SKRIPSI – TK 141581

PEMURNIAN BIOGAS MENJADIBIOMETANA DAN PRECIPITATEDCALCIUM CARBONATE (PCC) DENGANMETODE BUBBLE COLUMN

Hafizh Pandega BonifalihNRP. 02211340000006Fuad Makarim ImranNRP. 02211340000173

Dosen Pembimbing :Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M. Eng.NIP. 195209161980031002Suci Madha Nia, S.T., M.T.NIP. 197502142008122003

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUHNOPEMBERSURABAYA2018

FINAL PROJECT – TK 141581

PURIFICATION OF BIOGAS INTOBIOMETHANE AND PRECIPITATEDCALCIUM CARBONATE (PCC) USINGBUBBLE COLUMN

Hafizh Pandega BonifalihNRP. 02211340000006Fuad Makarim ImranNRP. 02211340000173

Advisors :Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M. Eng.NIP. 195209161980031002Suci Madha Nia, S.T., M.T.NIP. 197502142008122003

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUHNOPEMBERSURABAYA2018

i

PEMURNIAN BIOGAS MENJADIBIOMETANA DAN PRECIPITATED

CALCIUM CARBONATE (PCC) DENGANMETODE BUBBLE COLUMN

Nama : Hafizh Pandega Bonifalih(02 211 340 000 006)Fuad Makarim Imran(02 211 340 000 173)

Departemen : Teknik Kimia FTI-ITSPembimbing : Prof. Dr. Ir Sugeng Winardi, M.Eng

Dr. Suci Madha Nia, S.T., M.T

ABSTRAK

Sebagai energi terbarukan yang menjajikan, biogas dapatmembantu meringankan beban pencemaran lingkungan dan krisisenergi. Pemurnian biogas adalah salah satu kunci teknologi dalampengembangan utilisasi biogas. Secara khusus, penghilangan CO2

dalam biogas dapat meningkatkan nilai kalornya untuk memenuhistandar Compressed Natural Gas (CNG), sebagai bahan bakarmasa depan yang sangat penting. Dalam penelitian ini, biogasyang dihasilkan dari hibah instalasai reaktor biogas di DusunPodorejo, Desa Sajen, Kecamatan Pacet, Kabupaten Mojokertodimurnikan dengan dilewatkan melalui larutan Ca(OH)2 dalamalat kolom gelembung (bubble column contactor) denganmenghasilkan Precipitated Calcium Carbonate (PCC). Pengaruhlaju alir biogas pada waktu kontak terhadap kualitas dan kuantitasPCC akan dipelajari dalam penelitian ini. Kolom gelembung(diameter = 7 cm) diisi larutan Ca(OH)2 setinggi 20 cm. Biogasdialirkan melalui distributor pada laju volumetric 0.1-0.5liter/menit hingga pH larutan dalam kolom gelembung menjadi 6-7. PCC yang terbentuk diendapkan, disaring kemudian

ii

dikeringkan dalam oven. Karakterisasi dengan XRDmenunjukkan bahwa diantara tiga bentuk kristal (calcite, vaterite,dan aragonite), calcite adalah yang paling stabil. Untukmenyelidiki pengaruh gas methan dan gas-gas lain dalam biogasterhadap pembentukan PCC, gas karbon dioksida murnidigunakan sebagai pembanding.

Kata Kunci: Biogas, Kolom gelembung, Precipitated CalciumCarbonate (PCC), Larutan Ca(OH)2.

ii

PEMURNIAN BIOGAS MENJADI BIOMETANA DANPRECIPITATED CALCIUM CARBONATE (PCC)

DENGAN METODE BUBBLE COLUMN

Nama : Hafizh Pandega Bonifalih(02 211 340 000 006)Fuad Makarim Imran(02 211 340 000 173)

Departemen : Teknik Kimia FTI-ITSPembimbing : Prof. Dr. Ir Sugeng Winardi, M.Eng

Dr. Suci Madha Nia, S.T., M.T

ABSTRACT

As a promising renewable energy, biogas can help alleviateenvironmental pollution and energy crises. Biogas purification isone of the key technology in the development stage of biogasutilization. The removal of carbon dioxide (CO2) in biogas canincrease its calorific value, in order to meet the compressednatural gas (CNG) standard, as a very important fuel in thefuture. In this study, the biogas produced from the biogas reactorinstallation in Dusun Podorejo, Desa Sajen, Kecamatan Pacet,Kabupaten Mojokerto granted from ITS was purified by passingthrough a solution Ca(OH)2 in a bubble column contactor toproduce precipitated calcium carbonate (PCC). The effect ofbiogas flow rate on contact time, PCC quality is experimentallystudied. The bubble column (diameter = 7 cm) filled withsaturated Ca(OH)2 as high as 20 cm. Biogas is passing throughthe distributor at a volumetric rate of 0.1-0.5 liters/ minute untilthe solution PH in the bubble column becomes 6-7. The formedPCC is precipitated, filtered and then dried in an oven.Characterization of PCC using XRD shows that between the threecrystalline forms (calcite, vaterite and aragonite), calcite is the

iii

most stable. To investigate the effect of methane gas and othergases in biogas on the formation of PCC, pure carbon dioxide gasis used as a benchmark.

Keyword: Biogas, Bubble column, Precipitated CalciumCarbonate (PCC), Ca(OH)2 solution.

iii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT yangselalu melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga kami dapatmenyelesaikan Laporan Skripsi kami yang berjudul:

“PEMURNIAN BIOGAS MENJADI BIOMETANA DANPRECIPITATED CALCIUM CARBONATE (PCC) DENGAN

BUBBLE COLUMN”Laporan Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat

untuk menyelesaikan program studi Strata-1 di DepartemenTeknik Kimia - Fakultas Teknologi Industri, Institut TeknologiSepuluh Nopember, Surabaya.

Penulis menyadari dalam penyusunan Laporan Skripsi initidak akan selesai tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karenaitu pada kesempatan ini kami ingin mengucapkan terima kasihkepada :1. Kedua Orang tua serta saudara-saudara kami, atas doa,

bimbingan, perhatian, serta kasih sayang yang selalu tercurahselama ini.

2. Bapak Juwari, S.T., M.Eng., Ph.D, selaku Ketua DepartemenTeknik Kimia FTI-ITS.

3. Bapak Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng selaku KepalaLaboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran, TeknikKimia FTI-ITS.

4. Bapak Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng dan Ibu SuciMadha Nia, S.T., M.T. selaku Dosen PembimbingLaboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran,Departemen Teknik Kimia FTI-ITS, atas bimbingan, saran,dan motivasi yang diberikan.

5. Bapak Dr. Kusdianto, S.T., M.Sc.Eng. dan Dr TantularNurtono S.T., M.Eng., selaku dosen penguji SeminarProposal Skripsi, Ujian Poster Paper, dan Seminar Skripsi.

6. Ibu Prida Novitasari Trisanti, S.T., M.T. selaku dosenpenguji Ujian Poster Paper dan Seminar Skripsi.

iv

7. Seluruh dosen Teknik Kimia ITS atas semua ilmu sertabimbingan selama kami menempuh pendidikan S1.

8. Karyawan Laboratorium Mekanika Fluida dan PencampuranDepartemen Teknik Kimia FTI-ITS, Bang Farid Indra, S.T.,atas dedikasinya dalam membantu segala kebutuhaneksperimen skripsi ini.

9. Yukh Ihsana S.T., yang mengawasi dan memberikanpengarahan saat menjalankan penelitian.

10. Teman-teman kami di Laboratorium Mekanika Fluida danPencampuran yang telah berjuang bersama menyelesaikantugas akhir.

11. Teman-teman angkatan K-53 Teknik Kimia ITS yangmemberi semangat dan dukungan.

12. Beberapa pihak lain yang tidak bisa kami paparkan satupersatu yang telah membantu kami.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih terdapatkekurangan, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifatmembangun sangat diharapkan oleh penulis. Akhir kata kamiselaku penulis memohon maaf apabila dalam penyusunan skripsiini terdapat kesalahan. Semoga skripsi ini dapat bermantfaat bagipenulis dan pembaca.

Surabaya, Januari 2018

Penulis

v

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDULLEMBAR PENGESAHANABSTRAK............................................................................ iABSTRACT ........................................................................iiKATA PENGANTAR .......................................................iiiDAFTAR ISI ...................................................................... vDAFTAR GAMBAR .......................................................viiDAFTAR TABEL ...........................................................viiiBAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang....................................................... 1I.2 Rumusan Masalah/Hipotesa .................................. 2I.3 Tujuan Penelitian................................................... 3I.4 Manfaat Penelitian................................................. 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKAII.1 Biogas................................................................... 5II.2 Teknologi Penangkap CO2 ................................... 6II.3 Teknologi Permunian Biogas ............................. 10II.4 Precipitated Calcium Carbonate (PCC) ............ 15II.5 Polimorf Precipitated Calcium Carbonate (PCC)

............................................................................................ 17II.6 Microbubbles...................................................... 20II.7 Gas hold up ........................................................ 21II.8 Penelitian Terdahulu .......................................... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIANIII.1 Bahan dan Peralatan Penelitian......................... 25III.2 Variabel dan Kondisi Operasi........................... 27III.3 Prosedur Percobaan........................................... 28

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASANIV.1 Pengaruh Laju Alir Gas pada Proses Karbonasi29

vi

IV.2 Pengaruh Diameter Perforated Gas DistributorTerhadap Rendemen PCC .................................................. 35

IV.3 Pengaruh Ketinggian Larutan Ca(OH)2............ 36IV.4 Kristalinitas PCC .............................................. 39IV.5 Morfologi Partikel PCC.................................... 40

BAB V KESIMPULAN DAN SARANV.1 Kesimpulan ....................................................... 51V.2 Saran ................................................................. 52

DAFTAR PUSTAKADAFTAR NOTASIAPPENDIKSLAMPIRAN

vii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1 Skema metode penangkap CO2. ................................ 8

Gambar II.2 Diagram alir teknologi water scrubbing ................... 9

Gambar II.3 Diagram alir teknologi penyerapan kimiawi............. 10

Gambar II.4 Diagram alir pressure-swing adsorption................... 11

Gambar II.5 Diagram alir pemisahan membran ............................ 13

Gambar II.6 Sintesa PCC melalui metoda kaustik soda................ 14

Gambar II.7 Sintesa PCC dengan metode karbonasi..................... . 15

Gambar II.8 Calcite PCC .............................................................. 16

Gambar II.9 Aragonite PCC.......................................................... 16

Gambar II.10 Vaterite PCC ........................................................... 17

Gambar III.1 Skema alat pembuatan PCC .................................... 23

Gambar III.1 Pola distributor ........................................................ 23

Gambar IV.1 Perubahan pH terhadap waktu karbonasi................. 27

Gambar IV.2 Konversi CaO terhadap laju alir gas ........................ 28

Gambar IV.3 Yield CaCO3 terhadap laju alir gas .......................... 28

Gambar IV.4 Pengaruh diameter distributor terhadap rendemen

PCC ................................................................................................. 31

Gambar IV.5 Perubahan pH terhadap waktu karbonasi................. 32

Gambar IV.6 Konversi CaO terhadap tinggi liquid ....................... 33

Gambar IV.7 Yield CaCO3 terhadap tinggi liquid ......................... 33

Gambar IV.8 Hasil analisa XRD PCC........................................... 34

vii

Gambar IV.9 Hasil analisa SEM PCC ........................................... 35

Gambar IV.10 Distribusi partikel PCC.......................................... 37

Gambar IV.11 Pengaruh laju alir gas terhadap diameter partikel..

