Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah Pengolahan Resin Pinus
BRIKET ARANG SERBUK KAYU SENGON BERPEREKAT
LIMBAH PENGOLAHAN RESIN PINUS
SINTIA PRAMUDITA
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Briket Arang Serbuk
Kayu Sengon Berperekat Limbah Pengolahan Resin Pinus adalah benar karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Maret 2015
Sintia Pramudita
NIM E24100006
ABSTRAK
SINTIA PRAMUDITA. Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah
Pengolahan Resin Pinus. Dibimbing oleh NYOMAN J. WISTARA
Serbuk gergaji kayu sengon adalah sumber potensial untuk energi
terbarukan. Nilai kalornya dapat ditingkatkan dengan mengonversikannya
menjadi briket arang. Gondorukem Tanpa Mutu (GTM) dari limbah pengolahan
getah pinus digunakan sebagai perekat briket karena mengandung resin, tidak
beracun, tidak menyebabkan iritasi, dan sangat lengket. Perekat ini diharapkan
dapat meningkatkan ketahanan dan nilai kalor briket. Persiapan bahan baku
penelitian dilakukan dengan mencampurkan arang dan GTM dengan komposisi
yang bervariasi (G20, G25, dan G30%). Pembuatan briket menggunakan metode
pengempaan panas dengan variasi suhu ( (120, 140, dan 160 oC) dan waktu
pengempaan (15 dan 20 mnt). Pengujian kadar air, kerapatan, kadar zat menguap,
kadar abu, kadar karbon terikat dan nilai kalor mengikuti ASTM D 5142-02.
Pengujian ketahanan briket mengikuti standar ASABE dan sifat termal dianalisis
dengan Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis (TG-DTA). Data
hasil penelititan dianalisis menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL). Hasil
menunjukkan bahwa kerapatan, kadar air, ketahanan, kadar zat menguap, kadar
abu, karbon terikat, dan nilai kalor briket yang dihasilkan masing-masing sebesar
0.69-0.86 g / cm3, 4.63-7.35%, 36.64-83.73%, 32.26-41.59%, 4.11-6.02%, 46.6354.53%, dan 6014-6312 kcal / kg. Analisis termal menunjukkan bahwa selama
pembakaran briket terjadi kehilangan air pada suhu 39-100 oC, dekomposisi bahan
pada 100-480 oC dengan kehilangan massa 15.8-65.40%, dan tidak terjadi
kehilangan massa yang signifikan di atas suhu 428 oC. Briket arang berkualitas
baik dihasilkan dengan penambahan 30% GTM pada suhu 160oC selama 15 menit.
Kata kunci: briket arang, sengon, resin, sifat termal, ketahanan
ABSTRACT
SINTIA PRAMUDITA. Charcoal Briquette of the Sengon Wood Sawdust
Reinforced with Processing Waste of Pine Resin. Supervised by NYOMAN J.
WISTARA
Sengon wood sawdust is a potential resource of renewable energy. Its
calorific value can be increased through charcoal briquetting. Unclassified Pine
Rosin from the waste of pine resin processing was used as the briquette binder.
The binder was expected to increase briquette durability and calorific value. In
this study, the briquettes were prepared by mixing sawdust charcoal sengon and
waste processing pine resin with various composition (G20, G25, and G30%).
Briquetting performed by hot compression method with variation of temperature
(120, 140, and 160oC) and time (15 and 20 min). Moisture content, density,
volatile matter, ash content, fixed carbon and calorific value of briquettes
determined according to ASTM D 5142-02. The durability of briquettes
determined according to ASABE standard procedures and its combustion
behaviour was examined by Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis
(TG-DTA). Data were analyzed using completely randomized design. The results
showed that the density, moisture content, durability, volatile matter, ash
content, fixed carbon, and calorific value of the resulting briquette was of 0.690.86 g/cm3, 4.63-7.35%, 36.64-83.73%, 32.26-41.59 %, 4.11-6.02%, 46.6354.53%, 6014-6312 kcal/kg, respectively. Thermal analysis showed that during
briquette combustion, the water loss occurred at 39-100oC, materials
decomposition at 100-480oC with the weight loss of 15.8-65.4%, and no further
weight loss occurred above the temperature of 428 oC. An acceptable charcoal
briquette quality can be resulted with the addition of 30% rosin briquetting at
160oC C for 15 minutes.
