karakterisasi serbuk gergaji dan campurannya di … fileiii karakterisasi serbuk gergaji dan...
TRANSCRIPT
i
KARAKTERISASI SERBUK GERGAJI DAN CAMPURANNYA
DI BAWAH KONDISI ISOTHERMAL DAN NON-ISOTHERMAL
TESIS
Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister
Program Studi Teknik Mesin
Disusun Oleh:
SUDARNO
S 951002007
PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2014
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ii
KARAKTERISASI SERBUK GERGAJI DAN CAMPURANNYA
DI BAWAH KONDISI ISOTHERMAL DAN NON-ISOTHERMAL
TESIS
Oleh:
Sudarno
S951002007
Komisi Pembimbing
Nama Tanda Tangan
Tanggal
Pembimbing 1
Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT NIP. 197403262000031002
........................
Pembimbing 2
Ir. Agustinus Sujono, M.T. NIP. 195110011985031001
........................
Telah dinyatakan memenuhi syarat pada tanggal ..................... 2014
Ketua Program Studi Teknik Mesin
Program Pascasarjana UNS
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
NIP. 197409022001121002
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
KARAKTERISASI SERBUK GERGAJI DAN CAMPURANNYA
DI BAWAH KONDISI ISOTHERMAL DAN NON-ISOTHERMAL
TESIS
Oleh:
Sudarno
S951002007
Telah dipertahankan di depan penguji dan dinyatakan telah memenuhi syarat
Pada tanggal ................... 2014
Tim penguji:
Jabatan Nama Tanda Tangan
Ketua D. Danardono, S.T., M.T., Ph.D.
NIP. 196905141999031001
...............................
Sekertaris Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. NIP. 197409022001121002
...............................
Anggota 1. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT NIP. 197403262000031002
2. Ir. Agustinus Sujono, M.T. NIP. 195110011985031001
............................... ...............................
Mengetahui:
Direktur Program Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Ahmad Yunus, M.S. NIP. 1961071986011001
Ketua Program Studi Teknik Mesin
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. NIP. 197409022001121002
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iv
PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa:
1. Tesis yang berjudul "Karakterisasi Serbuk Gergaji dan Campurannya di Bawah Kondisi
Isothermal dan Non-Isothermal" ini adalah karya penelitian saya sendiri dan tidak
terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk rnernperoleh gelar
akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan
oleh orang lain, kecuali yang tertulis yang disebutkan sumbernya, baik dalam naskah
karangan dan daftar pustaka. Apabila ternyata di dalam naskah tesis ini dapat
dibuktikan terdapat unsur-unsur plagiasi, maka saya bersedia menerima sanksi, baik
tesis beserta gelar magister saya dibatalkan serta diproses sesuai dengan peraturan
perundang-undangan yang berlaku.
2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi tesis pada jurnal atau forum ilmiah harus
menyertakan tim promotor sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya. Apabila
saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia
mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta, ................2014
Mahasiswa
Sudarno
S 951002007
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
v
SUDARNO, NIM: S 951002007, 2014. KARAKTERISASI SERBUK GERGAJI DAN CAMPURANNYA DI BAWAH KONDISI ISOTHERMAL DAN NON-ISOTHERMAL. Komisi pembimbing I: Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T, M.T. Pembimbing II: Ir. Agustinus Sujono, M.T. Tesisi Program Studi Teknik Mesin. Program Pasca Sarjana. Universitas Sebelas Maret Surakarta.
ABSTRAK
Serbuk gergaji merupakan limbah kayu yang dapat dimanfaatkan untuk sumber energi. Namun keberadaan limbah pada umumnya rentan tercampur dengan biomassa lain. Pada penelitian ini akan menyelidiki energi aktivasi dan konstanta laju reaksi pembakaran serbuk gergaji yang dicampur dengan sekam padi atau tongkol jagung dalam bentuk serbuk. Prosentase massa campuran sekam padi atau tongkol jagung ke dalam serbuk gergaji divariasikan mulai 0%, 25%, 50%, 75%, dan 100%. Untuk campuran sekam padi selanjutnya dinamakan SP0, SP25, SP50, SP75, SP100. Sedangkan untuk campuran tongkol jagung dinamakan SJ0, SJ25, SJ50, SJ75 dan SJ100. Dalam hal ini digunakan analisis termal macro-thermobalance dengan laju kenaikkan temperatur 20C/menit dan isotermal pada suhu 306C, 311C, 316C, 319C dalam lingkungan udara. Sedangkan massa sampel yang digunakan dalam penelitian ini sebesar 10 g. Dari hasil menunjukan bahwa sebelum dicampur serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi masing-masing mempunyai energi aktivasi pembakaran karbon tetap adalah 88,44 kJ/mol, 87,64 kJ/mol, 92,71 kJ/mol untuk non-isothermal dan 25,31 kJ/mol, 41,41 kJ/mol, 34,70 kJ/mol untuk isothermal. Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam padi diperoleh perubahan Ea yang berkisar antara 87,64 kJ/mol – 118,73 kJ/mol untuk non-isothermal dan 24,89 kJ/mol – 99,24 kJ/mol untuk isothermal. Sedangkan kontanta laju reaksi pembakaran karbon tetap sebelum dicampur serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi adalah 8,4x10-3 min-1, 5,4x10-3 min-1, 5,1x10-3 min-1 untuk non-isothermal dan berkisar antara 5,6x10-3 min-1 – 8,8x10-3 min-1 untuk isothermal. Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam padi diperoleh perubahan k yang berkisar antara 4,5x10-3 min-1 – 10,1.10-3 min-1 untuk non-isothermal dan 3,9x10-3 min-1 – 9,5x10-3 min-1 untuk isothermal. Kata kunci : Serbuk gergaji, Sekam padi, Tongkol jagung, macro-thermobalance
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vi
SUDARNO, NIM: S 951002007, 2014. CHARACTERIZATION OF SAWDUST AND ITS MIXTURES UNDER ISOTHERMAL AND NON-ISOTHERMAL CONDITIONS. Principal Advisor: Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T. M.T. Co-advisor: Ir. Agustinus Sujono, M.T. Thesis: The Graduate Program in Mechanical Engineering, Sebelas Maret University, Surakarta.
ABSTRACT Sawdust is a by-product of cutting, grinding, drilling, sanding, or otherwise pulverizing wood with a saw or other tools. It can be utilized for an energy resource. However, it is susceptible to be mixed with other biomasses. This research aims at investigating the activation energy and the reaction rate constants of the combustion of sawdust respectively mixed with corncob powder and rice husk powder. The percentage of the aforementioned powders mixed with the sawdust had variations of 0%, 25%, 50%, 75%, and 100%. The mixtures with the former were identified as SJ0, SJ25, SJ50, SJ75, and SJ100 whereas the mixtures with the latter were labeled as SP0, SP25, SP50, SP75, and SP100. They were exposed to thermal analyses of macro-thermobalance with the temperature increase rate of 200C/minute and isothermal analyses with the variations of temperature of 3060C, 3110C, 3160C, and 3190C in the air environment. The mass of the samples of research was 10 g. The result of research shows that prior to the mixing, the sawdust, corncob powder, and rice husk powder had the activation energy of fixed carbon combustion of 88.44 kJ/mol, 87.64 kJ/mol, 92.71 kJ/mol respectively under non-isothermal condition and of 25.31 kJ/mol, 41.41 kJ/mol, and 34.70 kJ/mol respectively under isothermal condition. Following the mixing between the sawdust and corncob powder and between the sawdust and rice husk powder, the activation energy of fixed carbon combustion ranged from 87.64 kJ/mol to 118.73 kJ/mol under the non-isothermal condition and ranged from 24.89 kJ/mol to 99.24 kJ/mol under isothermal condition. Furthermore, prior to the mixing, the sawdust, corncob powder, and rice husk powder had the reaction rate constants of fixed carbon combustion of 8.4x10-3 min-1, 5.4x10-3 min-1, and 5.1x10-3 min-1 respectively under non-isothermal condition and ranging from 5.6x10-3 min-1, to 8.8x10-3 min-1 under isothermal condition. Following the mixing between the sawdust and corncob powder and between the sawdust and rice husk powder, the reaction rate constants of fixed carbon combustion ranged from 4.5x10-3 min-1, to 10.1x10-3 min-1 under non-isothermal condition and ranged from 3.9x10-3 min-1, to 9.5x10-3 min-1 under isothermal condition. Keywords: Sawdust, corncob powder, rice husk powder, and macro-thermobalance
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur alhamdulillah ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan
karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul ˮKarakterisasi
Serbuk Gergaji dan Campurannya di Bawah Kondisi Isothermal dan Non-Isothermalˮ.
Adapun tujuan penulisan tesis ini adalah untuk memenuhi sebagian persyaratan guna
mencapai gelar Magister Teknik di Prodi Pascasarjana Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penulis mengucapkan terima kasih yang sangat mendalam kepada semua pihak yang
telah berpartisipasi dalam penelitian dan penulisan tesis ini, khususnya kepada:
1. Dr. Dwi Aries Himawanto, S.T., M.T. selaku pembimbing I dan Ir. Agustinus Sujono,
M.T. selaku pembimbing II yang telah memberikan petunjuk, pengarahan, jalan
pemecahan setiap kesulitan dalam penelitian dan penulisan tesis ini.
2. Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Pascasarjana Teknik Mesin
UNS sekaligus selaku pembimbing akademik yang senantiasa memantau, mengkontrol,
dan mendorong demi kelancaran studi penulis.
3. Prof. Dr. Kuncoro Diharjo, S.T., M.T., selaku dekan, sahabat, motivator, dan inspirator.
4. Ibunda yang mulya, yang tiada henti mendo’akan agar dimudahkan dalam segala
urusan.
5. Istri dan anak-anakku tercinta, yang senantiasa setia dan tulus ikhlas mendampingi
dalam segala keadaan.
6. Berbagai pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, atas bantuan dan dorongan
semangat serta do’anya, terima kasih.
Penulis menyadari, bahwa dalam tesis ini masih terdapat banyak kekurangan. Oleh
karena itu, bila ada saran, koreksi, dan kritik demi kesempurnaan tesis ini, akan penulis
terima dengan ikhlas dan dengan ucapan terima kasih.