......................................................................................................... 38

Gambar IV.12 Hasil analisa SEM PCC pada laju alir 0.4 LPM ....

......................................................................................................... 38

Gambar IV.13 Distribusi partikel PCC pada laju alir 0.4 LPM.....

......................................................................................................... 39

Gambar IV.14 Pengaruh laju alir gas terhadap diameter partikel..

......................................................................................................... 40

viii

DAFTAR TABEL

Tabel II.1 Komposisi biogas secara umum ............................... 4Tabel II.2 Metode penangkap CO2 ........................................... 7

1

BAB IPENDAHULUAN

I.1 Latar BelakangBiogas adalah sumber energi yang terbarukan dimana

dapat membantu meringankan pencemaran lingkungan danmengurangi krisis energi. Sehingga permintaan pasar meningkatsecara global. Pemurnian pada biogas merupakan kunci teknologidalam pengembangan utilisasi biogas. Secara khusus,penghilangan CO2 dalam biogas dapat meningkatkan nilaikalornya untuk memenuhi standar compressed natural gas(CNG).

Secara umum biogas memiliki kandungan 55 hingga70% metana CH4, 30 hingga 45 % karbondioksida (CO2), air danH2S. keberadaan CO2 yang cukup besar dalam kandungan biogasdapat menurunkan nilai kalorinya, kecepatan nyala api, dan batasmudah terbakar dibandingkan dengan gas alam. Selain itu,transportasi biometana pada jarak jauh lebih murah daripadatransportasi CO2 yang larut dalam biogas. Untuk mengubahbiogas menjadi biometana, dibutuhkan dua tahap proses yaituproses pembersihan untuk menghilangkan komponen sisa danpemurnian proses (upgrading) untuk menghilangkan CO2 dalambiogas.

Teknologi yang saat ini banyak digunakan untukmenangkap gas CO2 antara lain water scrubbing, penyerapankimiawi, pressure swing adsorption, dan membrane separation.Namun, karena untuk menangkap gas CO2 dengan cara yang telahdisebutkan sebelumnya akan terlepas kembali, cara pendekatanlain yang lebih ekonomis dibutuhkan untuk merubah CO2 menjadiproduk. Dengan mereaksikan Ca(OH)2 dengan CO2 danmenghasilkan produk samping precipitated calcium carbonates(PCC). (Xi Liu et.al, 2015)

Precipitated calcium carbonates (PCC) digunakansebagai bahan tambahan untuk tinta, plastik, lem. Kertas danindustri karet. Dalam aplikasinya, PCC yang dibutuhkan dalam

2

industri memiliki distribusi ukuran yang kecil, seragam, danmemiliki kristalinitas yang baik. PCC murni mempunyai 3 bentukkristal yaitu kalsit, aragonit, dan vaterit yang masing-masingmemiliki morfologi rhombohedral, hexagonal, dan orthorhombic.Kalsit lebih stabil dari kristal pada suhu dan tekanan ambien.Sedangkan vaterit adalah fase yang paling tidak stabil dari keduafase kristal yang telah disebutkan. (Clifford Y Tai, 2008)

Precipitated calcium carbonat (PCC) dapat di sintesisdari batu kapur dengan tiga metode yaitu metode karbonasi,metode kaustik soda, dan metode solvay. Pada metode kaustikbatu kapur dikalsinasi menjadi CaO, lalu dihidrasi menjadiCa(OH)2 dan kemudian direaksikan dengan larutan natriumkarbonat (Na2CO3) sehingga terbentuk precipitated calciumcarbonat (PCC). Akan tetapi pada metode ini rendemen PCCyang dihasilkan relatif, karena dibatasi oleh kelarutan Ca(OH)2

yang kecil. (Novesar et.al, 2007)Metoda karbonasi banyak digunakan di berbagai industri

dikarenakan memiliki prosedur pembuatan yang sederhana, biayapembuatan rendah, produk yang dihasilkan lebih banyak, dankemurnian yang lebih tinggi. Namun, proses pada metodakarbonasi lebih lamban jika dibandingkan dengan metoda kaustiksoda, karena rendahnya kelarutan CO2 yang digunakan untuksintesis PCC dalam air. Sintesis precipitated calcium carbonatoleh metode karbonasi adalah salah satu yang paling efisien dansederhana sehingga banyak digunakan oleh berbagai industri saatini. (Ominisi et.al, 2017)

I.2 Rumusan MasalahMasalah umum yang terjadi adalah indonesia masih

melakukan impor PCC untuk keperluan industri cat, kertas, karet,makanan, kosmetik, dan farmasi. Kandungan gas CO2 yangterdapat dalam biogas relatif besar dan belum termanfaatkansecara maksimal. Pada penelitian ini memberikan alternatif untukmemanfaatkan gas CO2 yang terdapat dalam biogas dengan caramereaksikan biogas dengan larutan Ca(OH)2 untuk membentuk

3

Precipitated Calcium Carbonate (PCC) dan membandingkanpengaruh distributor gas terhadap yield, ukuran dan morfologipartikel PCC.

I.3 Tujuan PenelitianTujuan penelitian ini adalah untuk:

1. Mengetahui pengaruh laju alir biogas pada waktu kontakterhadap kualitas dan kuantitas PCC yang terbentuk.

2. Membandingkan pengaruh distributor gas terhadap yield,ukuran dan morfologi partikel.

3. Mengetahui pengaruh tinggi larutan Ca(OH)2 dalamkolom gelembung terhadap proses karbonasi.

I.4 Manfaat PenelitianManfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:

1. Mendapatkan biometana dan Precipitated CalciumCarbonate (PCC).

2. Memberikan informasi mengenai alternatif pemurnianbiogas dengan metode bubble column.

5

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

II.1 BiogasLimbah material organik seperti hewan dan tumbuhan

mati, kotoran hewan, dan limbah dapur dapat di konversi menjadibahan bakar gas disebut biogas. Biogas dapat dihasilkan daripengolahan secara anaerobik (anaerobic digestion) dengan bahanbaku berupa limbah organik, seperti limbah cair kelapa sawit(POME), limbah pengolahan sagu, dan kotoran hewan. Bahan-bahan organik yang terkandung dalam limbah tersebutdidekomposisi oleh bakteri anaerobik fakultatif maupun obligatdalam suatu reaktor tertutup pada suhu 35°C – 55°C. Hasildekomposisi bakteri yang berupa biogas akan keluar melaluibagian atas reaktor, sedangkan bahan yang tidak terdekomposisiakan keluar melalui bagian bawah reaktor. Biogas bisa menjadisolusi pengganti energi bahan bakar yang murah dan ramahlingkungan.

Gas metana atau CH4 adalah unsur utama dalam biogasdan merupakan komponen penting dalam pembakaran, tetapi jugamengandung beberapa pengotor. Kandungan biogas dapat dilihatpada tabel berikut:

Tabel II.1 Komposisi Biogas Secara UmumKomposisi Biogas Persentase (%)

Metana (CH4) 55 – 65Karbon dioksida (CO2) 15 – 45Nitrogen (N2) 0.1 - 4Hidrogen Sulfida (HsS) 1 – 5Hidrogen (H2) 0.01 - 2Oksigen (O2) 0.02 – 6.5

(Bori et al,2007)Karbon dioksida (CO2) dalam biogas memberi beberapa

dampak pada hasil biogas seperti: menurunkan nilai kalor,meningkatkan jumlah metana dan sifat anti-knock pada mesin,

6

dan merusak sel bahan bakar alkali. Melalui serangkaian alatpurifikasi untuk menghilangkan pengotor, biogas dapat dijadikannatural gas. Sehingga produk akhir biogas yang merupakancampuran antara CH4 dan CO2 dapat digunakan sebagai energiterbarukan.

II.2 Teknologi Penangkap CO2

Pembangkit listrik, kilang minyak, pemurnian biogas, danjuga produksi ammonia, etilena oksida, semen, besi, dan bajaadalah sumber industri utama CO2. Misalnya, lebih dari 40% dariemisi CO2 di seluruh dunia disebabkan oleh listrik generasi dipembangkit listrik bahan bakar fosil. Karena itu, sumber iniadalah kandidat utama untuk aplikasi potensial carbon captureutilization (CCU).

Pemilihan dalam menangkap CO2 dapat diklasifikasikankedalam post-conversion, pre-conversion dan oxy-fuelcombustion.II.2.1 Post-Conversion Capture

Post-conversion capture melibatkan pemisahan CO2 darilimbah gas setelah konversi sumber karbon menjadi CO2

misalnya, melalui pembakaran bahan bakar fosil atau pencernaanair limbah sludge. Metode ini dapat digunakan untukmenghilangkan CO2 dari berbagai industri. Absorpsi denganmonoethanolamine (MEA) merupakan umum yang digunakan,tetapi metode ini tidak ekonomis untuk diaplikasikan ke semuaindustri sebab regenerasi MEA membutuhkan pemakaian panastinggi. Sebagai contoh, absorpsi MEA CO2 pada pabrik semenkurang baik digunakan dibandingkan dengan pabrik yangmenggunakan gabungan panas dan daya sebab bentuk kurangnyapemulih panas, sehingga adanya biaya energi tambahan.II.2.2 Pre-Conversion Capture

Pre-conversion capture melibatkan penangkapan CO2

yang dihasilkan sebagai co-produk yang tidak diinginkan darireaksi perantara konversi proses. Beberapa contoh termasukproduksi ammonia dan gasifikasi batubara di pembangkit listrik.

7

Dalam ammonia produksi, CO2 yang diproduksi Bersama denganhydrogen selama uap reformai harus dihilangkan sebelum sintesisammonia terjadi. Penyerapan di MEA yang biasa digunakanuntuk tujuan ini. Begitu pula dengan integrated gasificationcombined cycle (IGCC) pembakit listrik, CO2 harus dipisahkandari hidrogen biasanya dapat dicapai dengan menggunakanpelarut fisik seperti selexol dan rectisol. Porous organicframework membranes dapat digunakan untuk menangkap CO2

karena selektivitas CO2 dan memiliki daya serapan tinggi.Namun, tidak ada aplikasi telah dilaporkan sampai saat ini.

Seperti dengan post-conversion, penangkapan CO2

melalui pre-conversion juga melibati denda energi untukregenerasi pelarut kimia (seperti MEA) lebih rendah untuk pelarutfisik sebagai mana adanya diregenerasi dengan mengurangitekanan bukan dengan panas. Oleh karena itu, pelarut lebih sesuaiuntuk diaplikasikan dengan operasi tekanan tinggi dan lebihefisien untuk aliran CO2 yang tinggi.II.2.3 Oxy - fuel combustion capture

Oxy – fuel combustion dapat diaplikasikan kedalamproses yang melibati pembakaran, seperti pembangkit listrikdengan bahan bakarl fosil, industri produksi semen, besi dan baja.Pada metode ini, bahan bakar dibakar dengan oksigen murniuntuk menghasilkan gas buang dengan konsentrasi CO2 tinggi danbebas dari nitrogen dan senyawanya NO dan NO2. Sementarauntuk menghindari kebutuhan akan bahan kimia atau carapemisahan CO2 lainnya dari gas buang, kerugiannya adalahmahalnya oksigen dan dampak lingkungan, termasuk emisi CO2,terkait dengan produksi tinggi karena pemisahan udara yangintensif. (Rosa M et.al, 2014)

8

Tabel II.2 Metode penangkap CO2

Captureoption

SeparationTechnology

Method

Post-conversion

Absorption bychemical solvent

Adsorption bysolid sorbents

Membraneseparation

CryogenicseparationPressure/vacuum

Amine-based solvent,e.g.monoethanolamine(MEA),dethanolamine(DEA), and hindererdamine (KS-1)

Alkaline solvents, e.g.NaOH and Ca(OH)2

Ionic liquids Amine-based solid

sorbents Alkali earth metal-

based solid sorbents,e.g. CaCO3

Alkali metalcarbonate solidsorbents, e.g. Na2CO3

and K2CO3

Porous organicframeworks -polymers

Polymericmembranes, e.g.polymeric gaspermeationmembranes

Inorganic membranes,e.g. zeolites

Hybrid membranes Cryogenic separation Zeolites

9

swing adsorption Activated carbonPre-conversion

Absorption byphysical solventsAbsorption bychemical solvent

Selexol, rectisol

Amine-based solvent,e.g. (MEA)

Oxy-fuelcombustion

Separation ofoxygen from air

Oxy-fuel process Chemical looping

combustion Chemical looping

reforming

10

Gambar II.1 Skema metode penangkap CO2

II.3 Teknologi Pemurnian BiogasII.3.1 Water Scrubbing

Water scrubbing biasa digunakan untuk menghilangkanCO2 dan H2S dari biogas karena gas tersebut lebih larut dalam alirdaripada metana. Proses absorpsi besifat fisik. Biasanya biogasbertekanan diumpankan ke dasar packed column sementara air dialirkan dari atas kolom sehingga proses absorpsi berjalan secaracounter-current. Water scrubbing juga dapat digunakan untukmenghilangkan H2S karena H2S lebih mudah larut daripada CO2

11

dalam air. Air yang keluar dari kolom dengan CO2 dan H2S yangdiserap dapat di regenerasi dan disirkulasi ulang kembal ke kolomabsorbsi.