Keyword: charcoal briquette, sengon, resin, thermal behaviour, durability
BRIKET ARANG SERBUK KAYU SENGON BERPEREKAT
LIMBAH PENGOLAHAN RESIN PINUS
SINTIA PRAMUDITA
Skripsi
Sebagai syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Kehutanan
pada
Departemen Hasil Hutan
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Judul Skripsi
Nama
NIM
: Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah
Pengolahan Resin Pinus
: Sintia Pramudita
: E24100006
Disetujui oleh
Nyoman J. Wistara, Ph.D.
Pembimbing
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Fauzi Febrianto, MS
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2014 ini ialah bioenergi, dengan
judul Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah Pengolahan Resin
Pinus.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Nyoman J. Wistara, Ph.D
selaku dosen pembimbing dan seluruh dosen, laboran, dan karyawan Departemen
Hasil Hutan yang telah membantu dan memberikan arahan selama menjalani studi
di IPB. Penulis juga menyampaikan terimakasih kepada DIKTI yang telah
memberikan Beasiswa Bidik Misi dan Beasiswa Tanabe dari Departemen Hasil
Hutan. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada ayah, ibu, serta
seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Penulis juga mengucapkan
terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Wahyu Dwiyanto, M.Agr dan teknisi di
Laboratorium Biokomposit Puslit Biomaterial LIPI, serta teman-teman terutama
Syaiful Bahri, Dwi Hatmojo Kresnoadi, Dwi Rizki Endriadilla, Agnes Samuel
Lumbanraja, Nova Lestari, dan Muhammad Arif Rohmatullah yang telah
membantu selama kegiatan penelitian dan penyusunan tugas akhir.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Maret 2015
Sintia Pramudita
DAFTAR ISI
ABSTRAK
ii
ABSTRACT
iii
DAFTAR ISI
ix
DAFTAR TABEL
x
DAFTAR GAMBAR
x
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
METODE
2
Persiapan Bahan Baku
2
Pengujian kualitas briket arang
3
Analisis Data
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
5
Analisis Proksimat Bahan Baku
5
Analisis termal
6
Kualitas Briket Arang
7
Kerapatan
7
Kadar air
8
Ketahanan
9
Kadar zat menguap
10
Kadar abu
11
Kadar karbon terikat
12
Nilai kalor
12
Perbandingan kualitas briket arang
SIMPULAN DAN SARAN
13
14
Simpulan
14
Saran
14
DAFTAR PUSTAKA
15
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Analisis Proksimat Bahan Baku
5
Tabel 2 Analisis Termal
6
Tabel 3 Rataan dan standar deviasi kerapatan, kadar air, dan ketahanan
8
Tabel 4 Analisis Keragaman Kualitas Briket Arang
9
Tabel 5 Uji lanjut Duncan
10
Tabel 6 Rataan dan standar deviasi kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar
karbon terikat
11
Tabel 7 Nilai kalor briket arang
12
Tabel 8 Perbandingan kualitas briket arang
13
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Diagram alir penelitian
3
Gambar 2 Analisis termal
7
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keterbatasan sumber energi berbasis fosil berdampak pada meningkatnya
permintaan terhadap sumber energi terbarukan. Saat ini sekitar 1.5% kebutuhan bahan
bakar transportasi global dipasok oleh biofuels (Eisentraut 2010) dan diperkirakan 16%
kebutuhan energi primer pada tahun 2020 akan dipasok oleh energi terbarukan (WEC
2013). Biomassa adalah sumber potensial untuk energi terbarukan. Biomassa memiliki
karakteristik nilai kalor dan kadar abu yang lebih baik dibandingkan dengan batubara
(Maninder et al. 2012) dan dapat diperoleh sebagai limbah industri pengolahan kayu.