Surakarta, 2014
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ................................................................................................. i
HALAMAN PENGESAHAN PEMBIMBING TESIS ............................................. ii
HALAMAN PENGESAHAN PENGUJI TESIS ...................................................... iii
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN DAN PUBLIKASI ............................. iv
ABSTRAK ............................................................................................................... v
ABSTRACT .............................................................................................................. vi
DAFTAR ISI .............................................................................................................. vii
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. x
DAFTAR TABEL ...................................................................................................... xi
DAFTAR NOTASI .................................................................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
A. Latar Belakang Masalah ....................................................................... 1
B. Rumusan Masalah ................................................................................. 2
C. Tujuan Penelitian ................................................................................... 2
D. Manfaat Penelitian ................................................................................ 2
BAB II LANDASAN TEORI .................................................................................. 3
A. Tinjauan Pustaka ................................................................................... 3
B. Penelitian yang Relevan ........................................................................ 6
C. Kerangka Berfikir .................................................................................. 17
D. Hipotesa ... ............................................................................................. 17
BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................... 18
A. Bahan dan Alat Penelitian ..................................................................... 18
B. Prosedur Penelitian ............................................................................... 19
C. Skema Penelitian .................................................................................. 21
D. Variabel Penelitian ............................................................................... 22
E. Desain Eksperimen ............................................................................... 22
F. Pelaksanaan Penelitian ......................................................................... 23
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ........................................... 24
A. Macro-thermobalance .......................................................................... 24
B. Profil Dekomposisi Termal ................................................................... 26
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
C. Energi Aktivasi ................. .................................................................... 29
D. Konstata Laju Reaksi ................. ........................................................... 30
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 33
A. Kesimpulan ............................................................................................ 33
B. Saran ....................................................................................................... 33
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................. 34
LAMPIRAN ................................................................................................................ 36
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Penurunan massa terhadap temperatur ....................................................... 4
Gambar 2.2. Kurva TG/DTG dan DSC dari salbutamol ................................................. 7
Gambar 2.3. Kurva isothermal TG pada suhu 180 C, 185 C, 190 C,
195 C, dan 200 C ..................................................................................... 7
Gambar 2.4. Ploting ln k vs 1/T untuk mendapatkan persamaan Arrhenius ................... 8
Gambar 2.5. Kurva non-isothermal TG dari PQ pada lingkungan nitrogen ................... 8
Gambar 2.6. Kurva non-isothermal TG dari PQ pada lingkungan udara ........................ 9
Gambar 2.7. Kurva isothermal TG dari PQ pada lingkungan nitrogen ........................... 9
Gambar 2.8. Kurva isothermal TG dari PQ pada lingkungan udara ............................... 9
Gambar 2.9. (a) Rata-rata zat mudah menguap, (b) Rata-rata kadar abu,
(c) Rata-rata nilai kalor, (d) Rata-rata kadar karbon tetap .......................... 11
Gambar 2.10. Alat uji pembakaran .................................................................................. 12
Gambar 2.11. (a).Perubahan temperatur dan (b). Perubahan massa terhadap waktu ...... 13
Gambar 2.12. Laju pembakaran terhadap waktu .............................................................. 13
Gambar 2.13. Kurva DTG serbuk gergaji pohon pinus pada kondisi isothermal
(a)500 C dan (b)600 C .............................................................................. 14
Gambar 2.14. Kurva DTG serbuk gergaji pohon pinus pada kondisi isothermal
(a).700 C dan (b).800 C ……………………………………………….. 14
Gambar 3.1. Skema instalasi pengujian macro-thermobalance ………………………... 20
Gambar 3.2. Skema penelitian ......................................................................................... 21
Gambar 4.1. Pembakaran serbuk gergaji, tongkol jagung dan sekam padi
dengan metode macro-thermobalance, ukuran partikel +40/-60 mesh,
dan laju kenaikan temperatur 20 C/menit ................................................. 24
Gambar 4.2. Zona penting dalam dekomposisi termal biomassa .................................... 25
Gambar 4.3. TG dan DTG pembakaran serbuk gergaji, tongkol jagung
dan sekam padi ........................................................................................... 26
Gambar 4.4. Pembakaran campuran serbuk gergaji dan tongkol jagung dengan
metode macro-thermobalance, ukuran partikel +40/-60 mesh,
dan laju kenaikan temperatur 20 C/menit.................................................. 27
Gambar 4.5. Pembakaran campuran serbuk gergaji dan sekam padi dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xi
metode macro-thermobalance, ukuran partikel +40/-60 mesh,
dan laju kenaikan temperatur 20 C/menit.................................................. 28
Gambar 4.6. Ea campuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam
padi non-isothermal............................................................................... 29
Gambar 4.7. Ea campuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam
padi isothermal ......................................................................................... 30
Gambar 4.8. Konstanta laju reaksi campuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan
serbuk gergaji-sekam padi non-isothermal ............................................... 31
Gambar 4.9. Konstanta laju reaksi campuran: a. serbuk gergaji-tongkol jagung,
b. serbuk gergaji-sekam padi isothermal ................................................... 32
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1. Parameter kinetik yang diperoleh dengan motode non-isothermal .......... 10
Tabel 2.2. Parameter kinetik yang diperoleh dengan motode isothermal .................. 10
Tabel 2.3. Peristiwa temperatur selama pirolisis ....................................................... 15
Tabel 2.4. Faktor unjuk kerja pembakaran (S)............................................................ 16
Tabel 3.1. Kode sampel ............................................................................................. 19
Tabel 3.2. Tempat kegiatan penelitian ...................................................................... 23
Tabel 4.1. Hasil uji proximate ……………………………………………………… 26
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
DAFTAR NOTASI
SJ0 : Campuran massa tongkol jagung 0 % dengan serbuk gergaji 100 %
SJ25 : Campuran massa tongkol jagung 25 % dengan serbuk gergaji 75 %
SJ50 : Campuran massa tongkol jagung 50 % dengan serbuk gergaji 50 %
SJ75 : Campuran massa tongkol jagung 75 % dengan serbuk gergaji 25 %
SJ100 : Campuran massa tongkol jagung 100 % dengan serbuk gergaji 0 %
SP0 : Campuran massa sekam padi 0 % dengan serbuk gergaji 100 %
SP25 : Campuran massa sekam padi 25 % dengan serbuk gergaji 75 %
SP50 : Campuran massa sekam padi 50 % dengan serbuk gergaji 50 %
SP75 : Campuran massa sekam padi 75 % dengan serbuk gergaji 25 %
SP100 : Campuran massa sekam padi 100 % dengan serbuk gergaji 0 %
TG : Termogravimetri
TGA : Termogravimetri analisis
DTG : Diferensial termogravimetri
Ts : Temperatur sampel
Tr : Temperatur reaktor
Ea : Energi aktivasi
k : Konstanta laju reaksi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah
ESDM (2012) menunjukkan bahwa pemakaian energi total nasional termasuk
didalamnya dari sumber biomassa meningkat dari tahun 2000 sampai 2011 yaitu sebesar
777.925.086 BOE menjadi 1.114.766.960 BOE (barrel oil equivalent). Sementara pasokan
energi biomassa terhadap energi total nasional dalam kurun waktu tersebut berkurang dari
27,02 % menjadi 13,52 %. Untuk itu perlu dilakukan upaya-upaya untuk meningkatkan
pertumbuhan energi baru dan terbarukan khususnya dari biomassa dalam memenuhi
kebutuhan energi yang selalu bertambah seiring bertambahnya jumlah penduduk.
Disisi lain, produksi kayu olahan secara nasional semakin berkurang sebagai akibat dari
berkurangnya area hutan. Dari tahun 2004 sampai 2011 kayu hutan olahan berkurang dari
8.158.403 m3 menjadi 6.373.409 m3, sedangkan area hutan berkurang dari 21.412.319 ha
menjadi 20.558.706 ha (BPS, 2012). Hal ini turut mendorong untuk meningkatkan nilai
tambah dari produksi kayu olahan terutama limbah serbuk gergaji menjadi sumber energi.
Biomassa yang lain adalah tanaman jagung. Produksi jagung nasional meningkat dari
tahun 2011 sampai 2013 sekitar 4,93 %. Pada tahun 2011 mencapai 17,64 juta ton dan pada
tahun 2013 mencapai 18,52 juta ton (BPS, 2014). Tongkol jagung yang merupakan limbah
ternyata juga memiliki nilai kalor yang tinggi yaitu sebesar 4186,54 kkal/kg (Surono, 2010),
sehingga juga berpotensi sebagai sumber energi baru yang terbarukan.
Angka sementara produksi padi tahun 2012 sebesar 69,05 juta ton gabah kering giling
(GKG) atau mengalami kenaikan sebesar 3,29 juta ton (5%) dibanding tahun 2011.
Kenaikan produksi tersebut terjadi di Jawa sebesar 2,12 juta ton dan di luar Jawa sebesar
1,17 juta ton. Kenaikan produksi terjadi karena peningkatan luas panen seluas 239,80 ribu
hektar (1,82 %) dan kenaikan produktivitas sebesar 1,56 kuintal/hektar (3,13%) (BPS,
2012). Sekam padi mempunyai kandungan energi 14,5 MJ/kg, massa jenis 110 kg/m3 dan
kadar abu sekitar 20 % (Suyitno, 2009). Selama ini penggunaannya pada umumnya untuk
pembakaran batu bata dan media tanam.
Berbagai macam cara dapat dilakukan untuk menentukan karakteristik suatu material,
salah satu diantaranya dengan termal analisis. Dalam pengujian biomassa dengan
menggunakan analisis termal akan didapatkan parameter mengenai energi aktivasi, kadar
air, kadar volatil, karbon tetap, dan abu. Sementara itu, parameter tersebut sangat
1
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
2
dipengaruhi oleh kondisi operasional selama pengujian. Kondisi tersebut diantaranya
lingkungan sekeliling reaktor dan laju kenaikan temperatur.