Regenerasi dilakukan dengan penurunan tekanan ataustripping dengan udara pada kolom yang sama. Stripping denganudara tidak disarankan saat kadar H2S tinggi karena air akanterkontaminasi dengan dasar sulfur dapat menyebabkan masalahoperasional. Jika ketersediaan air dapat digunakan, misalnya airkeluar dari instalasi pengolahan limbah, metode ini membutuhkanbiaya yang palin efisien.

Gambar II.2 Diagram alir teknologi water scrubbingKeuntungan menggunakan water scrubbing tidak membutuhkanbahan kimia khusus dan penghilangan ke dua gas CO2 dan H2S.kerugian pada water scrubbing adalah membutuhkan banyak airpada regenerasi, juga keterbatasan penghilangan H2S, karenamenurunnya CO2 pada pH larutan dan korosi peralatandisebabkan oleh H2S. menurut De Hullu et.al (2008), biayametode water scrubbing adalah 0.13 €/Nm3 biogas.

II.3.2 Penyerapan KimiawiPenyerapan kimiawi melibatkan pembentukan ikatan

kimia revesibel antara zat terlarut dan pelarut. Regenarasi pelarutmelibatkan pemutusan ikatan dan membutuhkan energi yang

12

relatif tinggi. pelarut kimia umumnya menggunakan larutanaqueous amine (yaitu mono-, di- atau tri-ethanolamine) ataularutan garam alkali (yaitu natrium, kalium dan kalsiumhidroksida).

Gambar II.3 Diagram alir teknologi penyerapan kimiawiBiswas et al. (1977) melaporkan metode bubbling biogasmelewati 10% larutan aqueous mono-ethanolamine dapatmenurunkan kandungan CO2 pada biogas 40 menjadi 0.5-1.0%volumenya. Larutan MEA dapat regenerasi secara sempurnadengan didihkan selama 5 menit sebelum dapat digunakankembali. Keuntungan penyerapan kimiawi adalah penghilangankadungan H2S sempurna, efisiensi tinggi dan laju reaksidibandingkan water scrubbing, dan memiliki kemampuanberkerja pada tekanan rendah. Karena keuntungan tersebut, prosesini secara umum di aplikasi oleh banyak industri, termasukpemurnia gas alam (Kim et al., 2004; Palmeri et al., 2008).Kerugiannya adalah perlu adanya bahan kimia dan memilikiutilitas untuk mengolah bahan kimia tersebut. Biaya yangdiperlukan pada metode ini diperkirakan 0.17 €/Nm3 biogas,menurut De Hullu et al. (2008).

13

II.3.3 Pressure Swing AdsorptionPressure swing adsorption adalah teknologi yang

digunakan untuk memisahkan beberapa spesies gas dari campurangas yang berada di bawah tekanan sesuai dengan karakteristikmolekuler spesies dan afinitas bahan adsorben. teknologi iniberoperasi pada suhu ambien terdekat dan sangat berbeda dariteknik distilasi kriogenik pada pemisahan gas. Bahan adsorptifkhusus (misalnya, zeolit dan karbon aktif) digunakan sebagaisieve molekuler, secara khusus mengadsorpsi spesies gas padatekanan tinggi. Proses kemudian beralih ke tekanan rendah untukmenghilangkan bahan adsorben. (Cavenati et al., 2005)

Gambar II.4 Diagram alir pressure-swing adsorptionPressure swing adsorption menggunakan zeolite atau

karbon aktif pada tingkat tekanan yang berbeda merupakanmetode efektif dalam pemisahan CO2 dari metana (Grande andRodrigues, 2007; Pinto et al., 2008). Karbon aktif yang diresapioleh potassium iodide dapat secara katalitis bereaksi denganoksigen dan H2S untuk menghasilkan air dan sulfur(Pipatmanomai et al., 2009). Reaksi paling baik dicapai pada 7hingga 8 bar dan suhu 50 hingga 70oC. karbon aktif diperlukanuntuk regenerasi atau digantikan ketika mencapai jenuh.Keuntungan penggunaan teknologi PSA lebih dari 97% CH4 dapatdi murnikan, emisi rendah dan menghilangkan nitrogen dan

14

oksigen. Kerugian teknologi PSA penghilangan kandungan H2Stambahan diperlukan sebelum proses PSA. Selain itu, gas sisa dariPSA masih perlu diolah kembali. Teknologi ini relatif lebih mahaldibandingkan teknologi yang lain, menurut De Hullu et al. (2008),biaya instalasi metode PSA adalah 0.40 €/Nm3 biogas.II.2.3 Pemisahan Membran

Prinsip teknologi pemisahan membran adalah beberapakomponen gas mentah di alirkan melalui membran tipis sementarakomponen lainnya dipertahankan. Permeabilitas adalah fungsilangsung dari kelarutan kimia dari komponen dalam membran.Membran padat dapat dibangun sebagai modul serat beronggaatau struktur lainnya yang memberikan permukaan membranbesar per volume. tekanan operasi yang biasa digunakan berkisar25 hingga 40 bar. Prinsip dasar pemisahan membranmenghasilkan pertukaran antara kemurnian metana tinggi padagas yang ditingkatkan dan hasil metana yang tinggi. Kemurniangas yang ditingkatkan dapat diperbaiki dengan meningkatkanukuran atau jumlah modul membran, namun lebih banyak metanayang akan menembus melalui membran dan menghilang.

Gambar II.5 Diagram alir pemisahan membran

15

Keuntungan teknologi pemisahan membran adalahprosesnya ringan, pengolahan yang mudah, memiliki persayaratanenergi dan perawatan yang rendah. Kelemahan pemisahanmembran adalah hasil CH4 relatif rendah dan biaya membranyang tinggi. Menurut De Hullu et al. (2008), biaya metodemembran adalah 0.12 €/Nm3 biogas. Meskipun biaya ini rendahdibanding dengan metode lain yang ditinjau, kesulitan denganhasil dan kemurnian serta potensi membrane fouling (pergantianmembran) meningkatkan biaya operasi dan sangat mempengaruhiekonomi proyek.

II.4 Precipitated Calcium Carbonate (PCC)Calcium Carbonate (CaCO3) dapat ditemukan pada

kebanyakan mahluk hidup. CaCO3 biodegradable, biocompatible,dan material dengan sensitifitas pH yang baik. Properti CaCO3

cocok untuk kemampuan dekomposisi terkontrol baik dalam vitrodan vivo.

Dalam industri makanan, kalsium karbonat dimanfaatkantidak hanya untuk menyediakan sistem tubuh dengan nutrisipenting (kalsium), tetapi juga sebagai kondisioner dalampencegahan bubuk makanan menjadi kering. Selain itu,precipitated calcium carbonate sering digunakan dalam pasta gigiyang berfungsi sebagai abrasive dan fillers. PCC jauh lebih murahdari bahan abrasive yang lain seperti silica dan dicalciumphosphate. PCC mempunyai banyak kelebihan dibanding groundcalcium carbonate dengan ukuran partikel yang lebih kecil,kemurnian tinggi, distribusi ukuran partikel kecil dan bentukkristal biasa. Tidak seperti ground calcium carbonate, PCC dapatdiproduksi dalam berbagai bentuk partikel dan dalam ukuranpartikel halus. PCC semakin banyak digunakan di industri sepertikertas, karet, cat, tekstil, plastik dan lain-lain. Calcium carbonateterdapat dalam tiga mineral yaitu kalsit, aragonit, dan vaterit

Precipitated Calcium Carbonate (PCC) dapat diproduksimelalui 2 metode utama yaitu: solid-liquid route yang melibatkanreaksi langsung antara Ca2+ dan CO3

2- dalam larutan, dan solid-

16

liquid-gas route dimana gas CO2 direaksikan dengan larutanCa(OH)2

Pada liquid-liquid route larutan garam karbonandigunakan sebagai pengganti gas CO yang ditambahkan kereaktan dalam proses proses karbonasi sebelumnya. Proses inisering digunakan dalam produksi laboratorium karena mudahdalam mengendalikan variabel operasinya. Polimorf PCC yangpaling umum diperoleh melalui solid-liquid route adalah kalsitrhombohedral. Dalam proses ini, kalsium karbonat dapatterbentuk melalui reaksi berikut:

CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + 2NaCl (1)CaCl + (NH4)2CO3 CaCO3 + 2NH4Cl (2)

Gambar II.6 Sintesa PCC melalui metoda kaustik soda

Solid-liquid-gas route, juga dikenal sebagai metodekarbonasi, banyak digunakan di industri karena prosedur yangsederhana, biaya rendah, hasil lebih banyak dan kemurnian yanglebih tinggi. Namun, metode karbonasi membutuhkan waktu yang

17

cukup lama karena kelarutan CO yang rendah digunakan untuksintesis PCC. Dalam proses ini batuan karbonat dikalsinasidengan menggunakan furnace antara suhu 900-1000°C, kemudiandiolah dengan air untuk menghasilkan Ca(OH)2 atau susu kapur.Susu kapur dikarbonasi dengan karbonasi dengan CO2 yangdiperoleh dari proses kalsinasi.

CaCO3 CaO + CO2 (3)CaO + H2O Ca(OH)2 (4)Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 (PCC) + H2O (5)

Gambar II.7 Sintesa PCC dengan metode karbonasi(Onimisi,2017)

II.5 Polimorf Precipitated Calcium Carbonate (PCC)Precipitated Calcium Carbonate memiliki tiga bentuk

kristal yaitu kalsit, aragonit, dan vaterit. Aditif dan surfaktanorganik biasanya digunakan untuk memanipulasi ukuran partikel

18

dan morfologi kalsium karbonat. Sebagian besar menghasilkanperubahan struktur dan karakteristik kristal kalsit, tergantungaditif atau pelarut organik yang digunakan. Selain bergantung ataskondisi reaksi, pemilihan polimorfinasi kalsium karbonatmelibatkan perubahan parameter seperti suhu, kondisipencampuran atau pengadukan, pH, pelarut, dan penggunaanaditif organik atau anorganik.II.5.1 Calcite Polymorph

Polimorf kalsit adalah yang paling efisien dan tidakberacun, dan secara termodinamika lebih stabil pada rentang suhuyang luas diantara ketiganya. Namun, memiliki fase yang palingtidak larut pada rentang suhu 0-90 °C. Ini digunakan sebagai fillerpada plastik untuk mengurangi opasitas dan untuk meningkatkankilau pada permukaan cat. Kalsit sebagian besar digunakan diindustri karena penampilan superior dan memberikan warna yangberkilau pada warna akhir. Di bawah mikroskop, PCCdiidentifikasikan dalam bentuk kristal rhombohedral.