Produksi kayu gergajian di Indonesia semakin meningkat setiap tahunnya. Pada
tahun 2012 produksi kayu gergajian sebesar 1.053 juta m3 meningkat menjadi 1.218
juta m3 pada tahun 2013 (Departemen Kehutanan 2014). Peningkatan jumlah produksi
kayu gergajian menyebabkan peningkatan produksi limbah pada industri perkayuan.
Serbuk gergaji dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku energi biomassa.
Serbuk gergaji kayu sengon memiliki nilai kalor sebesar ±4248 kal/gram (Saputro
et al. 2012). Nilai kalor limbah ini dapat ditingkatkan dengan mengonversikannya
menjadi briket arang. Penelitian Pallavi et al. (2013) menunjukkan pembriketan pada
campuran ampas tebu dan kulit kopi mampu meningkatkan kadar karbon terikat hingga
53.8 % dan nilai kalor hingga 685 KJ/kg serta menurunkan kadar air hingga 4.8%.
Selain itu pembriketan memudahkan dalam penyimpanan dan transportasi.
Perekat dan mekanisme perekatan sangat penting dalam proses pembriketan. Jenis
perekat yang digunakan sangat berpengaruh terhadap kadar zat menguap, kadar abu,
kadar karbon terikat, dan nilai kalor briket yang dihasilkan (Emerhi 2011). Gondorukem
Tanpa Mutu (GTM) merupakan limbah padat pada pabrik pengolahan getah pinus yang
mengandung resin dan dapat digunakan sebagai perekat pada pembuatan briket arang.
GTM merupakan gondorukem dengan kadar kotoran yang tinggi (±45%). Gondorukem
merupakan produk olahan getah pinus dengan metode destilasi. Gondorukem tersusun
atas 90 % asam resin dan 10% komponen netral (Nilsson et al. 2009). Komponen asam
resin didominasi oleh asam dehidroabietik yaitu sebanyak 27-28% sedangkan
komponen netral didominasi oleh α-pinene yaitu sebanyak 73.1% (Wiyono et al. 2006).
Gondorukem termasuk kelompok perekat yang mudah terbakar (Pallavi et al. 2013)
dengan titik lunak diatas suhu 74ºC (BSN 2010).
Limbah GTM bewarna kehitaman, mengkilap, rapuh, meleleh pada suhu tinggi
dan mengeras kembali pada suhu ruangan (termoplastik). Menurut Negrutiu et al.
(2005), resin termoplastik cenderung stabil, hampir tidak ada porositas, dan fleksibel.
Sifat ini mengindikasikan bahwa GTM dapat dimanfaatkan sebagai perekat pada
pembuatan briket arang dengan bantuan suhu tinggi. Selain itu gondorukem tidak
beracun, tidak menyebabkan iritasi, dan sangat lengket (Nilsson et al. 2009) sehingga
aman diaplikasikan pada bahan bakar. Kurniawan dan Marsono (2008) menyatakan
bahwa briket arang dengan perekat getah pinus memiliki ketahanan yang baik terhadap
benturan, mengkilap dan mudah terbakar. Selain memiliki nilai ekonomi yang rendah,
limbah ini mengandung resin yang berpengaruh positif terhadap nilai kalor.
Sifat fisis, kimia dan termal dari energi biomassa dapat dilihat dari kerapatan,
analisis proksimat (kadar air, kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar karbon terikat),
nilai kalor, indeks nilai bahan bakar, suhu fusi dan deformasi abu (Saravanan et al.