Penelitian ini akan melakukan karakterisasi terhadap biomassa serbuk gergaji, sekam
padi, tongkol jagung, dan campurannya melalui pengujian termal analisis. Termal analisis
yang digunakan jenis termogravimetri macro-thermobalance dengan menerapkan dua
metode yaitu pada kondisi temperatur tetap atau isothermal dan laju temperatur tetap atau
non-isothermal.
B. Rumusan Masalah
Karaktristik pembakaran biomassa sulit distandarisasi secara umum, mengingat
banyaknya macam dan jenis biomassa. Secara definisi biomassa adalah massa yang
dihasilkan dari proses metabolisme makhluk hidup. Sehingga dapat dibayangkan betapa
banyak aneka ragam dan jenis biomassa yang ada. Sementara itu, keberadaan limbah
biomassa pada umunya terbuang dan bercampur dengan limbah-limbah biomassa yang lain.
Untuk itu dalam penelitian ini akan mengkaji masalah perubahan profil dekomposisi
termal, energi aktivasi dan konstanta laju reaksi pembakaran biomassa campuran.
C. Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah untuk mengetahui perubahan profil
dekomposisi termal, energi aktivasi (Ea), dan konstanta laju reaksi (k) reaksi pembakaran
biomassa campuran. Biomassa campuran yang dimaksud adalah serbuk gergaji-tongkol
jagung dan serbuk gergaji-sekam padi.
D. Manfaat Penelitian
Setelah tercapainya tujuan dalam penelitian ini diharapkan diperoleh manfaat sebagai
berikut:
1. Memberikan pengetahuan tentang perubahan profil dekomposisi termal, energi aktivasi
(Ea), dan konstanta laju reaksi (k).
2. Memberi pengetahuan mengenai analisis termal di bawah kondisi isothermal dan non-
isothermal macro-thermobalance.
3. Dapat memberi pertimbangan dalam rekayasa bahan bakar padat biomassa.
4. Menghasilkan parameter kinetik termal yang mendekati aplikasi nyata.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
3
BAB II
LANDASAN TEORI
A. Tinjauan Pustaka
Karakterisasi suatu material dapat dilakukan secara termal yang lebih dikenal dengan
istilah analisis termal. Dalam analisis termal terbagi menjadi beberapa metode yaitu
thermogravimetri analysis (TGA), differential thermal analysis (DTA), dan differential
scanning calorimetry (DSC). Analisis termal dapat dilakukan untuk mengetahui karakter
material yang meliputi energi aktivasi, orde reaksi, diagram fasa, dan kalor.
Thermogravimetri analysis (TGA) merupakan salah satu teknik analisis termal dengan
melihat perubahan massa material terhadap temperatur dan waktu. Dalam pengujiannya,
material uji diletakkan dalam dapur pemanasan yang dapat dikontrol temperaturnya. Disisi
lain material uji juga ditimbang massanya setiap perubahan secara kontinyu. Sedangkan
temperatur pemanasan dapat dinaikkan dengan laju tertentu, yang lebih dikenal dengan
non-isothermal TGA. Metode yang lain, temperatur juga dapat dijaga tetap yang lebih
dikenal dengan isothermal TGA. Sementara atmosfer disekitar benda uji dapat dikondisikan
dalam lingkungan udara atau gas inert (N2), dengan laju massa tertentu.
Peubahan massa selama proses pengujian TGA disebabkan adanya dekomposisi dari
material, yang meliputi demoisturisasi, devolatilisasi, oksidasi ataupun reduksi tergantung
dari lingkungan atmosfer sekeliling. Reaksi-reaksi dekomposisi tersebut selanjutnya akan
dipelajari dalam kinetika reaksi.
Dalam kinetika reaksi akan diperoleh mengenai konstanta laju reaksi, orde reaksi dan
energi aktivasi. Secara umum laju reaksi dengan memperhitungkan pengaruh temperatur
diformulasikan oleh Arrhenius sebagai berikut (Sait et al., 2012):
)(.
fkdt
d ........................................................................................... (1)
Dimana ; t = waktu (det)
Faktor konversi
)(f Model reaksi
k Konstanta laju reaksi sebagai fungsi temperatur
Faktor konversi didefinisikan, sebagai berikut :
3
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
4
Gambar 2.1. Penurunan massa terhadap temperatur
fi
Ti
mm
mm
.................................................................................................. (2)
Dimana : im massa awal (g)
fm massa akhir (g)
Tm massa aktual (g)
Sedangkan konstanta laju reaksi sebagai fungsi temperatur, dinyatakan sebagai berikut (Sait
et al., 2012):
)/( RTEaAek .................................................................................................... (3)
Dimana : A faktor pre-eksponensial
aE energi aktivasi (J/mol)
R konstanta gas = 8,314 J/K.mol
Model reaksi )(f dihitung berdasarkan (Sait et al., 2012):
nf )1()( ........................................................................... (4)
Dimana : n adalah orde reaksi
Substitusi dari persamaan (1), (3) dan (4) didapatkan persamaan (Sait et al., 2012):
)/(.)1.( RTEn aeAdt
d
..................................................................... (5)
Temperatur (K)
Mas
sa (
g)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
Persamaan (5) berlaku untuk kondisi pengujian isothermal TGA, sementara jika dilakukan
pada keadaan kenaikkan suhu konstan atau umum disebut non-isothermal TGA dengan laju
kenaikkan sebesar dt
dT , maka persamaan (5) menjadi (Sait et al., 2012):
)/(.)1.( RTEn aeA
dT
d
.................................................................... (6)
Dalam metode isothermal untuk mendapatkan harga energi aktivasi, dengan asumsi
bahwa reaksi terjadi pada orde 1 (satu), serta syarat batas awal dan akhir untuk
ttt 2121 ;0;;0 maka dari pengintragalan persamaan (5) didapatkan sebagai
berikut (Sait et al., 2012):
teA RTEa ..)1ln( )/( ...................................................................(7)
Dari masing-masing temperatur konstan akan diperoleh harga konstanta reaksi k.
Selanjutnya energi aktivasi Ea dan A diperoleh dengan ploting kurva logaritma dari
persamaan (3), yaitu ln(k) dengan T
1.
TR
EAk a 1
.lnln ......................................................................................... (8)
Sedangkan untuk metode non-isothermal TGA, dari pengintegralan persamaan (6)
diperoleh (Sait et al., 2012):
T
RTEn
dTeA
na
0
)/(1
1
)1(1
.............................................................................. (9)
Karena dTe RTEa )/( bukan intergral eksak, dimana )/( RTEae merupakan asimptot, sehingga
untuk orde yang lebih tinggi dapat diabaikan. Dan persamaan (9) menjadi (Sait et al.,
2012):
)/(21 2
11
)1(1 RTE
aa
n
aeE
RT
E
ART
n
............................................................ (10)
Penarikan logaritma persamaan (10), diperoleh (Sait et al., 2012):
RT
E
E
RT
E
AR
nTa
aa
n
21ln
)1(
)1(1ln
2
1
, untuk n 1 ........................... (11)
Jika diasumsikan aE
RT2<<< 1 , maka persamaan (11) menjadi (Sait et al., 2012):
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
RT
E
E
AR
nTa
a
n
ln
)1(
)1(1ln
2
1
, untuk n 1 .................................................. (12)
Untuk menyederhanakan perhitungan orde reaksi dianggap kecil, dan persamaan (12)
menjadi (Sait et al., 2012):
RT
E
E
AR
Ta
a
ln
)1ln(ln
2 ...................................................................... (13)
Dari persamaan (12) dan (13) dan ploting data :
)1(
)1(1ln
2
1
nT
n
dengan
T
1, untuk n 1, dan
2
)1ln(ln
T
dengan
T
1, untuk n = 1
Akan didapatkan garis lurus dengan kemiringan R
Ea dan perpotongan sumbu vertikal di
aE
AR
ln .
B. Penelitian yang Relevan
Dekomposisi termal terhadap salbutamol telah dilakukan pengujian dengan
thermogravimetri dalam dua metode, yaitu temperatur tetap dan laju temperatur tetap (Felix
et al., 2009). Dari hasil penelitaannya dilaporkan bahwa energi aktivasi salbutamol untuk
kondisi temperatur tetap dan dalam lingkungan atmosfer nitrogen 50 mL/min sebesar E =
130 kJ/mol. Sedangkan energi aktivasi salbutamol untuk kondisi laju temperatur tetap dan
dalam lingkungan atmosfer udara 50 mL/min sebesar E = 134 kJ/mol.
Kurva TG/DTG dan DSC dari salbutamol pada jangkauan temeperatur 25 C – 600 C
dengan laju kenaikan temperatur 10 C/menit terlihat pada gambar 2.2. Dari kurva DSC
terlihat pada suhu 201C merupakan puncak reaksi endotermis dengan melelehnya sampel
pada perubahan entalpi H = 212 J/g. Sedangkan pada kurva TG/DTG menunjukkan
sampel pada kondisi stabil sampai suhu 180 C. Dekomposisi termal mulai terjadi pada
suhu 204 C, pada suhu 299 C mulai terjadi karbonisasi, dan pada suhu 580 C karbon
habis teroksidasi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
Gambar 2.2. Kurva TG/DTG dan DSC dari salbutamol (Felix et al., 2009).
Kurva Isothermal TG diambil pada suhu 180 C, 185 C, 190 C, 195 C, dan 200 C
ditunjukkan pada gambar 2.3. Kurva tersebut digunakan untuk memplotting hubungan ln k
vs 1/T gambar 2.4, dan selanjutnya dengan regresi linier diperoleh slope atau kemiringan
kurva yang merupakan energi aktivasinya, sebesar Ea = 130 kJ/mol.
Gambar 2.3. Kurva isothermal TG pada suhu 180 C, 185 C, 190 C, 195 C, dan
200 C (Felix et al., 2009).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
Gambar 2.4. Ploting logaritma konstanta laju reaksi (ln t) vs Temperatur (1/T) yang
diperoleh dari persamaan Arrhenius (Felix et al., 2009).
Dekomposisi termal terhadap primaquine (PQ) diselidiki oleh Bertol et al. (2009).
