...

adsorpsi isotermal co2 bertekanan tinggi pada karbon aktif dengan

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

adsorpsi isotermal co2 bertekanan tinggi pada karbon aktif dengan
128
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 14, NO. 2, NOVEMBER 2010: 128-132
ADSORPSI ISOTERMAL CO2 BERTEKANAN TINGGI
PADA KARBON AKTIF DENGAN METODA VOLUMETRIK
Awaludin Martin*), Bambang Suryawan, Muhammad Idrus Alhamid, dan Nasruddin
Laboratorium Teknik Pendingin dan Pengkondisian Udara, Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
*)
E-mail: [email protected]
Abstrak
Sistem adsorpsi adalah salah satu cara atau metoda yang paling efektif untuk memisahkan CO2 dengan zat lainnya yang
dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil. Pada rancangan untuk aplikasi tersebut, disamping data karakteristik
material berpori (adsorben), data penyerapan CO2 pada adsorben (kinetik dan thermodinamika) juga dibutuhkan.
Penelitian ini bertujuan menghasilkan data adsorpsi isotermal pada tekanan sampai dengan 3,5 MPa dengan
menggunakan metoda tak langsung (metoda volumetrik) pada temperatur isotermal 300, 308, 318 dan 338 K. Adsorben
yang digunakan adalah karbon aktif berbahan dasar batubara Kalimantan Timur yang diproduksi dengan menggunakan
metode aktivasi fisika (CO2) derngan luas permukaan karbon aktif (karbon aktif KT) adalah 668 m2/g dan volume
porinya 0,47 mL/g. Karbon dioksida (CO2) yang digunakan adalah karbon dioksida high purity dengan kemurnian
99,9%. Data yang diperoleh dari hasil eksperimen kemudian dikorelasi dengan menggunakan model persamaan
Langmuir dan Toth. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Kapasitas penyerapan maksimum adalah 0,314 kg/kg pada
temperatur 300 K dan tekanan equilibrium 3384,69 kPa. Hasil regresi data eksperimen dengan menggunakan model
Langmuir dan Toth adalah 3,4% dan 1,7%.
Abstract
High Pressure Adsorption Isotherm of CO2 on Activated Carbon using Volumetric Method. Adsorption system is
ones of the most effective methods for CO2 separating with other substances that produced from the burning of fossil
fuels. In the design for that application, beside of characteristics of porous material (adsorbent) data, CO2 adsorption
data on the adsorbent (kinetic and thermodynamic) are also needed. The aim of this research is resulting isothermal
adsorption data at pressures up to 3.5 MPa by indirect methods (volumetric method) at isothermal temperature of 300,
308, 318 and 338 K. Adsorbent that used in this research is activated carbon made from East of Kalimantan coals by
physical activation method (CO2) which is the surface area of activated carbon is 668 m2/g and pore volume is 0.47
mL/g. Carbon dioxide (CO2) that used in this research is high purity carbon dioxide with a purity of 99.9%. Data from
the experiment results then correlated using the Langmuir and Toth equations model. The results showed that the
maximum adsorption capacity is 0.314 kg/kg at 300 K and 3384.69 kPa. The results of regression of experiment data
using Langmuir and Toth models were 3.4% and 1.7%.
Keywords: adsorption isothermal, adsorption capacity, Langmuir equation, Toth equation
Sistem adsorpsi banyak sekali digunakan baik dalam
kehidupan sehari-hari maupun dalam dunia industri
seperti pada sistem penyerapan limbah, sebagai katalis
reaksi, gas storage (penyimpan gas), sistem pendingin,
pemurnian gas alam dan lain-lain [1].
pembakaran bahan bakar fosil pada kendaraan, industri,
pembangkit listrik dan lain-lain yang terakumulasi
diatmosfir akan mengakibatkan terjadinya pemanasan
global [2]. Sistem adsorpsi adalah salah satu cara atau
metoda yang paling efektif untuk memisahkan CO2
dengan zat lainnya yang dihasilkan dari pembakaran
bahan bakar fosil [2].
