukannya lebih cepat daripada serbuk yang halus.
Gambar 3
Pengaruh Kekerasan Kayu terhadap
Pembentukan Hydrogen dalam
Syngas
Gambar diatas menunjukan bahwa dengan menggunakan kayu dengan kekerasan rendah (nangka) maka diperoleh konsentrasi hidrogen yang paling tinggi diantara yang lainnya. Selain itu, dengan menggunakan kayu kekerasan sedang, proses pembentukan awal gas hidrogen berlangsung lebih cepat. Pembentukan gas hidrogen pada kayu yang keras (jati) berlangsung pada temperatur yang paling tinggi diantara jenis yang lain.�
Berdasarkan hasil tersebut, kekerasan kayu tidak menunjukkan hubungan yang linear terhadap pembentukan gas hidrogen ataupun produksi syngas yang dihasilkan selama proses pirolisis. Kayu nangka dengan kekerasan yang sedang justru menunjukkan efek yang paling tinggi dan lebih cepat dibandingkan dengan yang lain. Hal ini bisa terjadi karena pengaruh struktur dari kayu lebih besar daripada tingkat kekerasan dari kayu itu sendiri.
Kandungan kayu terdiri atas Lignin, Selulosa, dan Hemiselulosa. Kandungan lignin dalam batang kelapa berkisar 26.58-36.35% dengan nilai rataan 30.99%. Kisaran kandungan selulosa pada batang kelapa adalah 28.10-36.55% dan nilai rataannya sebesar 31.95%. Kandungan holoselulosa batang kelapa berkisar antara 69.51-80.07% dengan nilai rataan 73.49%. Hemiselulosa pada pohon kelapa sebesar 35.09%. Proses pirolisis gas biomassa akan memecah molekul biomassa menjadi gas dan volatile (Debiagi et al., 2016). Dekomposisi hemicellulose terjadi pada 220-315 oC. Dekomposisi selulosa berlangsung pada kisaran suhu yang lebih tinggi 315-400 oC, sedangkan lignin adalah yang paling sulit untuk diurai. Dekomposisi terjadi secara perlahan dari 300-900 OC (Chen, Wang, Ong, Show, & Hsieh, 2019). Kisaran kandungan selulosa pada batang kelapa adalah 28.10-36.55% dan nilai rataannya sebesar 31.95%. Sementara itu, kandungan kayu jati terdiri dari holoselulosa 75,76-79,74%, �-selulosa 46,72-50,90%, hemiselulosa 27,41-30,14%, dan lignin 29,22-32,80% (Munir, 2017). Kandungan kayu nangka terdiri dari selulosa 56,47%, lignin 28,76, dan �pentosan 18,64. Pentosan adalah salah satu penyusun khusus hemiselulosa.
Proses pirolisis gas biomassa akan memecah molekul biomassa menjadi gas. Dekomposisi hemicellulose terjadi pada kisaran 220-315 oC. Dekomposisi selulosa berlangsung pada kisaran suhu yang lebih tinggi 315-400 oC sedangkan lignin adalah yang paling sulit untuk diurai. Dekomposisi terjadi secara perlahan dari 300-900 oC (Lewandowski, Januszewicz, & Kosakowski, 2019). Dari komposisi tersebut, hemiselulosa akan mengalami proses penguraian (dekomposisi) terlebih dahulu dan lignin akan terdekomposisi pada suhu yang paling tinggi.
Dari gambar 3 terlihat
bahwa puncak produksi hidrogen dari pirolisis kayu jati terjadi
pada temperatur diatas 400 oC. Hal ini menunjukkan bahwa proses dekomposisi kayu jati lebih sulit
dibandingkan dengan kedua kayu yang lain pada temperatur 400 oC terjadi dekomposisi lignin. Hal ini juga menunjukkan bahwa dekomposisi lignin kayu jati lebih
dominan menghasilkan gas hidrogen. Tingkat kekerasan kayu jati yang lebih tinggi menyebabkan proses dekomposisi lebih sulit dibandingkan dengan kayu yang lebih lunak.
Dari gambar 3 juga terlihat bahwa produksi hidrogen dari kayu kelapa
mengalami peningkatan secara drastis ketika temperatur mencapai 390 oC dan mencapai puncaknya pada temperatur 395 oC.