Salah satu pengujian yang dilakukan adalaha dengan TG isothermal dan non-isothermal.
PQ adalah obat alternatif untuk penyembuhan plasmodium vivax malaria dalam bentuk
padat. Jangkauan temperatur yang diterapkan dalam pengujian TG yaitu mulai 298 K
sampai 873 K dengan kondisi lingkungan nitrogen dan udara. Diperoleh kurva TG seperti
ditunjukan pada gambar 2.5 sampai 2.8.
Gambar 2.5. Kurva non-isothermal Termogravimetri (TG) dari PQ
pada lingkungan nitrogen (Bertol et al., 2009).
TG
/%
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
Gambar 2.6. Kurva non-isothermal Termogravimetri (TG) dari PQ
pada lingkungan udara (Bertol et al., 2009).
Gambar 2.7. Kurva isothermal Termogravimetri (TG) dari PQ
pada lingkungan nitrogen (Bertol et al., 2009).
Gambar 2.8. Kurva isothermal Termogravimetri (TG) dari PQ pada lingkungan udara (Bertol et al., 2009).
Untuk mengetahui lebih jauh kinetika reaksi yang terjadi pada pengujian isothermal TG
diterapkan temperatur 493 K, 488 K, 483 K, 478 K dan 473 K dibawah kondisi lingkungan
nitrogen dan udara. Sedangkan untuk non-isothermal TG diterapkan laju kenaikan
TG
/%
TG
/%
TG
/%
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
temperatur 275,5 K/min, 278 K/min, 283 K/min, 288 K/min, dan 293 K/min dibawah
kondisi lingkungan nitrogen dan udara sampai tercapai temperatur 873 K.
Dari kurva dan pengolahan data hasil pengujian TG oleh Bertol et al. (2009), diperoleh
kesimpulan untuk dekomposisi PQ sebagaimana pada tabel 2.1 dan 2.2.
Tabel 2.1. Parameter kinetik yang diperoleh dengan motode non-isothermal (Bertol et al., 2009)
Lingkungan Energi Aktivasi
(Ea) Faktor
Pre-eksponensial (A) Orde
Reaksi Nitrogen 132,49 kJ/mol 1,490x1011 min-1 n = 0 Udara 120,34 kJ/mol 1,141x1010 min-1 n = 0
Tabel 2.2. Parameter kinetik yang diperoleh dengan motode Isothermal (Bertol et al.,2009)
Lingkungan Persamaan Regresi Korelasi (r2) Energi Aktivasi Nitrogen Kemiringan : -15,916
Perpotongan : 27,964 0,9736 132,33 kJ/mol
Udara Kemiringan : -11,469 Perpotongan : 19,417
0,9702 95,35 kJ/mol
Dehidrasi terhadap FePO4·2H2O menjadi FePO4 telah dilakukan penyelidikan oleh Xiao
et al. (2012). Dalam pengujian TGA non-isothermal dengan range suhu 30 C sampai 350
C pada laju kenaikan suhu 10 C/min dan pada lingkungan udara diperloeh hasil orde
reaksi, energi aktivasi dan ln A berturut-turut 0,63, 81,10 kJ/mol, dan 16,79 s-1. Sedangkan
untuk kondisi TGA isothermal dengan dipertahankannya pada suhu tetap sebesar 145 C
dan pada lingkungan udara, diperoleh hasil untuk orde reaksi, energi aktivasi dan ln A
berturut-turut 0,25, 81,47 kJ/mol, dan 16,70 s-1.
Serbuk gergaji sebagai bahan baku pembuatan briket telah dilakukan penelitian oleh
Diah Sundari Wijayanti pada tahun 2009. Dalam penelitiannya serbuk gergaji dicampur
dengan serbuk arang cangkang kelapa sawit dengan ukuran partikel serbuk masing-masing
mesh 50 dan mesh 70. Sedangkan komposisi campuran untuk serbuk gergaji-serbuk arang
cangkang kelapa sawit : 100-0 %, 90-10 %, 80-20 %, 70-30 %, 60-40 %, dan 50-50 %.
Diantara pengujian yang dilakukan adalah untuk mengetahui kadar kandungan karbon
tetap, abu, zat menguap (volatile matter), dan nilai kalor. Dengan penambahan prosentase
serbuk arang cangkang kelapa sawit terhadap serbuk gergaji akan menurunkan kadar zat
menguap pada briket. Sementara itu, karakter yang lain yaitu karbon tetap, kadar abu dan
nilai kalor mengalami peningkatan. Hal tersebut dapat dilihat pada gambar 2.9.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
30
32
34
36
38
40
42
100%
:0%
90%
:10%
80%
:20%
70%
:30%
60%
:40%
50%
:50%
Komposisi bahan baku
Kad
ar z
at m
enguap
(%
) p
0,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,0
100%
:0%
90%
:10%
80%
:20%
70%
:30%
60%
:40%
50%
:50%
Komposisi bahan baku
Kad
ar a
bu (
%)
(a) (b)
0
10002000
3000
40005000
6000
70008000
9000
10
0%
:0%
90
%:1
0%
80
%:2
0%
70
%:3
0%
60
%:4
0%
50
%:5
0%
Komposisi bahan baku
Nil
ai k
alo
r (k
al/g
)
52
53
54
55
56
57
58
59
60
10
0%
:0%
90
%:1
0%
80
%:2
0%
70
%:3
0%
60
%:4
0%
50
%:5
0%
Komposisi bahan baku
Kad
ar k
arb
on
teri
kat
(%)o
(c) (d)
Gambar 2.9. (a) Rata-rata zat mudah menguap, (b) Rata-rata kadar abu, (c) Rata-rata nilai kalor, (d) Rata-rata kadar karbon tetap (Wijayanti, 2009).
Astriani (2011) melakukan proses pirolisis serbuk gergaji untuk mendapatkan asap cair.
Alat Pirolisis yang digunakan dilengkapi dengan tungku albakos, penampung tar,
kondensor, vacum, dan kompor gas. Variabel pengujian yang digunakan meliputi waktu
pirolisis, volume sampel, dan bahan sampel. Waktu pirolisis dan volume sampel dijaga
tetap, sedangkan bahan sampel divariasikan menurut jenis serbuk gergaji pada setiap
pengujian.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
Hasil percobaan dan perhitungan pirolisis serbuk gergaji selama 3 jam, diperoleh hasil
pada menit ke 60, 120, 180 massa jenisnya 0,904 g/ml, 0,896 g/ml, dan 0,800 g/ml,
sedangkan untuk viskositasnya berturut-turut adalah 0,278 cp, 0,236 cp, dan 0,210 cp.
Volume yang dihasilkan yaitu 70 ml, 30 ml, dan 11 ml dan untuk pH diperoleh 2, 3, dan 2.
Dari percobaan tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa semakin lama waktu pembakaran
serbuk gergaji maka semakin sedikit asap cair yang diperoleh, sehingga massa jenis dan
viskositasnya juga akan turun.
Karakterisasi pembakaran limbah tongkol jagung dalam bentuk briket dilakukan oleh
Saputro (2009). Pada tahap pembuatan, mula-mula tongkol jagung dikering dengan oven
sampai kadar air 12 % dari berat kering. Selanjutnya dihancurkan untuk mendapatkan
bentuk partikel serbuk dan diayak sehingga diperoleh ukuran serbuk 0,6 mm. Pembuatan
briket digunakan tepung kanji sebagai perekatnya.
Dalam penelitiannya Saputra (2009) menggunakan variabel tetap yaitu pemanasan awal
pada temperatur 200 C dan massa sampel 5 g. Sedangkan untuk variabel berubahnya
menggunakan variasi aliran udara yang masuk dalam ruang bakar. Variasi aliran udara yang
masuk meliputi 1 m/s, 0,8 m/s, dan 0,6 m/s dengan penampang aliran udara yang tetap
sebagaimana terlihat pada gambar 2.10.
Gambar 2.10. Alat uji pembakaran (Saputro, 2009).
Dari hasil pengujian menunjukkan pada kecepatan aliran udara 0,6 m/s tercapai
temperatur pembakaran tertinggi sebesar 292 C dengan laju pembakaran tercepat 5 g
dalam 21 menit. Pada kecepatan aliran tersebut, juga menunjukkan laju pengurangan massa
tercepat. Hal ini dapat dilihat dari grafik gambar 2.11 dan 2.12.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
Gambar 2.11. (a).Perubahan temperatur dan (b). Perubahan
massa terhadap waktu (Saputro, 2009).
Gambar 2.12. Laju pembakaran terhadap waktu (Saputro, 2009).
(a)
(b)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
Penyelidikan terhadap serbuk gergaji pohon pinus telah dilakukan oleh Kuo-Chao et al.
(2009). Dalam penyelidikannya serbuk gergaji dengan berat 5 mg dan ukuran serbuk 58 m
dilakukan proses pembakaran pada lingkungan fluida kerja udara. Untuk mendapatkan
parameter kinetik pembakarannya digunakan analisis termogravimetri pada kondisi
pemanasan isotermal, yaitu 500 C, 600 C, 700 C, dan 800 C. Kurva DTG ditunjukan
pada gambar 2.13 dan 2.14.
ll
Gambar 2.13. Laju fraksi massa (dX/dt) serbuk gergaji pohon pinus pada kondisi
isothermal (a)500 C dan (b)600 C (Kuo-Chao et al., 2009).
Gambar 2.14. Laju fraksi massa (dX/dt) serbuk gergaji pohon pinus pada kondisi
isothermal (a).700 C dan (b).800 C (Kuo-Chao et al., 2009).
(b)
(a) (b)
(a)
Laj
u fr
aksi
mas
sa (
dX/d
t)
Laj
u fr
aksi
mas
sa (
dX/d
t)
Laj
u fr
aksi
mas
sa (
dX/d
t)
Laj
u fr
aksi
mas
sa (
dX/d
t)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
Dari hasil data dan analisa diperoleh bahwa konstanta laju reaksi pembakaran (k) dari
temperatur tetap 500 C ke 800 C. Untuk pembakaran volatile matter dari selulosa (VM2)
harga k meningkat dari 0,32 s-1 menjadi 0,89 s-1. Sedangkan untuk pembakaran karbon
tetap harga k menurun dari 0,15 s-1 menjadi 0,11 s-1.