2013), serta ketahanan (Kaliyan dan Morrey 2009). Karakteristik briket arang yang
2
dihasilkan sangat dipengaruhi oleh variabel-variabel penting pada proses densifikasi
yang meliputi suhu pengempaan, tekanan pengempaan, kadar air bahan baku (Kers et
al. 2010), ukuran partikel arang (Usman 2007), holding time, komposisi biomassa dan
jenis perekat yang digunakan (Tumuluru et al. 2010).
Peningkatan tekanan dapat meningkatkan kerapatan dan ketahanan briket
(Kaliyan dan Morey 2009). Pembriketan dengan tekanan rendah menghasilkan briket
yang mudah pecah sedangkan tekanan yang lebih tinggi menghasilkan briket yang
konsisten dan padat (Krizan et al. 2009). Suhu pengempaan juga memberikan pengaruh
penting terhadap briket yang dihasilkan. Menurut Kers et al. (2010), pengempaan
dibawah suhu optimum menghasilkan briket yang tidak stabil, berkekuatan rendah,
waktu pembakaran singkat, dan bernilai kalor rendah sedangkan pengempaan diatas
suhu optimum menyebabkan keluarnya zat menguap dari bahan pada awal pembakaran.
Kondisi optimum pembuatan briket arang adalah dengan penambahan perekat alami
sebesar 20%, tekanan 100-150 MPa (Kaliyan dan Morrey 2009), dan suhu sekitar
150ºC (Kers et al. 2010)..
Perumusan Masalah
Perekat briket arang yang digunakan selama ini memerlukan air sebagai pelarut
sehingga dapat meningkatkan kadar air dan menurunkan nilai kalor briket arang yang
dihasilkan. Limbah PGT berupa GTM mengandung resin dan bersifat perekat sehingga
berpotensi memperbaiki nilai kalor briket arang dan menggantikan fungsi perekat
berpelarut air pada proses pembriketan. Pembuatan briket arang dengan penambahan
GTM diharapkan dapat menghasilkan briket arang dengan kualitas yang baik.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menemukan komposisi penambahan GTM dan
kondisi pembriketan terbaik untuk meningkatkan kualitas briket arang dengan bahan
baku serbuk gergaji kayu sengon.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan akan menghasilkan briket arang dengan kualitas baik.
Disamping itu pemanfaatan GTM sebagai perekat briket arang diharapkan
berkelanjutan sehingga dapat mengoptimalkan pemanfaatan limbah di PGT.
METODE
Persiapan Bahan Baku
Bahan yang digunakan adalah serbuk arang kayu sengon yang sudah lolos
saringan 45 mesh dan serbuk GTM yang sudah lolos saringan 20 mesh. Urutan proses
pembuatan briket dapat dilihat pada Gambar 1. Kemudian dilakukan analisis proksimat
( kadar air, kadar zat terbang, kadar abu, kadar karbon terikat, dan nilai kalor) pada
kedua bahan. Serbuk arang dan GTM yang sudah diketahui karakteristik
3
pembakarannya, kemudian dicampur sampai homogen dengan kadar GTM 20%, 25%,
dan 30%. Penelitian ini tidak menggunakan perlakuan kontrol karena pembuatan briket
arang membutuhkan perekat untuk mengikat antar partikel bahan baku. Rasio arang dan
GTM dihitung berdasarkan berat keringnya.
Bahan baku dicampurkan hingga homogen kemudian dimasukkan ke dalam
cetakan yang berdiameter 7 cm dan tinggi 3 cm. Alat cetak berbahan metal dan
dilengkapi dengan 2 lempengan pengatur tebal. Pengempaan briket arang dilakukan
menggunakan kempa panas dengan tekanan kempa 40 kg/cm2 (3.92 MPa) hingga
GTM meleleh dan menyebar merata ke seluruh permukaan arang kemudian
dipindahkan ke alat kempa dingin dengan tekanan 2000 psi (13.79 MPa) agar GTM
kembali mengeras dan membentuk briket arang.