Pada temperatur tersebut terjadi proses dekomposisi selulosa.� Hal ini mengindikasikan bahwa selulosa pada kayu kelapa menghasilkan
gas hidrogen lebih banyak dibandingkan dengan yang lain. Sementara itu, hasil pirolisis
dari kayu nangka menunjukkan hal yang relatif berbeda dengan kedua kayu yang lain. Produksi gas hidrogen berlangsung paling cepat tetapi juga berakhir paling lambat. Pada temperatur dibawah 400 oC, produksi hidrogen dari kayu nangka
mengalami kenaikan yang relatif stabil. Kenaikan konsentrasi hidrogen mencapai puncaknya ketika temperatur mencapai 480 oC. Hal ini menunjukkan bahwa kandungan lignin dari kayu nangka menghasilkan
gas hidrogen lebih banyak jika dibandingkan
dengan yang lain.
Tingkat kekerasan kayu nangka yang paling rendah menjadi salah satu faktor yang menyebabkan konsentrasi gas hidrogen yang dihasilkan lebih tinggi. Hal ini juga terlihat ketika membandingkan antara kayu jati
dan kayu kelapa. Pada temperatur yang lebih tinggi (diatas 400 oC), konsentrasi gas hidrogen yang dihasilkan dari kayu kelapa
lebih tinggi dibandingkan dengan kayu jati. Kayu yang mengeras adalah akibat proses lignifikasi atau pengayuan secara alami. Kayu terbentuk dari akumulasi dan susunan selulosa dan lignin pada dinding sel berbagai jaringan
yang ada dalam kayu. Setiap jenis
kayu memiliki sifat-sifat dan karakteristik tersendiri. Densitas atau kerapatan kayu merupakan salah satu faktor� yang akan menentukan tingkat kekuatan dan kekerasan dari suatu kayu.
Kekerasasan kayu jati lebih tinggi
dari kekerasan kayu lain yang digunakan dalam percobaan ini dan konsentrasi hidrogen yang dihasilkan paling rendah dibandingkan dengan yang lain. Demikian juga dengan kayu nangka,
kayu nangka dengan kekerasan yang paling rendah menghasilkan konsentrasi hidrogen yang paling tinggi. Kerapatan kayu yang tinggi menyebabkan proses dekomposisi akan semakin sulit.
Temperatur yang tinggi diperlukan untuk menguraikan kayu. Sedangkan kayu dengan kekerasan yang rendah lebih mudah
terdekomposisi. Kayu yang tidak
keras memiliki struktur yang lebih renggang. Kerenggangan ini menyebabkan panas lebih mudah
masuk kedalam sisi kayu dan mempermudah
dekomposisi menjadi gas.
Hasil penelitian ini telah menunjukkan bahwa kayu dengan kekerasan yang rendah akan menghasilkan konsentrasi hidrogen yang lebih tinggi. Penelitian ini dilakukan dengan alat pirolisis konvensional. Perbaikan dan pengembangan penelitian perlu dilakukan terutama untuk mencari komposisi dari gas-gas lain yang dihasilkan selama proses pirolisis. Penelitian ini baru terbatas pada pengukuran gas hidrogen yang dihasilkan. Selain itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang bagaimana komposisi kayu mempengaruhi kandungan gas yang dihasilkan dari proses pirolisis.
Kesimpulan���������������
Berdasarkan analisa dan pembahasan pada bab sebelumnya dapat diambil kesimpulan yakni: serbuk kayu yang lebih halus menghasilkan konsentrasi gas hidrogen yang
lebih tinggi daripada serbuk kasar. Kayu dengan kekerasan yang rendah menghasilkan konsentrasi
gas hidrogen yang lebih tinggi. Serbuk kayu yang lebih halus akan menyebabkan proses perpindahan panas lebih cepat demikian juga degan
kekerasan yang rendah akan menyebabkan panas lebih mudah masuk ke sel-sel kayu dan
mempercepat dekomposisi kayu menjadi syngas.
BIBLIOGRAFI
Aditya, F. U., Rahmadi, A., & Mahdie,
M. F. (2020). Studi Potensi Limbah Pengolahan Kayu Gergajian Di Kecamatan
Banjarmasin Utara Dan Banjarmasin Barat Kota Banjarmasin Provinsi Kalimantan
Selatan. Jurnal Sylva Scienteae, 2(5), 854�864. Google Scholar
Chen, W.-H., Wang, C.-W., Ong, H. C., Show,
P. L., & Hsieh, T.-H. (2019). Torrefaction, Pyrolysis And Two-Stage
Thermodegradation Of Hemicellulose, Cellulose And Lignin. Fuel, 258,
116168. Google Scholar
Chuahy, F. D. F., & Kokjohn, S. L.
(2017). High Efficiency Dual-Fuel Combustion Through Thermochemical Recovery
And Diesel Reforming. Applied Energy, 195, 503�522. Google Schoolar
Debiagi, P. E. A., Gentile, G., Pelucchi,
M., Frassoldati, A., Cuoci, A., Faravelli, T., & Ranzi, E. (2016). Detailed
Kinetic Mechanism Of Gas-Phase Reactions Of Volatiles Released From Biomass
Pyrolysis. Biomass And Bioenergy, 93, 60�71.