Salah satu aplikasi sistem penyerapan adalah pada
sistem penyerapan CO2. Emisi gas CO2 dari hasil
Pada rancangan untuk aplikasi tersebut diatas,
disamping data karakteristik material berpori (adsorben)
1. Pendahuluan
128
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 14, NO. 2, NOVEMBER 2010: 128-132
129
data penyerapan (kinetik dan thermodinamika) juga
dibutuhkan [3]. Paling tidak terdapat dua metoda untuk
mendapatkan data penyerapan (adsorption equilibrium),
pertama adalah metoda langsung (metoda gravimetrik/
gravimetric method) dan yang kedua metoda tak
langsung (metoda volumetrik/volumetric method).
Penelitian ini akan menghasilkan data adsorpsi
isotermal pada tekanan sampai dengan 3,5 MPa dengan
menggunakan metoda tak langsung (metoda volumetrik)
dengan menggunakan karbon aktif pada temperatur
isotermal 300, 308, 318 dan 338 K. Data eksperimen
juga akan dikorelasi dengan menggunakan model
persamaan Langmuir dan Toth.
& vv = Δm vv = m vv (t) − m vv (t + Δt)
m
Δt
=
dm d,ms
dt
=
Δt
(p vv (t) − p vv (t + Δt) ) ⋅ Vvv
Z. R vv ⋅ Tvv ⋅ Δt
(2)
(m d, ms (t + Δt) − m d,ms (t)
Δt
(p ms (t + Δt) − p ms (t)) ⋅ Vms
=
Z.. R d ⋅ Tms ⋅ Δt
(3)
2. Metode Penelitian
Ada empat metoda pengukuran adsorpsi isotermal, yaitu
metoda carrier gas, metoda volumetrik, metoda
gravimetrik dan metoda kalorimetrik. Keempat metoda
pengukuran penyerapan adsorpsi tersebut telah
digunakan di berbagai negara dan telah diakui secara
internasional [4]. Dalam penelitian ini metoda adsorpsi
isotermal yang digunakan adalah metoda volumetrik.
Adsorpsi Isotermal dengan Metoda Volumetrik.
Dasar pengukuran metoda volumetrik adalah tekanan,
volume dan temperatur. Data pengukuran pada metoda
volumetrik adalah tekanan dan temperatur, dimana data
diukur saat adsorbat masuk ke tempat diletakkannya
adsorben (adsorption bulb). Setelah keseimbangan
adsorpsi terjadi, jumlah adsorbat yang terserap dihitung
dari perubahan tekanan yang terjadi (lihat Gambar 1).
Gambar 1. Skema Keseimbangan Massa pada Proses
Penyerapan
Kesetimbangan massa uap adsorbat dalam measuring
cell dapat diasumsikan sebagai berikut [5]:
(4)
dm d,ms
dt
& vv − m
& ads
=m
(1) dengan: dmd,ms/dt = laju aliran massa adsorbat di
measuring cell (kg/s)
& vv
m
= laju aliran massa adsorbat di
& ads
m
vapour vessel (kg/s)
= laju aliran massa adsorbat yang
diserap oleh adsorben (kg/s)
Selama proses dari mulai vapour vessel sampai pada
measuring cell jika adsorbat diasumsikan mempunyai
sifat gas ideal maka Z yang merupakan faktor
kompresibilitas adalah 1. Namun dalam penelitian ini
adsorbat yang digunakan tidak diasumsikan sebagai gas
ideal sehingga nilai Z sangat bergantung pada besar
tekanan dan temperatur. Nilai Z didapat dengan
menggunakan software REFPROP versi 8.
Dengan mensubstitusikan persamaan (2) dan (3) ke
dalam pers (1), maka didapat:
Δm ads (t)
Δt
(pvv (t)− pvv (t + Δt))⋅ Vvv (pms(t + Δt)− pms(t))⋅ Vms
−
=
Z.Rvv ⋅ Tvv ⋅ Δt
Z.Rd ⋅Tms⋅Δt
& ads =
m
Bahan dan Alat Uji. Adsorben yang digunakan pada
penelitian ini adalah karbon aktif berbahan dasar
batubara Kalimantan Timur yang diproduksi dengan
menggunakan metode aktivasi fisika (CO2). Luas
permukaan karbon aktif (karbon aktif KT) adalah 668
m2/g dan volume porinya 0,47 mL/g. Karbon dioksida
(CO2) yang digunakan adalah karbon dioksida high
purity dengan kemurnian 99,9%.