Gambar 1 Diagram alir penelitian
Pengujian kualitas briket arang
Kerapatan diukur berdasarkan perbandingan berat terhadap volume briket.
Prosedur pengujian kadar air, kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar karbon terikat
mengikuti ASTM D 5142-02. Pengujian ketahanan briket mengikuti standar ASAE
(2003). Nilai kalor dianalisis menggunakan alat bom kalorimeter Parr 6400 yang
diproduksi oleh Parr Instrument Company Amerika Serikat.
4
Sifat termal bahan baku dan produk briket arang dianalisis dengan Thermal
Gravimetry/Differential Thermal Analyser (TG/DTA) SII EXTAR 7300 buatan Hitachi
High-Tech Science Corporation Tokyo. Analisis termal dilakukan dengan air flow rate
50 cm3/menit pada laju pemanasan 10ºC/menit hingga suhu 1200ºC.
Analisis Data
Penelitian menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL) Faktorial dengan
tiga faktor. Faktor A adalah kadar GTM (3 taraf yaitu G20, G25, dan G30), faktor B
adalah suhu pengempaan (3 taraf yaitu T120, T140, dan T160), dan faktor C adalah
waktu pengempaan (2 taraf yaitu t15 dan t20) dengan ulangan sebanyak 3 kali. Model
umum rancangan yang digunakan untuk menganalisis kualitas briket arang seperti
kerapatan, kadar air, ketahanan, kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar karbon terikat
adalah sebagai berikut:
Y ijk = μ + A i + B j + C k + (AB) ij + (AC) ik + (BC) jk + (ABC) ijk + ε ijk
Keterangan
Yijk
: nilai respon pada taraf ke-i faktor kadar GTM, taraf ke-j
faktor suhu, dan taraf ke-k faktor waktu pengempaan yang
digunakan
: nilai rata-rata pengamatan
μ
: pengaruh taraf ke-i dari faktor kadar GTM
Ai
: pengaruh taraf ke-j dari faktor suhu pengempaan panas
Bj
Ck
: pengaruh taraf ke-k dari faktor waktu pengempaan panas
(AB) ij : pengaruh interaksi faktor kadar GTM pada taraf ke-i dan
faktor suhu pengempaan panas taraf ke-j pengaruh interaksi
faktor kadar GTM pada taraf ke-i dan faktor waktu
(AC) ik : pengempaan panas yang digunakan taraf ke-k
pengaruh interaksi faktor kadar GTM pada taraf ke-j dan
(BC) jk : faktor waktu pengempaan panas pada taraf ke-k
kesalahan (galat) percobaan pada faktor kadar GTM pada
Εijk
: taraf ke-i, faktor suhu pengempaan panas pada taraf ke-j, dan
faktor waktu pengempaan panas pada taraf ke-k
Karakteristik termal dianalisis secara deskriptif kuantitatif, sedangkan nilai kalor
dianalisis menggunakan Rancangan Acak Faktorial dengan satu faktor yaitu faktor rasio
GTM (G20, G25, dan G30). Model umum yang digunakan adalah sebagai berikut:
Yi = μ + Ai + εi
Keterangan
Yi
: nilai respon pada taraf ke-i faktor kadar GTM
εi
: kesalahan percobaan pada faktor kadar GTM pada taraf ke-i
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Proksimat Bahan Baku
Analisis bahan baku dalam pembuatan briket arang perlu dilakukan untuk melihat
kualitas briket yang dihasilkan pada penambahan GTM. Tabel 1 menunjukkan hasil
analisis proksimat arang sengon dan GTM. Kadar air arang sengon dan GTM yang
digunakan dalam penelitian masing-masing sebesar 10.37 dan 10.12%. Berdasarkan
kadar airnya kedua bahan ini baik untuk dijadikan bahan baku briket arang. Menururt
Kers et al. (2010), kadar air optimal untuk bahan baku pembuatan briket arang yaitu 1018%, kadar air yang rendah ataupun tinggi akan mengakibatkan bahan baku tidak
konsisten sehingga briket yang dihasilkan akan mudah pecah dan tidak sesuai untuk
proses pembakaran selanjutnya.