Gambar II.8 Calcite PCCII.5.2 Aragonite Polymorph

Aragonit PCC adalah polimorf lain dari kalsium karbonatyang sedikit stabil secara termodinamika pada suhu yangterkontrol. Indeks bias rata-rata PCC aragonit sedikit lebih besardari kalsit, membuatnya bahan pelapis yang lebih baikdibandingkan polimorf kalsit. Aragonit sering digunakan diindustry sebagai aditif atau filler di kertas, karet, plastik, cat, dan

19

pigmen. Partikel aragonite dengan aspek rasio syang sangat tinggimeningkatkan kekuatan benturan dan elastisitas karet dan plastik.

Gambar II.9 Aragonite PCCII.5.3 Vaterite Polymorph

Merupakan bentuk kalsium karbonat yang tidak stabil.Dalam kondisi normal, vaterite akan berubah menjadi kalsitsampai benar-benar lenyap. Memiliki densitas 2.54 g/cm3 dantermasuk dalam kristal heksagonal. Aditif organic memainkanperan penting pada pertumbuhan kristal vaterit dan dapatmencegah transformasi dari vaterit menjadi kalsit. Vateritmerupakan polimorf kalsium karbonat yang paling larut. Dalamindustri biomedis, vaterit digunakan sebagai agen pelapis untukmencegah percepatan degradasi dan juga penerapan material padabangunan dan konstruksi.

Gambar II.10 Vaterite PCC

20

II.6 MicrobubblesMicrobubbles (MBs) adalah gelembung sangat kecil

dalam cairan, dengan diameter beberapa puluh mikrometer. Salahsatu penggunaan MBs adalah pemurnian air, dicapai denganmeningkatkan konsentrasi oksigen terlarut di air yang tercemar.Sebagai penggunaan MBs dalam waktu Panjang ke aplikasi yanglebih luas, pemulihan partikel dan precipitated calcium carbonatedengan menggunakan Ca(OH)2 telah dipelajari. Aplikasi initerkait dengan properti fisik MBs yang tidak ditemukan dalamgelembung biasa dalam cairan, yaitu konsentrasi gas tertentudalam cairan akan tetap tinggi jika gas yang terkandung dalamMBs tinggal pada waktu yang lama.

Persamaan (1) menjelaskan stabilitas pada ukuran MBs:σ = , (1)

dimana σ, G, dan A adalah tegangan permukaan, G energi gibbs,dan luas permukaan, pada CO2 bubble:JCO2 z = −DCO2 A (2)

Dimana, JCO2Z adalah laju konsentrasi CO2 difusi terhadap arah z(mol/m2s), DCO2A adalah koefisien difusi CO2 melewati suspensi(m2/s), dCO2 perubahan konsentrasi (mol/m3), dan dZ adalahperubahan Panjang terhadap arah z (m).

Tegangan permukaan meningkat karena luas permukaangelembung berkurang, jika energi gibbs pada kedua bentuktersebut identik. Selain itu, menurunnya luas permukaan akanmenurunkan volume dan laju pelepasan gelembung. Oleh karenaitu, MBs dapat tetap bertahan lebih lama dari gelembung biasa.Peningkatan konsentrasi gas dalam fase air akan meningkatkanlaju difusi. Hukum pertama difusi pada persamaan (2),menunjukkan bahwa tingkat difusi CO2 meningkat dalam arah z,jika konsentrai CO2 meningkat. Dampak kualitas MBsmeningkatkan konsentrasi gas berbeda dari gelembung biasa(seperti yang terlihat pada pernapasan air melalui sedotan).Penggunaan microbubble (MBG) menghasilkan precipitated

21

calcium carbonate ukuran yang lebih kecil daripada difusi udaradengan diameter 3 cm. Feng et al. juga menperoleh ukuran PCCyang kecil dengan menurunkan ukuran pori frit yang digunakanuntuk pada metode bubbling CO2 dalam suspensi Ca(OH)2. (Jun-Hwan Bang et al, 2015)

II.7 Gas hold upGas hold up adalah rasio volume fasa gas terhadap

volume total. Gas hold up adalah parameter hidrodinamik yangpenting dan merupakan ukuran dasar dari kontak gas-cair. Gashold up diatur oleh ukuran gelembung rata-rata, populasigelembung dan kecepatan gelembung. Gas hold up pada kolomgelembung diukur melalu pengolahan gambar pada permukaanbebas. Tinggi rata-rata suatu cairan pada fungsi waktu dapathitung dengan persamaan sebagai berikut:

(3)Sehingga total gas hold up dapat dihitung melalui persamaan (4)

(4)Dimana t1 adalah waktu saat pencatatan dimulai, dan T adalahwaktu ketika pengambilan sampel. (Shohei et.al, 2009)

II.8 Penelitian TerdahuluC.Ofori et. al (2009), melakukan penghilangan CO2 dari

biogas dengan menggunakan water scrubbing. Biogas dikompresipada tekanan 1.0 MPa sehingga meningkatkan kelarutan karbondioksida dalam air. Air dilepaskan pada tekanan 1.3 MPa untukmemenuhi tekanan gas yang masuk kedalam kolom secaraberlawanan arah. Dari beberapa metode pemurnian biogas, waterscrubbing merupakan yang paling sederhana serta memiliki biayaoperasi dan perawatan yang rendah. Namun, membutuhkanbanyak air pada regenerasi, juga keterbatasan penghilangan H2S,

22

karena menurunnya CO2 pada pH larutan dan korosi peralatandisebabkan oleh H2S. (C. Ofori et. al, 2009)

Xi Liu et.al (2015), melakukan pemurnian biogas dansintesis calcium carbonate dengan reaktor multi stage membrane.Pada penelitian ini slurry Ca(OH)2 dialirkan menuju reaktor multistage membrane untuk memurnikan biogas dan sitensis nanoprecipitated calcium carbonates (PCC). Reaktor multi stagemembrane berhasil memurnikan biogas (dengan kandungankeluaran CO2 kurang dari 3%) dan menghasilkan nano calciumcarbonate dengan ukuran diameter rata-rata 72.8 nm. Namun,biaya dalam pembuatan reaktor multi stage membranemembutuhkan biaya yang cukup tinggi. (Xi Liu et.al, 2015)

Maizirwan Mel et. al (2016), melakukan penghilanganCO2 dari plant biogas dengan menggunakan kolom absorbsikimiawi. Pada penelitian ini CO2 dan H2S dimurnikan denganmenggunakan larutan sodium hidroksida (NaOH). Konsentrasisodium hidroksida bervariasi sebagaimana laju alir biogasnya.Penelitian ini mengungkapkan efisiensi penghilangan tertinggitelah dilakukan pada konsentrasi 14% larutan sodium hikrodsidayang digunakan dan kapasitas penyerapan maksimum tercapaibila CH4 meningkat 54.9 % dari awalnya. Namun, metana yangtelah dimurnikan tidak terlalu tinggi dikarenakan konsentrasimetana di dalam biogas menjadi jenuh secara cepat. (MaizirwanMel et. Al, 2016)

Novesar et.al (2007), melakukan pembuatan precipitatedcalcium carbonate (PCC) dari batu kapur dengan menggunakanmetoda kaustik soda. Penelitian ini dilakukan dengan penambahanlarutan HNO3 1 – 2 M dan penambahan larutan Na2CO3 dengankonsntrasi 0.25 – 2 M, reaksi dilakukan dengan variasi 30, 45, 60,90 dan 120 menit. Waktu reaksi yang terlalu cepat akanmenyebabkan kesempurnaan reaksi belum tercapai sehinggaproduk yang dihasilkan lebih kecil dari yang seharusnya.Pengaruh konsentrasi HNO3 pada rendemen PCC yang dihasilkanmenunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi HNO3 makarendemen yang dihasilkan semakin tinggi. Namun, penambahan

23

larutan HNO3 menyisakan residu berupa serbuk yang berwarnalebih kuning dibandingkan dengan CaO awal. (Novesar et.al,2007).

Clifford et.al (2008), melakukan pembuatan precipitatedcalcium carbonate (PCC) dengan metoda reverse micro-emulsiontechnique. Penelitian ini dilakukan dengan mempersiapkan CaCl2

dan Na2CO3 reverse microemulsions dengan mencampurkanisooktan, surfaktan, larutan encer CaCl2 dan Na2CO3 pada suhu25oC. besar ukuran PCC yang terbentuk memiliki ukuranmikrometer, dengan bentuk rod-like, bola, dan cincin. Untukmenghasilkan partikel CaCO3 yang submicron dan bentuk yangbermacam-macam maka dilakukan upaya perubahan konsentrasireaktan, memvariasikan jumlah relatif kedua mikroemulsi ataupenambahan sejumlah kecil zat aditif. (Clifford et.al, 2008)

Qudsiyyatul et.al (2012), melakukan pembuatanprecipitated calcium carbonate (PCC) dengan metoda bubbling.Penelitian ini dilakukan dengan pembuatan larutan CaCl2 yangdilakukan dengan mereaksikan CaO hasil kalsinasi dengan HCL10 M dan penambahan larutan NH4OH hingga pH 10. Proseskarbonasi (bubbling) dilakukan dengan variasi suhu 30oC, 50OC,70OC dan laju alir CO2 2, 5, dan 7 SCFH. Pada suhu 300Cterbentuk fasa kalsit dan vaterit. Pada suhu 500C terbentuk fasakalsit, aragonit, dan vaterit. Pada suhu 700C hanya fasa aragonityang terbentuk. Hal ini menunjukkan bahwa temperaturemempengaruhi pembentukan fase dari CaCO3. Peningkatan lajualiran gas CO2 fase metastabil menghilang dan hanya terdapatfase kalsit di mana fase kalsit merupakan fase yang paling stabil.(Qudsiyyatul et.al, 2012)

Anuar et.al (2015) melakukan pembuatan precipitatedcalcium carbonate (PCC) dengan metoda karbonasi. Penelitian inidilakukan dengan mempersiapkan larutan kalsium sukrosa denganmencampurkan larutan Ca(OH)2 dengan larutan sukrosa. Variasilaju alir CO2 yang digunakan adalah 0.2 dan 1 L/min. PCC yangtebentuk tanpa zat aditif memiliki bentuk ukuran yang baik danseragam dibandingkan adanya zat aditif. Tetapi, jumlah PCC yang

24

dihasilkan menggunakan zat aditif memiliki jumlah yang lebihbanyak dibandingkan tanpa aditif. Peningkatan laju alir gas CO2

akan menurunkan ukuran partikel PCC. Penggunaan aditif sepertisukrosa dapat meningkatkan produk PCC karena kelarutan kapurhidrat dalam larutan sukrosa lebih tinggi dibandingkan dengan air.(Anuar et.al 2015)

25

BAB IIIMETODOLOGI PENELITIAN

Pada penelitian ini, sintesis Precipitated calcium carbonate(PCC) akan di proses menggunakan metode karbonasi denganmenggunakan reaktor kolom gelembung. Biogas yang digunakanberasal dari Dusun Podorejo, Desa Sajen, Kecamatan Pacet,Kabupaten Mojokerto yang didanai oleh ITS. Biogas ini memilikikandungan gas 69% metana (CH4), 31% karbon dioksida (CO2).Larutan Ca(OH)2 dipersiapkan dengan cara melarutkan serbukCaO ke dalam air dimeneralisasi berdasarkan kelarutannya. Untukmengetahui pengaruh metana dalam biogas terhadap reaksi CO2

dengan larutan Ca(OH)2. CO2 murni dengan kelarutan 0.00125gram gas/gram air digunakan sebagai pembanding dalampenelitian ini.