Alat Uji Adsopsi Isotermal. Alat uji adsorpsi Isotermal
pada prinsipnya terdiri atas dua buah silinder yaitu
silinder pengisian (charging cell) dan silinder
pengukuran (measuring cell) dengan volume masingmasing adalah 1173 mL dan 83,4 mL yang terbuat dari
stainless steel 304 (SS 304) seperti terlihat pada Gambar
2. Kedua tabung tersebut dihubungkan dengan tube
stailess steel dimana keduanya terendam dalam fluida
yang temperaturnya dikendalikan oleh circulating
thermal bath (merk HUBER) dengan akurasi 0,1 oC.
130
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 14, NO. 2, NOVEMBER 2010: 128-132
(isotermal), gas CO2 dimasukkan kedalam charging cell
dimana sebelumnya katup yang menghubungkan antara
charging cell dan measuring cell ditutup. Setelah
temperatur pada charging cell kembali ke temperatur
isotermal katup penghubung tersebut dibuka, proses ini
adalah proses awal adsorpsi isotermal. Gas CO2 kembali
diisikan pada tekanan berikutnya kedalam charging cell
setelah temperatur pada charging cell kembali pada
temperatur semula. Proses tersebut berlangsung sampai
dengan tekanan pengisian 3,5 MPa. Proses di atas
dilakukan kembali untuk temperatur isotermal yang
berbeda.
3. Hasil dan Pembahasan
Tekanan pada kedua silinder diukur dengan
menggunakan pressure transmitter dengan kisaran
pengukuran 0-40 bar absolut (DRUCK PTX 1400)
dengan akurasi 0,15%. Thermocouple kelas A tipe K
digunakan untuk mengukur temperatur adsorbat (gas
CO2) dan adsorben (karbon aktif). Data tekanan dan
temperatur direkam melalui data akuisisi (merk National
Instrument).
Proses awal pengujian adalah proses degassing dimana
measuring cell yang telah berisi karbon aktif
dihubungkan dengan charging cell kemudian dililiti
dengan pemanas (heater). Proses degassing dimaksudkan
untuk mengeluarkan seluruh unsur atau zat pengotor
(impurity) yang kemungkinan terserap oleh karbon aktif
selama penyimpanan. Proses degassing berlangsung
sampai dengan 8 jam dan selama proses sistem di
vakum dengan pompa vakum satu tingkat (merk
ARUKI) sampai dengan tekanan mendekati 0,01 mbar.
Selama proses tersebut measuring cell dipanaskan
dengan cara dililiti dengan pemanas (heater) untuk
menjaga temperatur karbon aktif pada kisaran 130–
140 oC. Gas Helium (He) dimasukkan kedalam sistem
pada tekanan sampai dengan 7 bar untuk meningkatkan
proses pengeluaran zat pengotor pada karbon aktif.
Setelah proses degassing, kemudian charging cell dan
measuring cell direndam dengan air yang disirkulasikan
oleh circulating thermal bath (merk HUBER) dengan
akurasi 0,1 oC untuk menjaga agar temperatur pada
sistem konstan pada temperatur tertentu yang
diinginkan. Setelah temperatur pada sistem konstan
Gambar 3 juga menjelaskan bahwa kapasitas penyerapan
CO2 semakin besar dengan semakin besarnya tekanan
equilibrium dan semakin rendahnya temperatur isotermal.
Dengan demikian didapat bahwa kapasitas penyerapan
adsorbat terhadap adsorben tergantung pada besarnya
tekanan dan temperatur.