Tabel 1 Analisis Proksimat Bahan Baku
No
Keterangan*
Satuan
Arang
GTM
1
2
3
4
5
Kadar air
Kadar zat mudah menguap
Kadar abu
Kadar karbon terikat
Nilai kalor
%
%
%
%
Kal/gram
10.37
23.08
4.94
61.61
5574
10.12
89.18
1.83
1.12
6927
(*) tiga kali ulangan kecuali nilai kalor
Proporsi kadar menguap GTM jauh lebih tinggi dibandingkan arang sengon. Hal
ini mengindikasikan penambahan GTM pada briket arang sengon akan menghasilkan
briket dengan kadar menguap tinggi dan mudah terbakar. Arang sengon memiliki kadar
zat menguap sebesar 23.08%. Hal ini menunjukkan arang sengon baik untuk dijadikan
bahan baku briket arang, sesuai dengan pernyataan Pallavi et al. (2013) bahwa arang
dengan kualitas baik memiliki kandungan zat menguap sebanyak 20-25%. Menurut
Saputro et al. (2012), kandungan volatil (CO, H 2, CO 2 , dan C x H y ) yang tinggi
mempermudah penyalaan dan pembakaran briket tetapi menurunkan kadar karbon
terikat dan nilai kalor.
Kandungan abu (SiO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2, P 2 O 5 , Al 2 O 3 , CaO, MgO, SO 3 , Na 2 O, K 2 O)
bervariasi bergantung pada jenis biomassa (Saputro et al. 2012). Nilai kadar abu
berbanding terbalik dengan kandungan karbon terikat dan nilai kalor. Nilai kadar abu
arang sengon memenuhi nilai yang disyaratkan yaitu dibawah 8% (DIN 2005). Selain
itu arang sengon memiliki karakteristik kadar abu dan nilai kalor yang lebih baik
dibandingkan batubara yang memiliki kadar abu 18.27% dan nilai kalor 4773 kal/gram
(Onuegbu et al. 2010),
Kadar karbon terikat berkorelasi positif dengan nilai kalor briket arang (Saputro et
al. 2012). Namun hasil penelitian menunjukkan nilai karbon terikat arang lebih tinggi
dibandingkan GTM namun nilai kalornya lebih rendah. Kadar karbon terikat pada
GTM sangat rendah karena telah menguap pada awal pembakaran. Sampel GTM
mengalami kehilangan massa hingga hingga 66.8 % pada rentang suhu 100-328°C
(Tabel 2). Hal ini dibuktikan dengan tingginya proporsi kadar zat menguap pada GTM
yaitu 89.18% (Tabel 1). GTM merupakan ekstraktif dari pohon pinus. Menurut Telmo
dan Lousada (2011), keberadaan resin atau ekstraktif pada kayu daun jarum akan
6
meningkatkan nilai kalornya. Tingginya nilai kalor GTM mengindikasikan bahwa
penambahan GTM pada arang sengon akan meningkatkan nilai kalor briket arang yang
dihasilkan.
Analisis termal
Analisis termal dilakukan pada kedua bahan baku (arang dan GTM) dan satu
sampel produk briket arang. Hasil analisis termal disajikan pada Gambar 2. Menurut
Putra et al. (2013), pembakaran biomassa dibagi menjadi 3 tahap yaitu pengeringan,
devolatilisasi, dan pembakaran sisa. Tabel 2 menunjukkan reaksi kehilangan air
(penguapan) pada ketiga sampel terjadi pada rentang suhu 37-100ºC. Hal ini sesuai
dengan pernyataan Gil et al. (2010) bahwa reaksi kehilangan air biomassa terjadi pada
rentang suhu 25-105 ºC.