III.1 Bahan dan Peralatan PenelitianIII.1.1 Bahan

1. Serbuk CaO2. Biogas3. Gas CO2

4. Aquades

III.1.2 PeralatanIII.1.2.1 Alat Pembuatan Precipitated Calcium Carbonate(PCC)

1. Tabung gas berfungsi penampung biogas.2. Flowmeter gas (Wiebrock) berfungsi sebagai pengukur

laju aliran gas.3. Glass Bead (diameter 1 - 2 mm) berfungsi sebagai

packing untuk distributor gas.4. Perforated Plat (diameter lubang 0.5 dan 1 mm) berfungsi

sebagai distributor gas.5. Cylindrical column berfungsi sebagai tempat reaksi

pembentukan PCC.

26

6. pH meter (Testo 206) berfungsi mengukur pH larutan.

Gambar III.1 Skema alat Pembuatan PCC

Gambar II.2 Pola distributor (a) 1 mm (b) 0.5 mm

(a) (b)

27

III.2 Variabel dan Kondisi OperasiVariabel penelitian yang digunakan adalah laju alir gas

(CO2 dan biogas), ukuran diameter lubang pada perforated platdistributor gas, dan tinggi larutan Ca(OH)2 dalam kolomgelembung. laju alir gas yang digunakan adalah 0.1, 0.2, 0.3, 0.4,dan 0.5 l/min, tinggi cairan dalam kolom gelembung yang didigunakan adalah 50, 60, 70, dan 80 cm, dan ukuran diameterlubang distributor gas 0.5 mm dan 1 mm.

Kondisi operasi yang digunakan pada penelitian ini adalahsebagai berikut:

1. Pelarutan CaO menjadi Ca(OH)2 disertai denganpengadukan dilakukan pada suhu kamar.

2. Untuk mengetahui pengaruh laju alir biogas:konsentrasi larutan Ca(OH)2, dan diameter lubangperforated gas distributor dikontrol (konsentrasi larutanCa(OH)2 2.38 gram CaO/1 liter air, dan diameter lubangPGD 1 mm ).

3. Untuk mengetahui pengaruh diameter lubang diameterperforated gas distributor (PGD): laju alir biogas, dankonsentrasi larutan Ca(OH)2 dikontrol (laju alir biogas0.3 L/menit, konsentrasi larutan Ca(OH)2 2.38 gramCaO/1 liter air).

4. Untuk mengetahui pengaruh penyerapan gas CO2: lajualir biogas, dan konsentrasi larutan Ca(OH)2 dikontrol(laju alir biogas: 0.5 L/menit, konsentrasi larutanCa(OH)2 2.38 gram CaO/1 liter air).

5. Hal yang sama juga dilakukan pada CO2 murni sebagaipebanding.

III.3 Prosedur PercobaanPercobaan ini dibagi menjadi 2 tahapan yaitu:1. Sintesis precipitated calcium carbonates (PCC)2. Karakterisasi precipitated calcium carbonates (PCC)

28

III.3.1 Sintesis Precipitated Calcium Carbonates (PCC)Pertama larutan Ca(OH)2 dipersiapkan dengan melarutkan

2.38 gram CaO dalam 1 liter air. Larutan ini diaduk menggunakanmagnetic stirrer dengan kecepatan konstan 450 rpm selama 10menit pada suhu ruang. Larutan Ca(OH)2 dan biogas diumpankanke dalam kolom gelembung secara berlawanan. Untuk mengukurperubahan pH terhadap waktu, sebanyak 100 ml larutan sampeltersebut di analisa menggunakan pH meter probe (testo 206)setiap 2 menit untuk mengetahui titik akhir proses karbonasi.Reaksi sempurna ditunjukkan dengan penurunan pH yang stabilmenjadi 7. Kemudian sampel dari reaktor dikumpulkan dandipisahkan dengan filtrasi setelah didiamkan dan didinginkanselama 2 jam. Precipitated calcium carbonate (PCC) dikeringkanpada suhu 70oC selama 12 jam sebelum digunakan untukkarakterisasi.

III.3.2 Karakterisasi Precipitated Calcium Carbonates (PCC)Untuk memastikan adanya perbedaan dalam pengambilan

sampel untuk tujuan karakterisasi, sampel dari reaktor kolomgelembung dikumpulkan ketika reaktor mencapai kondisi steadystate. Pola XRD precipitated calcium carbonate (PCC) di analisadengan menggunakan difraktometer sinar-X (X’pert PRO PANalytical) antara 20oC hingga 80oC dengan tingkat pemindaian2o/menit. Radiasi Cu Kα (tabung LFF 30 mA, 30 kV) dipilihuntuk Analisa XRD. Morfologi precipitated calcium carbonate(PCC) di Analisa dengan menggunakan Scanning ElectronMicroscopy (SEM) (INSPECT S50 15 kV, dengan perbesaran10000x dan 25000x). Pola XRD partikel CaCO3 yang didapatdisesuaikan pada pola referensi yang terdapat pada softwareanalisa pola XRD dan diameter rata-rata 150 partikel PCC diAnalisa dengan software Analisa gambar.

29

BAB IVHASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam penelitian ini bertujuan untuk mengetahuipengaruh laju alir biogas pada waktu kontak terhadap kualitas dankuantitas, membandingkan pengaruh distributor gas terhadaprendemen, ukuran dan morfologi partikel, dan mengetahuipengaruh tinggi larutan Ca(OH)2 dalam kolom gelembungterhadap kuantitas PCC yang terbentuk dengan menggunakanmetode karbonasi. Biogas pada penelitian ini memiliki kandungangas 69% metana (CH4), 31% karbon dioksida (CO2). Gas CO2

murni digunakan sebagai pembanding. Sementara larutanCa(OH)2 dengan konsentrasi 2.38 gram CaO/liter akan dikontakkan dengan biogas secara counter current.

IV.1 Pengaruh Laju Alir Gas pada Proses KarbonasiIV.1.1 Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Perubahan pH

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya reaksi sempurnaditunjukkan dengan nilai pH mendekati netral (pH = 7). Dalamhal ini, pH menjadi indikator utama untuk menjustifikasikesempurnaan dari reaksi. Penurunan pH mengindikasikan bahwaion Ca2- bereaksi dengan CO2 untuk membentuk CaCO3. Olehkarena itu, jika pH lebih dari 7 maka mengindikasikan proseskarbonasi tidak berjalan sempurna dikarenakan keberadaan ionOH- dalam larutan. Mekanisme pembentukkan PCC dapatditunjukkan pada persamaan reaksi berikut:

a) Disolusi Ca(OH)2 menjadi ion Ca2+ dan OH-

Ca(OH)2(s) Ca2+ + 2OH-(aq) (1)

b) Penyerapan CO2 di dalam air

CO2 CO2(aq) (2)

30

CO2(aq) + OH-(aq) HCO3

-(aq) (3)

c) Reaksi ion Ca2+ dan CO32-

HCO3-

(aq) + OH-(aq) H2O + CO3

2- (4)

Ca2+(aq) + CO3

2- CaCO3 (5)

Gambar IV.1 Perubahan pH terhadap waktu karbonasi.(a) CO2 murni (b) Biogas.

Perubahan pH ketika proses karbonasi dibagi menjadi duatahap: (1) laju penyerapan konstan dan (2) laju penurunanpenyerapan (falling rate). Laju konstan terjadi ketika lebih dari75% Ca(OH)2 berubah menjadi partikel PCC seiring denganpenambahan CO2 yang diberikan ke dalam larutan sedangkantahap (falling rate) terjadi saat pembentukan partikel PCC selesai.Menurunnya pH dengan cepat tergantung pada tingkat penurunanCO2. Hal ini menunjukkan bahwa Ca(OH)2 bereaksi secarasempurna. Pada tahap pertama, pH larutan tidak menurun karenalaju penyerapan CO2 lebih rendah daripada laju disolusi Ca(OH)2.Perubahan pH larutan pada karbonasi telah dipelajari padapenelitian sebelumnya oleh Bang et al 2011. Daerah hatchedregion (HR) diidentifkasi dengan perubahan pH yang curam.

(a) (b)

31

Kecenderungan pH menunjukkan bahwa waktu terpendek yangdibutuhkan untuk mencapai HR terjadi pada laju alir CO2 yanglebih besar. Kenaikan laju alir CO2 menyebabkan proses reaksikarbonasi berjalan cepat. Hal ini dapat ditujukkan pada GambarIV.1. Perubahan pH yang cepat selama reaksi karbonasi terjadipada CO2 murni. Hal ini terjadi karena, kandungan CO2 yangterdapat didalam biogas rendah. Kandungan CO2 yang rendahpada biogas menyebabkan absorpsi gas CO2 berjalan lebih lama.

IV.1.2 Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Konversi PCCCO2 pada variasi pH memiliki bentuk yang berbeda, yaitu

CO32-, HCO3

-, dan H2CO3 pada pH > 10, 6 - 10, dan < 6 secaraberurutan. Pembentukan ion karbonat yang akan membentukpresipitasi dengan ion kalsium, dominan pada pH diatas 10. Akantetapi, pada pH yang relatif rendah pembentukan presipitasi akansemakin berkurang dengan adanya H2CO3 tanpa adanya ionbikarbonat dan karbonat. Sedangkan pada pH netral, ionbikarbonat terbentuk dan sulit membentuk karbonat dengan iondivalent sehingga akan sulit terbentuknya presipitasi membentukCaCO3. Pada awal reaksi, ion kalsium dari larutan Ca(OH)2

bereaksi dengan CO32- membentuk CaCO3 pada pH yang masih

tinggi karena masih tersedianya ion hidroksida yang dapatmenjaga tingkat pH dalam larutan. Ketika pH turun keberadaanCO3

2- semakin berkurang dan membentuk HCO3- sehingga

pembentukan presipitasi akan semakin berkurang. Saat laju alirgas meningkat, CO2 yang dipasok semakin besar danmeningkatkan stabilitas pH dengan adanya CO3

2-. Sehingga padalaju alir gas yang semakin banyak akan meningkakanpembentukan CaCO3. Hal ini seperti yang ditunjukkan padaGambar IV.3.

32

Gambar IV.2 Konversi CaO terhadap laju alir gas.

Gambar IV.3 Yield CaCO3 terhadap laju alir gas.