Data adsorpsi isotermal CO2 pada karbon aktif yang
diperoleh dibandingkan dengan data adsorpsi isotermal
yang dilakukan oleh Karl Berlier dan Marc Fre`re
seperti terlihat pada Gambar 4. Karbon aktif yang
digunakan oleh Karl Berlier dan Marc Fre`re adalah
0,4
0,35
0,3
Uptake (kg/kg)
Gambar 2. Skema Alat Uji
Adsorpsi Isotermal. Data adsorpsi isotermal CO2 pada
karbon aktif telah dilakukan pada temperatur 27, 35, 45,
dan 65 oC (300, 308, 318 dan 338 K) sampai dengan
tekanan 3,5 MPa dengan menggunakan metoda
volumetrik. Gambar 3 adalah grafik adsorpsi isotermal
CO2 pada karbon aktif, dan dari gambar tersebut terlihat
bahwa adsorpsi Isotermal CO2 pada karbon aktif masuk
dalam klasifikasi penyerapan IUPAC tipe I [6].
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Pressure (kPa)
Gambar 3. Adsorpsi Isotermal Karbon Dioksida (CO2)
pada Karbon Aktif KT pada Suhu 27 oC (Š),
35o C (■), 45 oC (●), dan 65 oC (▲)
131
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 14, NO. 2, NOVEMBER 2010: 128-132
karbon aktif (F30/470) dengan luas permukaan 1150
m2/g dengan volume pori 0,62 mL/g [7].
Korelasi Adsorpsi Isotermal. Model Langmuir dan
Toth digunakan untuk merepresentasikan data
keseimbangan adsorpsi. Asumsi model Langmuir adalah
bahwa permukaan adsorben homogen dimana energi
adsorpsi konstan pada seluruh permukaan adsorben.
Model ini juga mengasumsikan bahwa adsorpsi
dilokalisasi dan tiap lokasi hanya dapat mengakomodasi
satu molekul atau atom [8]. Model Langmuir adalah
sebagai berikut [9]:
k 0 . exp (hst / RT )P
C
=
C0 [(1 + k 0 exp(hst / RT )P )]
(5)
0,35
Uptake (kg/kg)
0,3
0,25
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Pressure (kPa)
Gambar 6. Adsorpsi Isotermal CO2 pada Karbon Aktif
KT pada Suhu 27 oC (Š), 35 oC (●), 45 oC (▲),
dengan Persamaan Toth
Tabel 1. Besaran-besaran yang Digunakan
Parameter
Co
(kg/kg)
hst/R
(K)
ko
(1/kPa)
t
Deviasi
Model Langmuir
0,352
1409,449
1,43.10-5
3,4%
Model Toth
0,491
1409,353
1,82.10-5
0,59
1,7%
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
1000
2000
3000
4000
Pressure (KPa)
Gambar 4. Adsorpsi Isotermal CO2 pada Karbon Aktif
pada Temperatur 45 oC, Karbon Aktif F30/470
(Š), Karbon Aktif KT (●)
0,35
0,3
Model persamaan Toth biasanya digunakan pada
permukaan adsorben yang heterogen seperti pada
karbon aktif dan juga persamaan tersebut dapat
digunakan pada tekanan rendah dan tekanan tinggi
[10]. Model persamaan Toth adalah sebagai berikut
[9,11]:
[
0,2
]
(6)
1/ t
Dimana t adalah parameter yang mengindikasikan
heterogenitas adsorben.
0,15
0,1
0,05
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Pressure (kPa)
Gambar 5. Adsorpsi Isotermal CO2 pada Karbon Aktif
KT pada Suhu 27 oC (Š), 35 oC (●), 45 oC (▲),
dengan Persamaan Langmuir
Dengan C adalah kapasitas adsorpsi per unit massa
adsorben pada kondisi equilibrium, Co adalah kapasitas
penyerapan maksimum,hst adalah panas adsorpsi
isosterik, k0 adalah konstanta equilibrium. Gambar 5
adalah grafik data adsorpsi isotermal yang diregresikan
dengan menggunakan model persamaan Langmuir. Pada
regresi yang dilakukan diperoleh nilai deviasi antara
data eksperimen dengan persamaan adalah 3,49%.
k 0 . exp (hst / RT )P
C
=
C 0 (1 + k exp(h / RT )P )t
0
st
0,25
Uptake (kg/kg)
0,3
Uptake (kg/kg)
Kapasitas penyerapan yang diperoleh oleh Karl Berlier
dan Marc Fre`re lebih besar dibandingkan dengan
kapasitas penyerapan CO2 pada pada karbon aktif KT
hal tersebut dikarenakan luas permukaan dan volume
pori karbon aktif yang digunakan Karl Berlier dan Marc
Fre`re lebih besar dibanding dengan karbon aktif KT.