Https://Doi.Org/10.1016/J.Biombioe.2016.06.015 Google Scholar
Dincer, I., & Acar, C. (2014). Review
And Evaluation Of Hydrogen Production Methods For Better Sustainability. International
Journal Of Hydrogen Energy, 40(34), 11094�11111.
Https://Doi.Org/10.1016/J.Ijhydene.2014.12.035 Google Scholar
Hagos, F. Y., Aziz, A. R. A., &
Sulaiman, S. A. (2014). Trends Of Syngas As A Fuel In Internal Combustion
Engines. Advances In Mechanical Engineering, 2014.
Https://Doi.Org/10.1155/2014/401587 Google Scholar
Hamad, M. A., Radwan, A. M., Heggo, D. A.,
& Moustafa, T. (2016). Hydrogen Rich Gas Production From Catalytic
Gasification Of Biomass. Renewable Energy, 85, 1290�1300.
Https://Doi.Org/10.1016/J.Renene.2015.07.082 Google Scholar
Lewandowski, W. M., Januszewicz, K., &
Kosakowski, W. (2019). Efficiency And Proportions Of Waste Tyre Pyrolysis
Products Depending On The Reactor Type�A Review. Journal Of Analytical And
Applied Pyrolysis, 140(January), 25�53.
Https://Doi.Org/10.1016/J.Jaap.2019.03.018 Google Scholar
Munir, M. (2017). Estimasi Biomassa, Stok
Karbon, Dan Sekuestrasi Karbon Dari Berbagai Tipe Habitat Terestrial Di Gresik,
Jawa Timur Secara Non-Destructive Dengan Persamaan Allometrik. Institut
Teknologi Sepuluh Nopember. Google Scholar
Nasir Uddin, M., Daud, W. M. A. W., &
Abbas, H. F. (2013). Potential Hydrogen And Non-Condensable Gases Production
From Biomass Pyrolysis: Insights Into The Process Variables. Renewable And
Sustainable Energy Reviews, 27, 204�224. Https://Doi.Org/10.1016/J.Rser.2013.06.031
Google Scholar
Pandey, B., Prajapati, Y. K., & Sheth,
P. N. (2019). Recent Progress In Thermochemical Techniques To Produce Hydrogen
Gas From Biomass: A State Of The Art Review. International Journal Of
Hydrogen Energy, 44(47), 25384�25415.
Https://Doi.Org/10.1016/J.Ijhydene.2019.08.031 Google Scholar
Sikarwar, V. S., Zhao, M., Clough, P., Yao,
J., Zhong, X., Memon, M. Z., � Fennell, P. S. (2016). An Overview Of Advances
In Biomass Gasification. Energy And Environmental Science.
Https://Doi.Org/10.1039/C6ee00935b Google Scholar
Suprianto, T., Wijayanti, W., &
Wardana, I. N. G. (2020). Sciencedirect Synergistic Effect Of Curcumin And
Activated Carbon Catalyst Enhancing Hydrogen Production From Biomass Pyrolysis.
International Journal Of Hydrogen Energy, 46(10), 7147�7164.
Https://Doi.Org/10.1016/J.Ijhydene.2020.11.211 Google Scholar
Wissink, M., & Reitz, R. D. (2015).
Direct Dual Fuel Stratification, A Path To Combine The Benefits Of Rcci And
Ppc. Sae International Journal Of Engines, 8(2), 878�889. Google Scholar
Zhang, S., Zhu, S., Zhang, H., Liu, X.,
& Xiong, Y. (2019). High Quality H2-Rich Syngas Production From
Pyrolysis-Gasification Of Biomass And Plastic Wastes By Ni�Fe@Nanofibers/Porous
Carbon Catalyst. International Journal Of Hydrogen Energy, 44(48),
26193�26203. Https://Doi.Org/10.1016/J.Ijhydene.2019.08.105 Google Scholar
Zhao, M., Memon, M. Z., Ji, G., Yang, X.,
Vuppaladadiyam, A. K., Song, Y., � Zhou, H. (2020). Alkali Metal Bifunctional
Catalyst-Sorbents Enabled Biomass Pyrolysis For Enhanced Hydrogen Production. Renewable
Energy, 148, 168�175. Https://Doi.Org/10.1016/J.Renene.2019.12.006 Google Scholar
|
Copyright holder : Darmansyah, Anhar
Khalid, Muhammad Kasim, dan Teguh Suprianto (2021) |
|
First publication right : Journal Syntax
Admiration |
|
This article is licensed under:
|