33

Disamping itu, gas hold up merupakan faktor yang bisadigunakan untuk mengetahui pengaruh laju alir terhadap konversiPCC. Dimana, semakin tinggi laju alir gas akan meningkatkan gashold up yang terdapat dalam kolom. Hal ini sesuai denganpenelitian yang telah dilakukan oleh Shohei et al 2015. sehinggaberakibat pada peningkatan jumlah gas yang tertahan di dalamkolom gelembung dan ini merupakan variabel kunci yangmenentukan seberapa kuat kontak antara gas dengan cairan.Karena dengan meningkatnya gas yang tertahan di dalam kolomakan mencegah gas terlepas dari larutan dengan cepat sehinggameningkatkan kelarutan CO2 di dalam larutan.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, bahwakandungan biogas terdiri dari 69% metana dan 31% karbondioksida. Adanya kandungan dan kelarutan metana (0.00175 gramgas/gram air) yang besar, akan menjadikan inert dalam prosesabsorbsi CO2 dalam larutan sehingga membatasi ruang gerak gasCO2 untuk bereaksi dengan larutan Ca(OH)2 meskipun gas metanatidak bereaksi dan mempengaruhi proses karbonasi melainkanberpengaruh terhadap waktu penyerapan. Sehingga, konversi PCCyang dihasilkan menjadi lebih banyak. Gas metana dalam biogastidak memiliki kemungkinan untuk diserap oleh larutan Ca(OH)2.Gas CO2 memiliki sifat asam dan polar sehingga akan terjadireaksi kimia dengan larutan Ca(OH)2 yang bersifat basa.Sebaliknya gas metana memiliki sifat netral. Struktur pada gasmetana yang berbentuk tetrahedral menjadikan gas metanabersifat non-polar Rashed et al 2015. Seperti yang terlihat padaGambar IV.3.

Jika ditinjau dari tegangan permukaan antara gas CO2 danbiogas, tegangan permukaan biogas lebih besar dibandingkanCO2, hal ini sesuai dengan penelitian yang telah dilakukan olehWei Yan et al 2001. Dimana tegangan permukaan gas metanapada tekanan 1 atm yaitu 72 mN/m sedangkan gas CO2 memiliki

34

tegangan permukaan 68 mN/m. sehingga waktu kontak menjadilama dan menghasilkan konversi yang lebih banyak.

IV.1.3 Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Penyerapan CO2

Secara umum dengan peningkatan laju alir gas padadistributor dengan diameter 0.5 mm menunjukkan penurunankandungan CO2 dan kenaikan kandungan metana dari yangmasuk. Akan tetapi jika ditinjau dari berkurangnya CO2 denganadanya peningkatan laju alir gas menunjukkan bahwa penurunanterbesar ditunjukkan pada laju alir 0.1 LPM dan ketika laju alirditingkatkan menunjukkan penurunan kadungan CO2 yang kecilpada laju alir 0.5 LPM. Pada laju alir 0.1 LPM memilikipenurunan optimum jika dibandingkan dengan laju alir yang lebihbesar. Hal ini dikarenakan pada konsentrasi penyerap yang samadengan peningkatan laju alir gas akan menurunkan kemampuanmenyerap pada larutan Ca(OH)2. Seperti yang ditunjukkan padaTabel IV.1.

Tabel IV.1 Kandungan CO2 dan CH4 ketika pH 8 secarateoritis

Laju alir(L/menit)

FraksiCO2

masuk

Fraksi CO2

keluarFraksi CH4

masukFraksi CH4

keluar

0.1

0.31

0.0728

0.69

0.9272

0.2 0.1238 0.8762

0.3 0.1318 0.8682

0.4 0.1336 0.8664

0.5 0.2833 0.7166

Dalam penelitian yang dilakukan Rashed et al 2015melaporkan bahwa dengan adanya peningkatan konsentrasipenyerap (larutan Ca(OH)2) pada laju alir gas yang samamenunjukkan penurunan kandungan CO2 yang semakin besar.Peningkatan konsentrasi penyerap memberikan pengaruh yang

35

besar dibandingkan dengan peningkatan laju alir gas yangdiberikan.

IV.2 Pengaruh Diameter Perforated Gas Distributor TerhadapRendemen PCC

Penggunaan distributor gas berdiameter 0.5 mm memilikijumlah luas permukaan yang lebih kecil daripada distributor gasberdiameter 1 mm sehingga superficial velocity gas yangdihasilkan oleh distributor gas berdiameter 0.5 mm lebih besardan berdampak pada waktu kontak menjadi lebih singkat. Namundalam penelitian ini rendemen PCC yang dihasilkanmenggunakan distributor gas berdiameter 0.5 mm lebih besardibandingkan distributor 1 mm. Hal ini disebabkan karenategangan permukaan gelembung meningkat dengan adanyagelembung kecil yang melewati distributor gas berdiameter 0.5mm sehingga waktu kontak dengan larutan Ca(OH)2 akan menjadilebih lama. Kondisi ini menyebabkan peningkatan kelarutan CO2

dalam larutan. Akan tetapi gelembung besar yang dihasilkandengan distributor gas berdiameter 1 mm memiliki teganganpermukaan yang lebih kecil sehingga mudah lepas dari larutandikarenakan adanya gaya apung,

Gambar IV.4 Pengaruh diameter distributor terhadap rendemenPCC. (a) biogas (b) CO2.

(a) (b)

36

Secara umum seperti yang terlihat pada Gambar IV.4penggunaan biogas dan CO2 menghasilkan rendemen PCC lebihbanyak ketika menggunakan distributor gas berdiameter 0.5 mm.akan tetapi, penyimpangan terjadi ketika biogas yang digunakanpada laju alir 0.5 liter/menit, dimana, rendemen PCC yangdihasilkan pada distributor gas berdiameter 0.5 mm lebih kecildibandingkan dengan menggunakan distributor gas berdiameter 1mm. Penyimpangan ini disebabkan oleh adanya peningkatatan gashold up ketika laju alir ditingkatkan. Penggunaan denganmenggunakan distributor yang lebih kecil akan memberikanpengaruh yang kecil terhadap gas hold up nya karena hambatanyang diberikan dengan distributor gas berdiameter 0.5 mm lebihkuat dibandingkan dengan distributor gas berdiameter 1 mmsehingga gas hold up yang dihasilkan lebih rendah. Hal ini jugaterjadi pada penggunaan gas CO2 pada laju alir 0.4 dan 0.5liter/menit.

IV.3 Pengaruh Ketinggian Larutan Ca(OH)2

IV.3.1 Pengaruh Ketinggian Larutan Ca(OH)2 terhadapperubahan pH

Perpindahan massa merupakan hal yang penting dalamproses penyerapan. Penyerapan yang baik salah satunyadipengaruhi oleh luas permukaan yaitu dengan meningkatkan luaskontak. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar IV.5, adanyapeningkatan ketinggian larutan Ca(OH)2 berdampak padaperubahan pH menuju netral yang lebih lama. Peningkatanketinggian larutan menyebabkan penurunan superficial gasvelocity. Hal ini disebabkan karena waktu tinggal gelembung gasmenjadi panjang dengan adanya ketinggian sehinggamenyebabkan peningkatan diameter gelembung rata-rata karenakoalesensi gelembung Shohei et al 2015.

37

Gambar IV.5 Perubahan pH terhadap waktu karbonasi. (a) CO2

murni (b) Biogas.

IV.3.2 Pengaruh Ketinggian Larutan Ca(OH)2 terhadapkonversi PCC

Untuk mengetahui pengaruh ketinggian larutan terhadapkonversi PCC, maka dilakukan perbandingan ketinggian antara50, 60, 70, dan 80 cm pada laju alir 0.5 liter/menit. dimana,semakin tinggi larutan hasil konversi yang diperoleh semakinbanyak. Dengan adanya peningkatan ketinggian larutan akanmengakibatkan jumlah gas CO2 terserap lebih banyak karenawaktu karbonasi menjadi lebih lama dan interfacial area yangdihasilkan lebih besar. Hasil tersebut sesuai dengan penelitian XiuLiu et al 2015. Hal ini berbeda dengan hasil yang didapatkan padapengaruh laju alir terhadap konversi PCC. Semakin tinggi lajualir, konversi PCC yang dihasilkan banyak walaupun waktukontaknya singkat. Perbedaan hasil tersebut dipengaruhi olehtekanan hidrostatis pada ketinggian larutan yang tinggi. Karenapada tekanan hidrostatis yang tinggi akan meningkatkanketahanan gas untuk tidak mudah lepas ke atmosfer. Seperti yangterlihat pada Gambar IV.6 dan IV.7.

(a) (b)

38

Hal ini juga berlaku pada penggunaan gas CO2 dan biogasyang digunakan. Dimana secara umum menunjukan semakinmeningkatnya ketinggian larutan Ca(OH)2 maka konversi PCCyang dihasilkan banyak.

Gambar IV.6 Konversi CaO terhadap tinggi liquid.

39

Gambar IV.7 Yield CaCO3 terhadap tinggi liquid.

IV.4 Kristalinitas PCCDari beberapa sampel PCC, dilakukan karakterisasi

kristalinitas dengan sinar X atau XRD (Xray Diffraction). PolaXRD (Gambar IV.8) baik laju alir gas 0.1 dan 0.2 LPMmenunjukkan puncak (peak) pada 2Ө = 23.1, 29.4, 34.2, 36, 39.5,43.2, 47.6, 48.6, 57.6, 60.9, dan 64.9. Puncak tersebutmemperlihatkan fase kalsit pada kalsium karbonat yang terbentukpada proses karbonatasi. Data difraksi ini memiliki kesesuaiandengan standar JCPDS PDF2 standard card (005-0586) (MineralPowder Diffraction File Data Book ICDD No.5-586). Data inidiperoleh dengan menvalidasi kesesuaian tersebut menggunakansoftware.

40

Gambar IV.8 Hasil analisa XRD PCC pada (a) laju alir 0.1 LPM(b) laju alir 0.2 LPM.

Kesesuaian puncak pada PCC yang dihasilkan pada biogasmemiliki jumlah yang lebih sedikit dibandingkan CO2 yaitu dari48 jumlah puncak yang tersedia pada standar, hanya 46 puncakyang sesuai. Menurut Patel et al adanya pelebaran puncak XRDmewakili partikel CaCO3 yang lebih kecil dengan sedikitkristalinitas. dari hasil perhitungan Scherrer’s equationdidapatkan ukuran kristal 8.14 nm dan 6.89 nm pada laju alirbiogas 0.1 liter/menit dan 0.2 liter/menit masing-masing.Sedangkan pada laju alir gas CO2 murni 0.1 liter/menit dan 0.2liter/menit, didapatkan ukuran kristal 8.144 nm dan 8.143 nmmasing-masing. Hal ini disebabkan karena Pada laju alir gas yangsemakin meningkat, menyebabkan penyerapan gas CO2 tidaksempurna, melainkan hanya melewati larutan. Sedangkan hasilyang sama ditunjukan pada penelitian Jun et al 2011. Semakinbesar laju alir gas, ukuran partikel akan semakin kecil.

IV.5 Morfologi Partikel PCCUntuk mengetahui morfoogi dari partikel PCC yang

terbentuk dilakukan analisa SEM (Scanning ElectronMicroscope). Peralatan SEM yang dipakai adalah tipe FEI inspectS50, Oregon, United States dengan perbesaran 10,000 – 25,000

(a) (b)

41

kali. Dengan perbesaran tersebut partikel PCC sudah dapat terlihatjelas.

IV.5.1 Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Morfologi PCCKalsium karbonat mempunyai tiga bentuk kristal anhidrat

yaitu calcite, aragonite, dan vaterite, serta memiliki tiga bentukhidrat yaitu amorphous calcium carbonate (ACC), mono hydrocalcite (CaCO3. H2O), dan ikaite (CaCO3.6H2O). Dari ketigabentuk kristal anhidrat yang paling stabil secara thermodinamikayaitu calcite. Berdasarkan hasil analisa morfologi denganmenggunakan SEM seperti pada Gambar IV.9 menunjukkandominan morfologi yang identik dengan kalsit yaitu berbentukrhombohendral atau kubus akan tetapi, ada beberapa yangmenunjukkan vaterit atau heksagonal.

42

Gambar IV.9 Hasil analisa SEM PCC pada variabel laju alir (a)laju alir 0.1 LPM (b) laju alir 0.2 LPM (c) laju alir 0.3 LPM dan(d) laju alir 0.4 LPM.