Sementara untuk laju kehilangan massa terbesar terjadi pada temperatur 800 C
dibandingkan temperatur dibawahnya. Hal ini dikarenakan proses devolatilisasi dan
oksidasi karbon oleh udara terjadi secara bersamaan.
Pirolisis campuran batu bara dan biomassa dilakukan oleh Ulloa et al. (2009) untuk
membuktikan ada tidaknya interaksi antara kedua bahan tersebut selama proses pirolisis.
Digunakan dua jenis batu bara yaitu batu bara-B (Bitsch coal) dan batu bara-L (Lemington
coal). Sementara untuk biomassa digunakan serbuk gergaji dari kayu pinus radiata. Semua
masing-masing bahan dihancurkan sehingga memenuhi ukuran partikel 53-75 m.
Selanjutnya dibuat campuran dengan komposisi 50-50% berat antara batu bara B-serbuk
gergaji dan batu bara L-serbuk gergaji.
Laju pemanasan dibuat tiga variasi yaitu 10, 30, 50 °C/min hingga mencapai temperatur
1200 °C pada lingkungan fluida kerja nitrogen. Dari hasil percobaan pada tabel 2.3.
terdapat tiga peristiwa temperatur yang penting terlihat yaitu tahap 1, tahap 2 dan tahap 3.
Tabel 2.3. Peristiwa temperatur selama pirolisis (Ulloa et al., 2009)
Thermal Event 1 Thermal Event 2
Thermal Event 3
Sampel Heating rate
(C/min) TI1(C) PT1(C)
Coversion (%daf)
%VM1200 TI2 (PT1)-FT2
(C) TI3-FT3 (C) %VM1200
PT2 (C)
S 10 30 50
270 280 280
358,9 379,9 377,4
49,95 50,75 41,76
56,88 63,85 50,40
358,9-1200 379,9-1200 377,4-1200
- - -
- - -
- - -
B 10 30 50
300 330 330
444,2 454,8 484,0
23,56 20,40 24,10
42,35 48,28 38,42
439,2-1200 454,8-1200 458,4-1200
- - -
- - -
- - -
L 10 30 50
400 425 430
458,9 484,6 485,1
17,46 17,74 17,13
37,92 43,02 39,60
458,9-1200 484,6-1200 485,1-1200
- - -
- - -
- - -
B-S 10 30 50
280 300 300
359,1 379,0 378,3
30,17 30,71 24,23
40,50 44,12 34,68
359,1-399,0 379,0-423,9 378,3-458,9
399,0-1200 423,9-1200 458,9-1200
52,53 51,41 47,97
438,9 453,6 484,6
L-S 10 30 50
285 290 295
359,1 378,9 378,3
28,14 29,26 22,93
41,40 45,81 35,84
359,1-399,0 378,9-423,7 378,3-433,4
399,0-1200 423,7-1200 433,4-1200
55,77 52,61 52,08
448,9 468,4 485,0
Dari tahap 1 dan 2 tidak terlihat pernyimpangan yang berarti dari volatile matter yang
dihasilkan dari campuran. Akan tetapi pada tahap 3 masih adanya volatile matter yang
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
terbentuk dari campuran dibandingkan sebelum dicampur. Sehingga bisa dikatakan proses
pembentukan karbon dari campuran menjadi terhambat sebagai akibat dari jangkauan
temperatur devolatilisasi yang melebar.
Bahan bakar tambahan untuk boiler dari biomassa berbentuk pelet yang merupakan
campuran jerami dan batu bara telah diteliti oleh Wang et al. (2008). Pada tahap
persiapannya jerami dibiarkan kering secara alami pada udara bebas selama 2 bulan dan
batu bara dihancurkan sehingga memenuhi ukuran partikel 80 m. Setelah jerami dan batu
bara berbentuk serbuk dilakukan pencetakan dingin menjadi pelet dengan ukuran diameter
6 mm dan panjang 5-15 mm. Penambahan serbuk batu bara pada pelet jerami dibuat tiga
variasi, yaitu 5 %, 8 % dan 11 % massa.
Untuk mendapatkan informasi unjuk kerja pembakaran pelet biomassa tersebut
dilakukan pengujian dengan termogravimetri dengan laju kenaikkan temperatur 15 K/min
sampai bahan habis terbakar. Sedangkan unjuk kerja pembakaran dinyatakan dengan faktor
(S) yang dihitung berdasarkan rumus berikut (Wang et al., 2008):
hi
mean
TT
dtdmdtdmS
.
)/.()/(2
max ................................................................................ (14)
Dimana :
max
dt
dm = Laju pembakaran maksimum, %/min
meandt
dm
= Laju pembakaran rata-rata, %/min
2iT = Temperatur penyalaan, K
hT = Temperatur akhir pembakaran, K
Dari hasil data dan analisa diperoleh peningkatan unjuk kerja pembakaran tertinggi
pada penambahan serbuk batu bara 5 % sebesar 4,98 x 10-7. Selengkapnya dapat dilihat
pada tabel 2.4.
Tabel 2.4. Faktor unjuk kerja pembakaran (S) (Wang et al., 2008). (dm/dt)max (dm/dt)mean Ti (K) Th (K) S x 10-7 Order
Strawdust Wheat straw WS89% +C11% WS92% + C8% WS95% + C5%
18,40 28,30 22,94 32,47 39,93
3,37 3,15 2,79 2,87 2,87
552 550 550 552 550
770 755 800 770 760
2,64 3,90 2,64 3,97 4,98
5 3 4 2 1
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
Dengan dasar karya-karya ilmiah tersebut maka dalam penelitian ini bermaksud
mengambil permasalahan mengenai analisis termal pada serbuk gergaji yang dicampur
dengan tongkol jagung dan sekam padi. Analisis termal yang digunakan adalah jenis
macro-thermobalance di bawah kondisi isothermal dan non-isothermal.
C. Kerangka Berfikir
Serbuk gergaji merupakan limbah biomassa kayu. Sementara kayu itu sendiri terdiri
dari beragam jenis dan varietasnya. Sehingga untuk menstandarisasi bahan bakar dari
biomassa kayu sulit dilakukan. Walaupun secara uji proksimat terdapat kandungan yang
sama yaitu air, volatil, karbon tetap dan abu. Namun dalam pembakarannya mempunyai
prilaku yang berbeda-beda.
Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian mengenai karakteristik pembakaran
biomassa serbuk gergaji dengan mencampur biomassa yang lain, dalam hal ini tongkol
jagung dan sekam padi. Dengan penelitian ini diharapkan dapat merekayasa dan
mengendalikan pembakaran biomassa kayu.
Dalam penelitian ini dipilih metode macro-thermobalance untuk menganalisis perilaku
pembakaran biomassa serbuk gergaji. Karena dalam pengujian ini menggunakan jumlah
massa sampel yang besar yaitu 10 g. Hal ini dengan maksud untuk mendapatkan parameter
kinetik yang lebih mendekati aplikasi pembakaran biomassa dalam realita.
D. Hipotesa
Berdasarkan kajian terhadap teori dan penelitian-penelitian sebelumnya, maka dapat
diambil dugaan awal bahwa profil dekomposisi termal, energi aktivasi (Ea), dan konstanta
laju reaksi (k) pembakaran biomassa kayu akan mengalami perubahan sebelum dan sesudah
biomassa dilakukan pencampuran.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
BAB III
METODE PENELITIAN
A. Bahan dan Alat Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah biomassa yang berasal dari
serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi. Sedangkan peralatan yang digunakan
dalam penelitian ini meliputi :
1. Satu unit alat macro-thermobalance
Bagian-bagian peralatan ini terdiri dari:
- Ruang pemanas.
Panas dibangkitkan oleh elemen pemanas listrik dari bahan Nikel-Krom.
Digunakan untuk menaikkan temperatur pada benda uji. Temperatur maksimal yang
dapat dicapai sekitar 800 C.
- Satu unit regulator suhu.
Terdiri dari rangkaian thermostat untuk mengatur suhu dapur pemanasan.
- Satu unit timbangan massa.
Digunakan untuk menampilkan setiap perubahan massa dari sampel sebagai akibat
adanya dekomposisi.
- Dua unit komputer.
Digunakan untuk merekam jejak perubahan massa, temperatur dan waktu.
- Termokopel
Digunakan untuk mengamati suhu pada material uji.
2. Ayakan
Digunakan untuk menyeragamkan ukuran serbuk biomassa. Ukuran ayakan yang
digunakan yaitu 40 dan 60 mesh.
3. Mesin penghancur (Crusher machine)
Tipe disk/piringan Crusher dengan motor: 3 phase, 3,5 hp, 2840 rpm, 380 v, 50 Hz.
Digunakan untuk menghancurkan tongkol jagung dan sekam padi sehingga menjadi
partikel serbuk.
4. Timbangan digital
Merk AND seri GF300 dengan ketelitian pengukuran hingga 0,001 g dan
kemampuan maksimal 300 g.
18
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
5. Mixer
Maspion MT-1150, 200 W, 5 kecepatan, digunakan untuk membuat campuran serbuk
biomassa, sehingga dapat diperoleh campuran yang homogen
6. ADAM data aquisisi seri 4018
B. Prosedur Penelitian
Langkah – langkah yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Penyediaan biomassa berupa serbuk gergaji, tongkol jagung dan sekam padi , yang
mana bahan-bahan tersebut merupakan limbah produksi.
2. Persiapkan alat pengujian macro-thermobalance dan alat bantunya.
3. Persiapan material uji :
a. Menghancurkan biomassa yang belum berbentuk serbuk, yaitu tongkol jagung
dan sekam padi, sehingga menjadi partikel serbuk.
b. Ayak material uji dengan ayakan +40/-60 mesh
c. Serbuk biomassa dikeringkan dalam oven dengan dengan temperatur 50C
selama 2 jam.
d. Mencampur serbuk gergaji dengan sekam padi dan tongkol jagung sesuai
dengan komposisi yang direncanakan hingga homogen
e. Pembuatan sampel
Variasi sampel dan pengkodenan ditunjukkan pada tabel 3.1.