0,35
Persamaan Toth menghasilkan nilai regresi yang lebih
akurat dibandingkan dengan persamaan Langmuir
dimana deviasi antara data eksperimen dengan
persamaan Toth adalah 1,7% (Gambar 6) sementara
persamaan Langmuir adalah 3,49%. Selain karena
persamaan Toth memiliki parameter yang lebih banyak,
persamaan Langmuir memiliki keterbatasan pada
tekanan yang relatif tinggi dan juga dikarenakan asumsi
132
MAKARA, TEKNOLOGI, VOL. 14, NO. 2, NOVEMBER 2010: 128-132
bahwa permukaan adsorben adalah homogen. Tabel 1
adalah besaran-besaran yang digunakan pada penyelesaian
model persamaan Langmuir dan Toth.
4. Simpulan
Pada penelitian ini adsorpsi isotermal CO2 pada karbon
aktif telah dilakukan pada tekanan sampai dengan 3,5
MPa dengan kisaran temperatur 300, 308, 318, dan 338
K dengan menggunakan metoda volumetrik. Kapasitas
penyerapan maksimum adalah 0,314 kg/kg pada
temperatur 27 oC dan tekanan equilibrium 3384,69 kPa.
Data eksperimen dikorelasikan dengan menggunakan
model persamaan Langmuir dan Toth, dari hasil regresi
yang dilakukan antara data eksperimen dan model
persamaan Langmuir dan Toth didapat penyimpangannya
sebesar 3,49% dan 1,7%.
Ucapan Terima kasih
Penelitian ini didanai oleh Direktorat Jenderal Pendidikan
Tinggi Departemen Pendidikan Nasional melalui Proyek
Penelitian Hibah Bersaing dengan nomor kontrak
239AT/DRPM-UI/N14/2008.
Daftar Acuan
[1] H. Marsh, F. Rodriguez-Reinoso, Activated
Carbon, Elsevier Ltd, Oxford, UK, 2006, p. 52.
[2] J-S Lee, J-H Kim, J-T Kim, J-K Suh, J-M Lee, and
C-H Lee, J. Chem. Eng. Data 47 (2002) 1237.
[3] Y. Belmabkhout, M. Fr`ere, G. DeWeireld, Meas.
Sci. Technol. 15 (2004) 848.
[4] U. Jürgen, Keller, Erich Robens, Cedric du Fresne
von Hohenesche, Stud. Surf. Sci. Catal. 144 (2002)
387.
[5] B. Dawoud, Y. Aristov, Int. J. Heat Mass Transfer.
46 (2003) 273.
[6] R.C. Bansal, M. Goyal, Activated Carbon Adsorption,
Taylor & Francis Group, New York, 2005, p. 97.
[7] K. Berlier, M. Fre`re, J. Chem. Eng. Data 42 (1997)
533.
[8] D.D. Do, Adsorption Analysis: Equilibria and
Kinetics, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd,
Singapore, 2008.
[9] K.A. Rahman, W.S. Loh, A. Chakraborty, B.B.
Saha, K.C. Ng, Proceedings of the 2nd Annual Gas
Processing Symposium, Elsevier, Qatar, 2009, p1-8.
[10] S. Himeno, T. Komatsu, S. Fujita, J. Chem. Eng.
Data 50 (2005) 369.
[11] X. Wang, J. French, S. Kandadai, H.T. Chua, J.
Chem. Eng [Internet]. 2010 [2010 March 10].
Available from: http://pubs.acs.org.
Fly UP