Menurut penelitian yang telah dilakukan oleh Gopi et al2013. proses kristalisasi CaCO3 diawali dengan pembentukanACC yang secara termodinamik tidak stabil, kemudianmembentuk kristal secara spontan ketika berada didalam larutanpada temperatur ambien. ACC akan bertransformasi menjadicalcite melalui vaterite pada temperatur rendah (< 30°C). Akantetapi proses ini tidak hanya dipengaruhi oleh temperatur sajamelainkan juga laju alir gas yang mempengaruhi perubahan pHmenuju pH 7. Matsumoto et al 2004. melaporkan bahwa saat pH

(a) (b)

(c) (d)

43

larutan lebih dari 7, vaterite terbentuk dengan selektivitas tinggidengan adanya peningkatan laju alir gas. Selain itu ketika pHkurang dari 7, pembentukan vaterite menurun dikarenakan olehpembentukan CaCO3 yang terurai. Seperti yang telah di jelaskanpada sub bab sebelumnya, pembentukan ion karbonat atau CO3

2-

dominan saat pH diatas 10. Pada laju alir yang tinggi,ketersediaan ion karbonat akan terus dipasok seiring denganbertambahnya CO2 karena laju alir yang meningkat. Hal inisejalan dengan penelitian oleh Han et al. yang melaporkan bahwaketika laju alir rendah, konsentrasi CO3

2- dalam larutan rendahdan mempercepat terurainya vaterite, sehingga lebih banyakpartikel calcite yang terbentuk. Sebaliknya, pada laju alir tinggi,proses terurainya vaterite menjadi calcite tidak berjalan dengansempurna dikarenakan konsentrasi CO3

2- dalam larutan tinggi.Merujuk penelitian oleh Wang et al 2004 yang

menyatakan bahwa ketika terjadi penurunan laju alir gas CO2,rasio supersaturasi dalam zona interfasa menurun denganmenurunnya konsentrasi CO3

2- di dalam zona interfasa. Rasiosupersaturasi yang lebih rendah memberikan kerugian padanukleasi CaCO3 sehingga menyebabkan pembentukan kristal yanghomogen sehingga dapat disimpulkan rasio supersaturasi yangrendah di dalam zona interfasa yang disebabkan oleh laju alir CO2

rendah.Dari Gambar IV.9 menunjukkan adanya agglomerasi

pada PCC hal ini disebabkan adanya ikatan kristal yang terbentuksaat pembentukan kristal atau kristalisasi. Yang dipengaruhi olehbeberapa faktor yaitu konsentrasi Ca(OH)2 dan waktu reaksikarbonasi (residence time). Partikel yang padat dan dispersesangat diinginkan dalam industri dibandingkan partikel yangteraglomerasi. Karena partikel yang teraglomerasi memilikipenampang tumbukan yang jauh lebih besar daripada partikel bolayang rapat dari volume yang sama. Ketika aglomerat terbentuk,maka akan dengan cepat menarik partikel-pertikel kecil lainnyamenjadi bentuk partikel yang besar dan dominan. Dalam banyakteknologi sintesis partikel, partikel pada awalnya terbentuk pada

44

suhu tinggi dimana partikel terkoagulasi dengan cepat. Jika waktuuntuk koalesensi itu kecil dibandingkan dengan waktu antaratumbukan, partikel padat (disperse) akan tumbuh. Jika waktukoalesensi sangat panjang dibandingkan dengan waktu antaratumbukan, agregat akan terbentuk, namun leher antara partikelprimer akan tetap kecil, dan aglomerat dapat dipecah dalampemerosesan selanjutnya.

IV.5.2 Pengaruh Laju Alir Gas Terhadap Ukuran PartikelPengaruh laju gas CO2 pada ukuran partikel kalsium

karbonat diamati pada laju alir CO2 dan biogas yang bervariasiantara 0.1 sampai 0.5 LPM pada suhu ruang (30°C). Berdasarkanhasil SEM yang didapatkan dan diolah menggunakan softwareimage processing, maka diperoleh ukuran partikel. Seperti yangditunjukkan pada Gambar IV.10, ukuran partikel semakin kecilseiring dengan peningkatan laju alir gas. Hasil tersebutmenunjukkan bahwa pada laju alir gas 0.1 LPM, 0.2 LPM, 0.3LPM, 0.4 LPM, dan 0.5 LPM menghasilkan ukuran partikel rata-rata 277.56 nm, 276.76 nm, 239.99 nm, dan 225.30 nm. Hasilberbeda ditunjukkan pada penelitian yang telah dilakukan olehTriveni et al. Pada penelitiannya, dengan adanya peningkatan lajualir gas akan menghasilkan ukuran partikel yang semakin besar.Pada laju alir gas yang semakin meningkat, menyebabkanpenyerapan gas CO2 tidak sempurna, melainkan hanya melewatilarutan. Sedangkan hasil yang sama ditunjukan pada penelitianJun et al 2011. Semakin besar laju alir gas, ukuran partikel akansemakin kecil. Dalam penelitiannya, disebutkan bahwa laju alirtidak memberikan pengaruh yang signifikan ketika gas distributordigunakan.

ukuran PCC yang dihasilkan melalui proses karbonasi inisecara kormesil dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhanindustri secara komersil. Dimana, ukuran yang memenuhui syaratdi industri yaitu berkisar 200 nm hingga 5000 nm tergantung padajenis penggunaanya.

45

Gambar IV.10 Distribusi partikel PCC pada variabel laju alir (a)laju alir 0.1 LPM (b) laju alir 0.2 LPM (c) laju alir 0.3 LPM dan(d) laju alir 0.4 LPM

(c) (d)

(a) (b)

46

Gambar IV.11 Pengaruh laju alir gas terhadap diameter partikel

IV.5.3 Pengaruh Diameter Perforated Gas DistributorTerhadap Morfologi PCC

Berdasarkan hasil analisa morfologi denganmenggunakan SEM seperti pada Gambar IV.12 menunjukkanmorfologi yang identik dengan calcite yaitu berbentukrhombohendral atau kubus. Dari kedua gambar tersebutmenunjukkan adanya agglomerasi pada PCC hal ini disebabkanadanya ikatan kristal yang terbentuk saat pembentukan kristal ataukristalisasi. Yang dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitukonsentrasi Ca(OH)2 dan waktu reaksi karbonasi (residence time).

47

Gambar IV.12 Hasil analisa SEM PCC pada laju alir 0.4 LPM.(a) distributor 0.5 mm (b) distributor 1 mm.

Sementara itu, variasi diameter PGD tidak memberikanpengaruh yang signifikan terhadap morfologi PCC yangdihasilkan. Hal ini disebabkan karena transformasi morfologi dariaragonite ke calcite sangat dipengaruhi oleh kondisi operasi,seperti suhu, tekanan, laju alir, dan penambahan zat aditif.

IV.5.4 Pengaruh Diameter Perforated Gas Distributor (PGD)Terhadap Ukuran Partikel

Pengaruh diameter Perforated Gas Distributor padaukuran partikel kalsium karbonat dilakukan dengan PGDberdiameter 0.5 dan 1 mm. Berdasarkan hasil SEM yangdidapakan dan diolah menggunakan software image processing,maka diperoleh ukuran partikel. Berdasarkan Gambar IV.13yang diperoleh dari gambar SEM dan diolah menggunakansoftware image processing menunjukkan bahwa PCC yangdihasilkan dengan menggunakan distributor gas diameter 0.5 mmpada laju alir biogas 0.4 liter/menit memiliki ukuran partikel rata-rata 225.30 nm sedangkan pada distributor gas diameter 1 mmmemiliki ukuran partikel rata-rata 382.11 nm. Rata-rata partikelyang dihasilkan oleh gas distributor berdiameter 0.5 mm memilikirata-rata dibawah 300 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar

(a) (b)

48

IV.14. Gas CO2 yang dihasilkan oleh distributor gas dengandiameter lebih kecil menghasilkan gelembung dengan luaspermukaan yang kecil dan meningkatkan reaksi antara gas danlarutan sehingga ukuran partikel PCC yang dihasilkan lebih kecil.Distributor gas berdiameter kecil akan meningkatkan waktukontak CO2 dengan larutan Ca(OH)2 meskipun sumber suspensiyaitu larutan Ca(OH)2 memiliki konsentrasi yang rendah.

Gambar IV.13 Distribusi partikel PCC pada laju alir 0.4 LPM (a)distributor 0.5 mm (b) distributor 1 mm.

(a) (b)

49

Gambar IV.14 Pengaruh laju alir gas terhadap diameter partikel

51

BAB VKESIMPULAN DAN SARAN

V.1 KesimpulanBerdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa:

1. Laju alir gas berpengaruh terhadap lama waktu proseskarbonasi, konversi PCC, dan penyerapan CO2. Laju alir gas0.5 LPM membutuhkan waktu yang paling singkat.Perubahan pH yang singkat selama reaksi karbonasi terjadipada CO2 murni. Kandungan CO2 yang rendah pada biogasmenyebabkan reaksi karbonasi berjalan lebih lama. Laju alirgas yang semakin meningkat akan meningkatkanpembentukan PCC dan laju penyerapan CO2.

2. Distributor dengan lubang berdiameter 0.5 mm memilikipengaruh yang kuat terhadap rendemen PCC yang dihasilkandaripada 0.1 mm. Hal ini terjadi disebabkan karena pengaruhgas hold up ketika laju alir ditingkatkan sehinggamemberikan hasil yang berbeda terhadap rendemen yangdihasilkan.

3. Tinggi larutan Ca(OH)2 berpengaruh terhadap lama waktuproses karbonasi, dan konversi PCC. Peningkatan ketinggianlarutan Ca(OH)2 berdampak pada perubahan pH menujunetral menjadi lebih lama dan konversi PCC yang dihasilkanlebih banyak.

4. Metode karbonasi dengan menggunakan kolom gelembungdan biogas berhasil digunakan untuk mensintesis PCC.Teknik karakterisasi seperi analisa XRD menunjukkan adanyafasa kalsit di setiap puncak intensitasnya.

5. Berdasarkan hasil analisa morfologi dengan menggunakanSEM menunjukkan dominan morfologi yang identik dengankalsit yang berbentuk rhombohendral atau kubus.

6. Peningkatan laju alir gas berdampak pada ukuran partikelyang dihasilkan semakin kecil.

52

7. Variasi lubang diameter perforated distributor gas tidakmemberikan pengaruh yang signifikan terhadap morfologiPCC yang dihasilkan.

8. PCC yang dihasilkan dengan menggunakan distributor gasdiameter 0.5 mm pada laju alir biogas 0.4 liter/menit memilikiukuran partikel rata-rata 225.30 nm sedangkan padadistributor gas diameter 1 mm memiliki ukuran partikel rata-rata 382.11 nm.

9. Metode ini dapat digunakan sebagai alternatif dalampemurnian biogas yang disertai dengan pembentukanPrecipitated Calcium Carbonate yang secara komersil sudahmemenuhi kualitas kebutuhan industri. Dimana, ukuran yangmemenuhui syarat di industri yaitu berkisar 200 nm hingga5000 nm tergantung pada jenis penggunaanya.

V.2 SaranSaran yang dapat diberikan untuk penilitian selanjutnya:

1. Gas yang masuk sebelum atau sesudah proses karbonasi perludilakukan analisa secara real time pada waktu tertentu disertaipengamatan pH dengan waktu yang sama.

2. Sistem proses karbonasi dapat dibuat sistem kontinyu untukmengetahui kemampuan maksimum dalam penyerapan CO2

sehingga didapatkan biogas dengan kandungan metana yangtinggi.