Tabel 3.1. Kode sampel
Kode sampel Prosentase massa campuran biomassa
SJ0 Serbuk gergaji 100 % ditambah tongkol jagung 0 %
SJ25 Serbuk gergaji 75 % ditambah tongkol jagung 25 %
SJ50 Serbuk gergaji 50 % ditambah tongkol jagung 50 %
SJ75 Serbuk gergaji 25 % ditambah tongkol jagung 75 %
SJ100 Serbuk gergaji 0 % ditambah tongkol jagung 100 %
SP0 Serbuk gergaji 100 % ditambah sekam padi 0 %
SP25 Serbuk gergaji 75 % ditambah sekam padi 25 %
SP50 Serbuk gergaji 50 % ditambah sekam padi 50 %
SP75 Serbuk gergaji 25 % ditambah sekam padi 75 %
SP100 Serbuk gergaji 0 % ditambah sekam padi 100 %
f. Menimbang sampel seberat 10 g.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
20
g. Melakukan pengujian metode non-isothermal dengan range suhu 30 C sampai
600 C. dengan laju kenaikkan suhu 20 C/menit dan aliran udara 20 l/s.
h. Melakukan pengujian metode isothermal dengan suhu tetap 319 C, 316 C,
311 C, dan 306 C
4. Skema alat pengujian macro-thermobalance.
Gambar 3.1. Skema instalasi pengujian macro-thermobalance
Keterangan gambar
1. Komputer 7. Kontaktor 20A
2. ADAM 4018 Data logger 8. Autonics TC4S temperatur kontroler
3. A&D GF 300 Timbangan 9. Saklar
4. Termokopel
5. Cawan sampel
6. Elemen Nikel-Krom
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
21
C. Skema Penelitian
Gambar 3.2. Skema penelitian
Mulai
Persiapan alat macro-thermobalance dan pengadaan serbuk gergaji, sekam padi dan tongkol jagung
Tongkol jagung dan sekam padi di crushing untuk memperkecil ukuran
Serbuk gergaji yang keberadaanya sudah berupa serbuk tidak
dilakukan crushing
Pengeringan dengan oven pada temperatur 50 C selama 2 jam, untuk menurunkan kadar air dibawah 12 %
Pengayakan untuk memenuhi ukuran +40/-60 mesh
Pencampuran serbuk gergaji dengan tongkol jagung dan serbuk gergaji dengan sekam padi, yaitu SJ0, SJ25, SJ50, SJ75, SJ100, SP0, SP25,
SP50, SP75, dan SP100
Pengujian macro-thermobalance
dengan massa sampel 10 g
Pengujian TGA dengan massa sample 25 mg
Pengolahan data untuk mendapatkan energi aktivasi dan konstanta laju reaksi
Analisa dan pembahasan
Selesai
Pengujian proximate serbuk gergaji, tongkol jagung dan sekam padi untuk mengetahui kadar
air, volatil, karbon tetap, dan abu
Kesimpulan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
22
D. Variabel Penelitian
Beberapa variabel yang digunakan dalam penelitian ini antara lain:
1. Tiga macam bahan biomassa yang digunakan, yaitu serbuk gergaji, tongkol
jagung dan sekam padi.
2. Prosentase massa campuran tongkol jagung dalam serbuk gergaji atau sekam padi
dalam serbuk gergaji divariasikan mulai 0 %, 25, %, 50 %, 75 %, dan 100 %.
3. Dua kondisi pengujian termal dilakukan, yaitu isothermal dan non-isothermal.
E. Desain Eksperimen
Selama proses pengujian, pengambilan data dan pengolahannya mengikuti lembar
data sebagai berikut :
a. Isothermal
Temperatur = …….. K
t m
fi
ti
mm
mm
1 )1ln(
Plotting )1ln( vs t
dan buat regresi linier,
didapat harga k
k ln k 1/T
Plotting ln k vs 1/T, buat regresi linier dan
didapatkan harga Ea dan A
b. Non-isothermal
Laju kenaikan temperatur, = ........ K/min
t T m
fi
ti
mm
mm
1
)1ln( T2 2
)1ln(
T
2
)1ln(ln
T
1/T
Plotting 2
)1ln(ln
T
vs 1/T, buat regresi linier, didapat harga Ea dan A
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
23
F. Pelaksanaan Penelitian
Kegiatan penelitian dilakukan di laboratorium material Jurusan Teknik Mesin UNS
Surakarta dan beberapa pengujian yang dilakukan di luar UNS seperti terlihat pada tabel
3.2.
Tabel 3.2. Tempat kegiatan penelitian
No Kegiatan Tempat
1 Persiapan, pengolahan dan pembuatan
sampel uji
Laboratorium Material
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik, UNS
2 Pengujian macro-thermobalance Laboratorium Material
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik, UNS
3 Pengujian proximate Laboratorium PAU UGM
4 Pengujian TGA Laboratorium MIPA UNS
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
24
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. Macro-thermobalance
Dalam penelitian ini menggunakan metode macro-thermobalance yaitu pengujian
termogravimetri dengan menggunakan sampel dalam jumlah yang besar yaitu 10 g.
Sementara pada umumnya pengujian termogravimetri menggunakan sampel dalam jumlah
yang kecil berkisar antara 1-100 mg yang lebih dikenal dengan istilah TGA. Macro-
thermobalance dipilih dengan pertimbangan semakin dekat dengan realitas pembakaran
biomassa untuk mendapatkan energi yang dilakukan dalam jumlah massa yang besar.
Dalam metode ini terdapat perbedaan temperatur antara sampel (Ts) dan reaktor (Tr)
yang cukup signifikan. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.1. pengujian terhadap biomassa
tunggal dengan jumlah massa serbuk 10 g. Simpangan rata-rata antara Tr dan Ts untuk
serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi masing-masing sebesar 58 C, 58 C, dan
54 C. Simpangan tersebut dikarenakan jarak antara cawan sampel dan dinding reaktor ya-
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ts
Tr
DTG
TG
DT
G (
d(1-a
)/d
t)
TG
(1- a
)
Waktu (menit)
Serbuk gergaji Tongkol jagung Sekam padi
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Tem
per
atu
r T
r d
an T
s (
C)
Gambar 4.1. Pembakaran serbuk gergaji, tongkol jagung dan sekam padi dengan metode
macro-thermobalance, ukuran partikel +40/-60 mesh, dan laju kenaikan
temperatur 20 C/menit.
24
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
25
ng cukup lebar, jumlah massa sampel yang besar, adanya reaksi endotermis dan eksotermis.
Jarak radius antara cawan sampel dan dinding rekator kurang lebih 2,5 cm dengan aliran
udara masuk 20 l/s. Sehingga terjadi kerungian panas dari dinding reaktor ke sampel oleh
konveksi udara. Sedangkan jumlah massa sampel serbuk yang besar akan menimbulkan
gradien temperatur dalam sampel yang lebar. Sementara dari reaksi endotermis panas yang
diterima sampel digunakan untuk penguapan dan devolatilisasi. Selanjutnya panas dalam
reaktor mendapat tambahan ketika berlangsung reaksi eksotermis, yaitu oksidasi karbon
tetap. Sehingga pada saat tertentu Tr lebih besar dari Ts dan pada saat yang lain Ts lebih
besar dari Tr.
Pada tahap pengeringan gradient kenaikan temperatur serbuk gergaji lebih kecil
dibandingkan dengan tongkol jagung dan sekam padi. Hal ini dapat dilihat pada grafik Ts
gambar 4.1, dimana posisi serbuk gergaji berada dibawah tongkol jagung dan sekam padi.
Hal ini disebabkan serbuk gergaji mempunyai kadar air 9,73 % lebih besar dibanding
tongkol jagung 3,92 % dan sekam padi 3,29 %. Sementara menurut Basu (2010), kadar air
yang tinggi akan meningkatkan panas jenis biomassa.
Meningingat proses pembakaran biomassa lignocellulosic merupakan reaksi yang
kompleks, maka untuk menyederhanakan diasumsikan hanya terdapat reaksi tunggal atau
reaksi orde satu. Untuk itu grafik TG grafik macro-thermobalance perlu dibagi menjadi
beberapa zona yaitu zona A, zona B, dan zona C seperti terlihat pada gamabar 4.2. Zona A
merupakan daerah pengeringan, zona B daerah devolatilisasi, dan zona C daerah oksidasi
karbon tetap. Pembagian zona ini juga dilakukan oleh Qing et al. (2011) dalam analisis
termogravimetri pembakaran campuran oil-shale dengan biomassa.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 5 10 15 20 25 30Menit
1- a
Gambar 4.2. Zona penting dalam dekomposisi termal biomassa
Zona A Zona B
Zona C
Waktu (menit)
Fra
ksi
mas
sa (
1-
α)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
26
B. Profil Dekomposisi Termal
Dari hasil pengujian macro-thermobalance terhadap serbuk gergaji, tongkol jagung, dan
sekam padi sebelum dilakukan pencampuran diperoleh grafik TG dan DTG seperti terlihat
pada gambar 4.3. Fraksi massa pada tahap pengeringan, serbuk gergaji lebih besar
dibanding dengan tongkol jagung dan sekam padi. Hal ini ada kesesuaian dengan hasil uji
proximate pada tabel 4.1, dimana kadar air serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi
berturut-turut 9,73 %, 3,92 %, dan 3,29 %. Demikian juga fraksi massa pada tahap
devolatilisasi, tongkol jagung mempunyai fraksi massa terbesar, disusul serbuk gergaji dan
sekam padi.
0 5 10 15 20
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
DTG
Serbuk gergaji, +40/-60 mesh
Tongkol jagung, +40/-60 mesh
Sekam padi, +40/-60 mesh
TG
DT
G (
d(1
-a
dt)
TG
(1
-a
)
Waktu (menit)
-0.14
-0.07
0.00
0.07
Gambar 4.3. TG dan DTG pembakaran serbuk gergaji, tongkol jagung dan
sekam padi.
Tabel 4.1. Hasil uji proximate
Air Volatil Karbon tetap Abu Biomassa
Wt % Wt % Wt % Wt %
Nilai kalor (kal/g)
Serbuk gergaji 9,73 64,01 24,46 1,80 4885,70
Tongkol jagung 3,92 70,10 24,35 1,63 4444,26
Sekam padi 3,29 55,47 20,80 20,44 3573,21
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
27
Besar fraksi massa pada masing-masing tahap, tidak secara langsung sebanding dengan
waktu yang dibutuhkan untuk bereaksi. Pada tahap pengeringan, tongkol jagung
mempunyai waktu tercepat dibanding dengan sekam padi dan serbuk gergaji. Sedangkan
sekam padi mempunyai waktu pengeringan terlama dibanding dengan tongkol jagung dan
serbuk gergaji. Padahal serbuk gergaji mempunyai kadar air terbesar dan sekam padi
mempunyai kadar air terkecil dibanding lainnya.
Parameter yang lebih dekat hubungannya dengan waktu reaksi pengeringan adalah bulk
densitas. Bulk densitas tongkol jagung, serbuk gergaji, dan sekam padi masing-masing
adalah 0,168 gr/cm3, 0,240 gr/cm3, 0,310 gr/cm3. Semakin besar bulk densitas maka waktu
reaksi lebih lebih lama, sehingga sekam padi mempunyai waktu pengeringan yang lebih
lama dibanding dengan tongkol jagung dan serbuk gergaji. Pada tahap devolatilisasi
gambar 4.3, semakin kekanan berarti bulk densitasnya semakin besar, dan begitu
sebaliknya.
Setelah dilakukan pencampuran antara serbuk gergaji dengan tongkol jagung terdapat
perubahan profil dekomposisi termal dari hasil pengujian macro-thermobalance seperti
ditunjukan pada gambar 4.4. Secara umum waktu pengeringan pada sampel campuran men-
0 5 10 15 20
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
DTG
TG
DT
G (
d(1-a
)/d
t)
SJ0 SJ25 SJ50 SJ75 SJ100
TG
(1-a
)
Waktu (menit)
-0.16
-0.08
0.00
0.08
0.16
Gambar 4.4. Pembakaran campuran serbuk gergaji dan tongkol jagung dengan metode
macro-thermobalance, ukuran partikel +40/-60 mesh, dan laju kenaikan
temperatur 20 C/menit
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
28
jadi lebih lama, hal ini ditandai dengan awal terjadinya devolatilisasi pada grafik TG
bergeser kekanan. Selain itu, pada sampel campuran menyebabkan laju devolatilisasi
berlangsung lebih cepat, hal ini terlihat puncak minimum grafik DTG yang lebih rendah.
Dalam hal ini bulk densitas tidak bisa menjadi dasar perubahan tersebut, karena harga bulk
densitas sampel campuran pasti berada diantara serbuk gergaji dan tongkol jagung.
Hal serupa juga diperoleh dari hasil pengujian macro-thermobalance terhadap campuran
serbuk gergaji dan sekam padi yang ditujukan pada gambar 4.5. Dimana waktu pengeringan
sampel campuran berlangsung lebih lama dibanding serbuk gergaji atau sekam padi.
Sementara kecenderungan peningkatan laju devolatilisasi kurang terlihat dibandingkan
dengan campuran serbuk gergaji-tongkol jagung. Dalam hal ini bulk densitas juga tidak bisa
menjadi dasar perubahan tersebut, karena harga bulk densitas sampel campuran pasti
berada diantara serbuk gergaji dan sekam padi.
0 5 10 15 20 25
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
DTG
TG
DT
G (
d(1
- a)/
dt)
SP0 SP25 SP50 SP75 SP100
TG
(1
- a)
Waktu (menit)
-0.12
-0.06
0.00
0.06
Gambar 4.5. Pembakaran campuran serbuk gergaji dan sekam padi dengan metode macro-
thermobalance, ukuran partikel +40/-60 mesh, dan laju kenaikan
temperatur 20 C/menit
Dalam hal campuran yang heterogen dari jenis biomassa terdapat gradien temperatur
yang disebabkan oleh perbedaan panas jenis pada masing-masing biomassa. Besarnya
panas jenis biomassa tergantung pada kadar air dan temperatur (Basu, 2010). Karena kadar
air serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi mempunyai harga yang tidak sama,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
29
maka pada akhirnya terdapat geradien temperatur pada sampel campuran pada tahap
pengeringan.
Gradien temperatur dalam sampel campuran akan menyebabkan terjadinya proses self
cooling atau self heating antar partikel serbuk dalam sampel ( L’vov, 2007). Pada proses
tersebut diperlukan waktu sehingga tercapai temperatur bersama antar partikel serbuk yang
berbeda jenis biomassanya. Oleh karena itu, pada campuran serbuk gergaji dan tongkol
jagung diperlukan waktu untuk self cooling atau self heating sehingga tercapai temperatur
dan pengeringan bersama. Demikian juga untuk tahap pengeringan campuran serbuk
gergaji dan sekam padi.
C. Energi Aktivasi
Dari hasil pengujian macro-thermobalance non-isothermal dengan laju kenaikan
temperatur reaktor 20 C/menit dalam aliran udara 20 l/s. diperoleh hasil energi aktivasi
pembakaran karbon seperti terlihat paga gambar 4.6. Sebelum dilakukan pencampuran
serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi mempunyai energi aktivasi masing-masing
sebesar 88,44 kJ/mol, 87,64 kJ/mol, dan 92,71 kJ/mol. Setelah dilakukan pencampuran
serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam padi, energi aktivasi cenderung
0 25 50 75 10010
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Tongkol jagung Sekam padi Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2
Ea
(kJ/
mo
l)
Prosentase massa (%)
Gambar 4.6. Ea campuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-
sekam padi non-isothermal
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
30
meningkat. Energi aktivasi tertinggi campuran diperoleh pada sampel SJ50 sebesar 118,73
kJ/mol dan pada sampel SP75 sebesar 110,65 kJ/mol.
Sedangkan untuk pengujian macro-thermobalance isothermal dengan variasi
temperature tetap 592 K, 589 K, 584 K, dan 579 K, diperoleh hasil energi aktivasi
pembakaran karbon seperti terlihat paga gambar 4.7. Sebelum dilakukan pencampuran
serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi mempunyai energi aktivasi masing-masing
sebesar 25,31 kJ/mol, 41,41 kJ/mol, dan 34,70 kJ/mol. Setelah dilakukan pencampuran
serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam padi, energi aktivasi cenderung
meningkat. Energi aktivasi tertinggi campuran diperoleh pada sampel SJ75 sebesar 73,33
kJ/mol dan pada sampel SP50 sebesar 99,24 kJ/mol.
0 25 50 75 10010
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120 Tongkol jagung Sekam padi Fitting kurva,
polinomial orde 2 Fitting kurva,
polinomial orde 2
Ea
(kJ/
mo
l)
Prosentase massa (%)
Gambar 4.7. Ea campuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-
sekam padi isothermal
D. Konstata Laju Reaksi
Dengan menerapkan laju kenaikan temperatur 20 C/menit dan aliran udara 20 l/s yang
sama, maka konstanta laju reaksi pembakaran karbon tetap dari variasi campuran dapat
dihitung dan diperbandingkan seperti ditunjukan pada gambar 4.8. Sebelum dilakukan
pencampuran serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi mempunyai konstanta laju
reaksi masing-masing sebesar 8,4x10-3 min-1, 5,4x10-3 min-1, dan 5,1x10-3 min-1. Setelah
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
31
dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-sekam padi,
terjadi perubahan yang cukup signifikan pada prosentase massa 50 %. Konstanta laju reaksi
tongkol jagung 50 % sebesar 10,1x10-3 min-1 dan sekam padi 50 % sebesar 4,5x10-3 min-1.
0 25 50 75 1003
4
5
6
7
8
9
10
11
Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2
Tongkol jagung Sekam padi
k x
10
-3(m
in-1)
Prosentase massa (%)
Gambar 4.8. Konstanta laju reaksi campuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk
gergaji-sekam padi non-isothermal
Sedangkan konstanta laju reaksi yang diperoleh dari macro-thermobalance isothermal
dengan empat variasi temperatur tetap yaitu 592 K, 589 K, 584 K, dan 579 K ditunjukan
pada gambar 4.9. Secara umum konstanta laju reaksi meningkat dengan naiknya tempetarur
isothermal. Hal ini terlihat semakin tinggi temperatur, maka posisi grafik semakin keatas.
Sehingga pada temperatur 579 K mempunyai konstanta laju reaksi lebih rendah dibanding
temperatur 589 K, 584 K, dan 579 K.
Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji
sekam padi terjadi perubahan yang signifikan pada prosentase massa 50 %. Sebelum
dilakukan pencampuran serbuk gergaji, tomgkol jagung, dan sekam padi pada temperatur
579 K mempunyai konstanta laju reaksi sebesar 7,3x10-3 min-1, 7,3x10-3 min-1, dan 5,6x10-3
min-1. Setelah dicampur konstanta laju reaksi pada temperatur tersebut untuk tongkol
jagung 50 % dan sekam padi 50 % masing-masing sebesar 6,4 579 K x10-3 min-1 dan
3,9x10-3 min-1.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
32
0 25 50 75 1003
4
5
6
7
8
9
10
Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2
592 K589 K584 K579 K
k x
10
-3(m
in-1
)
Prosentase massa tongkol jagung (%)
0 25 50 75 1003
4
5
6
7
8
9
10 Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2 Fitting kurva, polinomial orde 2
592 K589 K584 K579 K
k x
10
-3(m
in-1)
Prosentase massa sekam padi (%)
Gambar 4.9. Konstanta laju reaksi campuran: a. serbuk gergaji-tongkol jagung,
b. serbuk gergaji-sekam padi isothermal
(a)
(b)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
33
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil yang diperoleh dari data dan analisa, maka dapat disimpulkan sebagai
berikut:
1. Energi aktivasi pembakaran karbon tetap non-isothermal sebelum dicampur serbuk
gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi adalah 88,44 kJ/mol, 87,64 kJ/mol, dan 92,71
kJ/mol. Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk
gergaji-sekam padi diperoleh perubahan Ea yang berkisar antara 87,64 kJ/mol – 118,73
kJ/mol.