3. Peningkatan konsentrasi larutan Ca(OH)2 memberikanpengaruh yang besar terhadap penyerapan dibandingkan lajualir yang gas diberikan,

DAFTAR PUSTAKA

Bang, J.-H., Jang, Y. N., Kim, W., Song, K. S., Jeon, C. W.,Chae, S. C., … Lee, M. G. (2011). Precipitation of calciumcarbonate by carbon dioxide microbubbles. ChemicalEngineering Journal, 174(1), 413–420.

Bang, J. H., Song, K., Park, S., Jeon, C. W., Lee, S. W., & Kim,W. (2015). Effects of CO2 bubble size, CO2 flow rate andcalcium source on the size and specific surface area ofCaCO3 particles. Energies, 8(10), 12304–12313.

Boyjoo, Y., Pareek, V. K., & Liu, J. (2014). Synthesis of microand nano-sized calcium carbonate particles and theirapplications. J. Mater. Chem. A, 2(35), 14270–14288.

Cavenati, S., Grande, C. A., & Rodrigues, A. E. (2005). Upgradeof Methane from Landfill Gas by Pressure SwingAdsorption. Energy & Fuels, 19(6), 2545–2555.

Chen, P. (2008). Absorption of Carbon Dioxide in a Bubble-Column Scrubber. Greenhouse Gases - Capturing,Utilization and Reduction, 95–115.

Cournil, M., & Herri, J. M. (2003). Asymptotic models for gas-liquid crystallization in two-film systems. AIChE Journal,49(8), 2030–2038.

Cuéllar-Franca, R. M., & Azapagic, A. (2015). Carbon capture,storage and utilisation technologies: A critical analysis andcomparison of their life cycle environmental impacts.Journal of CO2 Utilization, 9, 82–102.

D. Deublein and A. Steinhauser, Biogas from waste andrenewable resources. Weinheim, Germany: Wiley, (2008)

De Hullu, J., J. I. W Maasen, P. A. Van Meel, S. Shazad and J. M.P. Vaessen. 2008. Comparing Different Biogas UpgradingTechniques. Technical report DMT Dirkse Milieutechniek

Grande, C. A., & Rodrigues, aA. E. (2007). Layered vacuumpressure-swing adsorption for biogas upgrading. Industrialand Engineering Chemistry Research, 46(23), 7844–7848.

Han, Y. S., Hadiko, G., Fuji, M., & Takahashi, M. (2006). Factorsaffecting the phase and morphology of CaCO3 prepared by abubbling method. Journal of the European Ceramic Society,26(4–5), 843–847.

Jimoh, O. A., Ariffin, K. S., Hussin, H. Bin, & Temitope, A. E.(2017). Synthesis of precipitated calcium carbonate: areview. Carbonates and Evaporites, pp. 1–16.

Jimoh, O. A., Otitoju, T. A., Hussin, H., Ariffin, K. S., &Baharun, N. (2017). Understanding the Precipitated CalciumCarbonate (PCC) Production Mechanism and ItsCharacteristics in the Liquid-Gas System Using Milk ofLime (MOL) Suspension. South African Journal ofChemistry, 70, 1–7.

Lailiyah, Q., & Baqiya, M. A. (2012). Pengaruh Temperatur danLaju Aliran Gas CO2 pada Sintesis Kalsium KarbonatPresipitat dengan Metode Bubbling. Jurnal Sains Dan SeniITS, 1(1), B-6.

Liu, X., Zhou, J., Zhang, Y., Liu, X., Chen, Y., Yong, X., …Yuan, H. (2015). Continuous process of biogas purificationand co-production of nano calcium carbonate in multistagemembrane reactors. Chemical Engineering Journal, 271,223–231.

Maile, I., & Muzenda, E. (2014). A Review of Biogas Purificationthrough Chemical Absorption, 2028, 8–12.

Maile, O. I., Muzenda, E., & Tesfagiorgis, H. (2017). ChemicalAbsorption of Carbon Dioxide in Biogas Purification.Procedia Manufacturing, 7, 639–646.

Mamun, M. R. Al, Karim, M. R., Rahman, M. M., Asiri, A. M., &Torii, S. (2015). Methane enrichment of biogas by carbondioxide fixation with calcium hydroxide and activatedcarbon. Journal of the Taiwan Institute of ChemicalEngineers, 0, 1–6.

Mel, M., Sharuzaman, M. A. H., & Setyobudi, R. H. (2016).Removal of CO2 from biogas plant using chemicalabsorption column. AIP Conference Proceedings, 1755.

Ofori-Boateng, C., & Kwofie, E. M. (2009). Water Scrubbing: ABetter Option for Biogas Purification for Effective Storage.World Applied Sciences JournalEnvironmental Managementand Technologies Towards Sustainable Development,5(January 2009), 122–125.

Othman, A., Isa, N., & Othman, R. (2015). Preparation ofprecipitated calciumcarbonate using additive and withoutadditive. Jurnal Teknologi, 77(3), 49–53.

Palmeri, N., Cavallaro, S., & Bart, J. C. J. (2008). Carbon dioxideabsorption by MEA: A preliminary evaluation of a bubblingcolumn reactor. Journal of Thermal Analysis andCalorimetry, 91(1), 87–91.

Patel, M. A., Bhanvase, B. A., & Sonawane, S. H. (2013).Production of cerium zinc molybdate nano pigment byinnovative ultrasound assisted approach. UltrasonicsSonochemistry, 20(3), 906–913.

Pinto, M. L., Pires, J., & Rocha, J. (2008). Porous materialsprepared from clays for the upgrade of landfill gas. Journalof Physical Chemistry C, 112(37), 14394–14402.

Pipatmanomai, S., Kaewluan, S., & Vitidsant, T. (2009).Economic assessment of biogas-to-electricity generationsystem with H2S removal by activated carbon in small pigfarm. Applied Energy, 86(5), 669–674.

Sasaki, S., Uchida, K., Hayashi, K., & Tomiyama, A. (2017).Effects of column diameter and liquid height on gas holdupin air-water bubble columns. Experimental Thermal andFluid Science, 82, 359–366.

Tai, C. Y., & Chen, C. kuang. (2008). Particle morphology, habit,and size control of CaCO3 using reverse microemulsiontechnique. Chemical Engineering Science, 63(14), 3632–3642.

Thriveni, T., Um, N., Nam, S. Y., Ahn, Y. J., Han, C., & Ahn, J.W. (2014). Factors affecting the crystal growth ofscalenohedral calcite by a carbonation process. Journal ofthe Korean Ceramic Society, 51(2), 107–114.

Zhou, J., Cao, X., Yong, X., Wang, S., Liu, X., Chen, Y., …Ouyang, P. (2014). Effects of Various Factors on BiogasPuri fi cation and Nano-CaCO 3 Synthesis in a MembraneReactor. Industrial & Engineering Chemistry Research,(53), 1702–1706.

vii

DAFTAR NOTASI

Notasi Keterangan SatuanP Tekanan atm, barT Temperatur oC, K

Flow Laju alir L/menitm Massa gram

APPENDIKS

1. Konversi CaO1. Menentukan mol CaO

Massa CaO = 2.38 gram

Mol CaO =

=. / = 0.0425 gmol

2. Menentukan mol CO2

Volume CO2 = Flow rate CO2 x Waktu= 0.1 L/menit x 20 menit= 2 L= 2000 cm3

Mol = Tekanan x Volume / R x Temperatur= 1 bar x 2000 cm3 / 83.14 cm3.bar/mol.K x 313.5 K= 0.079 mol

3. ReaksiCa(OH)2 + CO2 CaCO3

+ H2OM 0.0425 0.0635 - -R 0.0205 0.0205 0.0205 0.0205S 0.022 0.043 0.0205

0.0205

4. Konversi CaO =( )( ) x 100 %

=.. x 100%

= 48.1718 %

2. Yield CaCO3

1. Massa CaCO3 yang terbentuk = 2.0473 gram2. Massa awal Ca(OH)2 = Mol Ca(OH)2 x BM Ca(OH)2

= 0.0425 mol x 74 gram/mol= 3.145 gram

3. Yield CaCO3 = ( ) x 100 %

=. . x 100 %

= 65.097 %

3. Perhitungan Diameter KristalLaju alir : 0.1 LPMGas yang digunakan : BiogasPersamaan Sherrer= ..Dimana :

K = 0.9= 1.54Å= −

Karena FWHMstandar sangat kecil maka,== 0.184o

= 0.184° ×= 0.0032 rad

= 2=

.= 14.695o

= 14.695° ×= 0.256 rad

Dkristal =. × .. × ( . )

= 8.1429 nm

xv

BIODATA PENULIS

Hafizh Pandega Bonifalih, lahir di

Balikpapan, 15 Februari 1995. Penulis

menempuh pendidikan formal yang dimulai

di SD Islamic Village Tangerang (2001-

2007), dilanjutkan sekolah menengah

pertama di SMP Plus Islamic Village

Tangerang (2007-2010), kemudian

dilanjutkan pendidikan menengah atas di

SMA Negeri 78 Jakarta (2010–2013).

Sekarang penulis sedang menempuh studi

jenjang perguruan tinggi dengan mengambil

Departemen S1 Teknik Kimia FTI-ITS Surabaya. Selama masa

Studi, penulis aktif dalam organisasi mahasiswa seperti Lembaga

Mahasiswa Jurusan (LMJ) Teknik Kimia FTI-ITS pada 2014/2015.

Selain itu, penulis berhasil menyelesaikan Kerja Praktik di PT.

Pertamina RU VI Balongan pada 2016. Pada tahun terakhir studi,

penulis memilih Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran

untuk menyelesaikan tugas akhir dan skripsi. Bersama partner dan

dibawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M. Eng dan Dr.

Kusdianto, S.T., M. Sc. Eng, penulis berhasil menyelesaikan Pra-

Desain Pabrik “Pembangkit Energi dari Ampas Tebu”. Pada

semester akhir, penulis mengerjakan skripsi berjudul “Pemurnian

Biogas Menjadi Biometana dan Precipitated Calcium Carbonate

(PCC) dengan Metode Bubble Column”.

Phone : +6281214747724

Email : bonif.pandega@gmail.com

xvi

BIODATA PENULIS

Fuad Makarim Imran, lahir di Tokyo, 29

April 1995. Penulis menempuh pendidikan

formal yang dimulai di SDN IKIP Makassar

(2001-2007), dilanjutkan sekolah menengah

pertama di Sri Utama International School

(2007-2010), kemudian dilanjutkan

pendidikan menengah atas di SMA

Kharisma Bangsa (2010–2013). Sekarang

penulis sedang menempuh studi jenjang

perguruan tinggi dengan mengambil

Departemen S1 Teknik Kimia FTI-ITS

Surabaya. Selama masa Studi, penulis aktif dalam organisasi

mahasiswa seperti Badan Koordinasi Kegiatan Mahasiswa Teknik

Kimia Indonesia (BKKMTKI) pada 2016/2017. Selain itu, penulis

berhasil menyelesaikan Kerja Praktik di PT. Pupuk Sriwidjaja

Palembang pada 2016. Pada tahun terakhir studi, penulis memilih

Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran untuk

menyelesaikan tugas akhir dan skripsi. Bersama partner dan

dibawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M. Eng dan Dr.

Kusdianto, S.T., M. Sc. Eng, penulis berhasil menyelesaikan Pra-

Desain Pabrik “Pembangkit Energi dari Ampas Tebu”. Pada

semester akhir, penulis mengerjakan skripsi berjudul “Pemurnian

Biogas Menjadi Biometana dan Precipitated Calcium Carbonate

(PCC) dengan Metode Bubble Column”.

Phone : +6281214747724

Email : bonif.pandega@gmail.com

xvii