2. Energi aktivasi pembakaran karbon tetap isothermal sebelum dicampur serbuk gergaji,
tongkol jagung, dan sekam padi adalah 25,31 kJ/mol, 41,41 kJ/mol, dan 34,70 kJ/mol.
Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-
sekam padi diperoleh perubahan Ea yang berkisar antara 24,89 kJ/mol – 99,24 kJ/mol.
3. Kontanta laju reaksi pembakaran karbon tetap non-isothermal sebelum dicampur serbuk
gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi adalah 8,4x10-3 min-1, 5,4x10-3 min-1, dan
5,1x10-3 min-1. Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan
serbuk gergaji-sekam padi diperoleh perubahan k yang berkisar antara 4,5x10-3 min-1 –
10,1.10-3 min-1.
4. Kontanta laju reaksi pembakaran karbon tetap isothermal sebelum dicampur serbuk
gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi berkisar antara 5,6x10-3 min-1 – 8,8x10-3 min-1.
Setelah dilakukan pencampuran serbuk gergaji-tongkol jagung dan serbuk gergaji-
sekam padi diperoleh perubahan k yang berkisar 3,9x10-3 min-1 – 9,5x10-3 min-1.
B. Saran
Mengingat dekomposisi termal serbuk gergaji berjalan secara kontinyu, maka perlu
dilakukan penyelidikan lebih lanjut mengenai hunbungan antara energi aktivasi yang
diperoleh dari model kinetik yang terdistribusi yaitu DAEM (distributed activation energy
model) dengan energi aktivasi dari model global kinetik. Dengan tujuan diperoleh
gambaran mengenai ada dan tidaknya hubungan antara reaksi satu dengan yang lainnya.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
34
DAFTAR PUSTAKA
Astriani, Leny Dewi. 2011. Pengembangan Serbuk Gergaji Menjadi Bio-Oil
Menggunakan Proses Pirolisis. Tugas Akhir. UNDIP. Semarang
Bertol, C.D., Cruz, A.P., Stulzer, H.K., Murakami, F.S., dan Silva, M.A.S. 2009. Thermal Decomposition Kinetics and Compatibility Studies of Primaquine Under Isothermal and Non-isothermal Conditions. J Therm Anal Calorim, vol. 102, hlm. 187–192, Springer.
Badan Pusat Statistik. 2014. Produksi Tanaman Pangan. Jakarta.
Basu, Prabir. 2010. Biomass Gasification and Pyrolysis Practical Design and Theory. Published by Elsevier Inc.
ESDM. 2012. Handbook of Energy & Economic Statistics of Indonesia. Jakarta.
Felix, Fabiana S., Cides da Silva, L.C., Angnes, L., dan Matos, J.R. 2009. Thermal Behavior Study and Decomposition Kinetics of Salbutamol Under Isothermal and Non-isothermal Conditions. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 95, hlm. 877–880.
Kuo-Chao, Lo., Keng-Tung, Wu., Chien-Song, Chyang., dan Wei-The, Ting. 2009. A New Study on Combustion Behavior of Pine Sawdust Characterized by the Weibull Distribution. Chinese Journal of Chemical Engineering, vol. 17, hlm. 860-868.
L’vov, Boris V. 2007. Thermal Decomposition of Solids and Melts. springer.
Qing, Wang., Hao, Xu., Hongpeng, Liu., Chunxia, Jia., dan Jingru, Bai. 2011. Thermogravimetric Analysis of The Combustion Characteristics of Oil Shale Semi-Coke/Biomass Blends, Oil Shale, vol. 28, no. 2, hlm. 284–295, Estonian Academy Publishers.
Sait, Hani H., Hussain, Ahmad., Salema, Arshad Adam., dan Ani, Farid Nasir. 2012. Pyrolysis and Combustion Kinetics of Date Palm Biomass Using Thermogravimetric Analysis. Bioresource Technology, vol. 118, hlm. 382–389, Elsevier.
Suyitno. 2009. Perumusan Laju Reaksi dan Sifat-Sifat Pirolisis Lambat Sekam Padi Menggunakan Metode Analisis Termogravimetri. Jurnal Teknik Mesin UNS, vol. 11, hlm. 12–18. Surakarta.
Saputro, Danang Dwi. 2009. Karamteristik Briket Arang Tongkol Jagung. Jurnal Kopetensi Teknik, vol.1, no.1, Universitas Negeri Semarang.
Surono, Untoro Budi. 2010. Peningkatan Kualitas Pembakaran Biomassa Limbah Tongkol Jagung sebagai Bahan Bakar Alternatif dengan Proses Karbonisasi dan Pembriketan. Jurnal Rekayasa Proses, vol. 4, no.1, Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Janabadra Yogyakarta.
34
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
35
Ulloa, C.A., Gordon, A.L., dan García, X.A. 2009. Thermogravimetric Study of Interactions in The Pyrolysis of Blends of Coal With Radiata Pine Sawdust. Fuel Processing Technology, vol. 90, hlm. 583–590, Elsevier.
Wijayanti, Diah Sundari. 2009. Karakteristik Briket Arang dari Serbuk Gergaji dengan Penambahan Arang Cangkang Kelapa Sawit. Skripsi. Fakultas Pertanian. Universitas Sumatra Utara.
Wang, Cuiping., Wang, Fengyin., Yang, Qirong., dan Liang, Ruiguang. 2008. Thermogravimetric Studies of The Behavior of Wheat Straw With Added Coal During Combustion. Biomass and Bioenergy, vol. 33, hlm. 50–56, Elsevier.
Xiao, Li., Li, Lin., Fu, Fengying., dan He, Mingzhong. 2012. Studies on Non-Isothermal and Isothermal Dehydration Kinetics of FePO4·2H2O. Thermochimica Acta, vol. 541, hlm. 57– 61, Elsevier.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
36
L A M P I R A N
A. Penurunan fraksi massa dari pengujian macro-thermobalance pada kondisi
isothermal
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
4060 SG 100
Gambar A1. Penurunan fraksi massa SJ0 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A2. Penurunan fraksi massa SJ25 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
36
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
37
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A3. Penurunan fraksi massa SJ50 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A4. Penurunan fraksi massa SJ75 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
38
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A5. Penurunan fraksi massa SJ100 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
4060 SG 100
Gambar A6. Penurunan fraksi massa SP0 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A7. Penurunan fraksi massa SP25 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A8. Penurunan fraksi massa SP50 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
40
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A9. Penurunan fraksi massa SP75 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Waktu (menit)
T306°C T311°C T316°C T319°C
Fra
ksi
mas
sa (
1-
)
Gambar A10. Penurunan fraksi massa SP100 dengan
ukuran +40/-60 mesh pada empat kondisi temperature tetap.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
B. Hasil pengujian proximate serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi.
Gambar B. Hasil pengujian proximate
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
42
C. Perhitungan proximate teoritis
Dari hasil pengujian proximate dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai
proximate secara teoritis.
Tabel C. Proximate teoritis
Air Volatil Fixed carbon
Abu Sampel
Wt % Wt % Wt % Wt %
Nilai kalor
(Kal/g)
SJ0 9,73 64,01 24,46 1,80 4885,77
SJ25 8,28 65,54 24,43 1,76 4775,39
SJ50 6,82 67,06 24,40 1,72 4665,01
SJ75 5,37 68,58 24,37 1,68 4554,64
SJ100 3,92 70,10 24,35 1,63 4444,26
SP0 9,73 64,01 24,46 1,80 4885,77
SP25 8,12 61,88 23,54 6,46 4557,63
SP50 6,51 59,74 22,63 11,12 4229,49
SP75 4,90 57,61 21,71 15,78 3901,35
SP100 3,29 55,47 20,80 20,44 3573,21
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 25 50 75 100Massa serbuk sekam padi (%)
Kan
dung
an (
%)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Kal
/gAir Volatil Fixed carbonAbu Nilai kalor
Gambar C1. Perubahan kadar air, volatil, fixed carbon, abu, dan nilai kalor serbuk gergaji-
sekam padi berdasarkan perhitungan proximate teoritis.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 25 50 75 100
Massa serbuk tongkol jagung (%)
Kan
dun
gan
(%)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Kal
/g
Air Volatil Fixed carbonAbu Nilai kalor
Gambar C2. Perubahan kadar air, volatil, fixed carbon, abu, dan nilai kalor serbuk gergaji-
tongkol jagung berdasarkan perhitungan proximate teoritis.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
44
D. Bulk densitas
Bulk densitas serbuk gergaji, tongkol jagung, dan sekam padi diukur menggunakan
timbangan AND GF300 dan perhitungan secara teoritis.
Tabel D. Bulk densitas sampel
Sampel SJ0 SJ25 SJ50 SJ75 SJ100 SP0 SP25 SP50 SP75 SP100 gr/cm3 0,240 0,217 0,198 0,182 0,168 0,240 0,255 0,271 0,289 0,240
0 25 50 75 1000.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
Sekam padi
Tongkol jagung
Bu
lk d
ensi
tas
sam
pel
(g
/cm
3 )
Prosentase massa (%)
Gambar D. Perubahan bulk densitas sampel karena penambahan sekam
padi atau tongkol jagung ke dalam serbuk gergaji.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
E. TGA di Laboratorium MIPA UNS.
Pembakaran serbuk gergaji, tongkol jangung, dan sekam padi dengan metode
termogravimetri, massa sampel 25 mg, laju kenaikan temperatur 20 C/menit di Lab.
MIPA UNS.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ts
Tr
DTG
TG
Tem
per
atur
Tr
dan
Ts
(oC
)
DT
G (
d(1
-
)/d
t)
Serbuk gergaji Tongkol jagung Sekam padi
TG
(1-
)
Waktu (menit)
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0
100
200
300
400
500
600
700
Gambar E. TGA pembakaran serbuk gergaji, tongkol jagung dan sekam
padi dengan laju kenaikan temperatur 20 C/menit
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user