Tabel 2 Analisis Termal
Keterangan
Suhu kehilangan air (oC)
Kehilangan massa (%)
Tahap 1
Tahap 2
Suhu kehilangan massa (oC)
Tahap 1
Tahap 2
Puncak suhu (oC)
Tahap 1
Tahap 2
Suhu konstan kehilangan massa (oC)
Arang
37-100
Sampel
GTM
40-100
Briket arang
39-100
77.8
-
66.8
11.7
15.8
65.4
100 - 463
-
100 - 328
462 - 511
100 - 267
289 - 428
409
>463
307
490
>511
256
388
>428
Reaksi kehilangan massa pada arang sengon terjadi satu tahap. Hal ini serupa
dengan reaksi kehilangan massa pada batubara yang didominasi oleh oksidasi karbon
(Gil et al. 2010). Pada GTM dan produk briket arang, kehilangan massa terjadi 2 tahap.
Tahap pertama merupakan penguapan dari senyawa-senyawa volatil yang dihasilkan
selama dekomposisi hemiselulosa dan selulosa sedangkan tahap kedua merupakan
pembakaran dari karbon sisa (Jeguirim et al. 2010).
Rentang suhu kehilangan massa pada sampel arang, GTM, dan briket arang
berturut-turut adalah 100-463, 100-511, dan 100-428 oC. Perbedaaan suhu kehilangan
massa disebabkan oleh perbedaan komponen kimia bahan. Jeguirim et al. (2010),
menyatakan bahwa komponen bahan berlignoselulosa yang berbeda memiliki sifat
termal yang berbeda pula. Penentuan suhu kehilangan massa (dekomposisi) tahap awal
pada kedua bahan baku ini dapat dijadikan acuan dalam menentukan suhu pembuatan,
sedangkan persentase kehilangan massa dapat dijadikan acuan dalam menentukan
jumlah bahan baku yang dipakai dalam pembuatan briket arang
Sampel GTM mengalami kehilangan massa yang lebih banyak pada suhu yang
lebih rendah dibandingkan arang. Kehilangan massa terbanyak terjadi pada suhu 307°C.
Hal ini menunjukkan pembuatan briket arang sebaiknya dilakukan dibawah suhu 307°C
agar meminimalisir jumlah GTM yang hilang selama pembriketan.
7
GTM
Arang
Briket arang
Gambar 2. Analisis termal
Kualitas Briket Arang
Briket yang dihasilkan dalam penelitian ini memiliki diameter 7 cm dengan tinggi 1
cm. Parameter kualitas yang diuji meliputi kerapatan, kadar air, kadar zat menguap,
kadar abu, kadar karbon terikat, dan nilai kalor.
Kerapatan
Karakteristik kerapatan briket arang dengan penambahan GTM dapat dilihat pada
Tabel 3. Kerapatan briket arang hasil penelitian berkisar antara 0.69-0.86 g/cm3.
Kerapatan bahan baku kayu sengon berkisar antara 0.24-0.49 g/cm3 (Martawijaya et al.
1989). Hal ini menunjukkan konversi arang menjadi briket mampu meningkatkan nilai
kerapatan. Kerapatan yang lebih tinggi memiliki waktu pembakaran yang lebih lama
(Kers et al. 2010), serta dapat meminimalisir biaya transportasi dan penyimpanan.
Analisis keragaman briket arang sengon dengan penambahan GTM dapat dilihat
pada Tabel 4. Perlakuan kadar GTM, suhu, dan waktu pengempaan serta interaksi
antara kadar GTM dan suhu pengempaan berpengaruh nyata terhadap nilai kerapatan
briket arang pada tingkat kepercayaan 95%. Namun, interaksi kadar GTM dengan
waktu pengempaan, interaksi suhu dan waktu pengempaan, serta interaksi antara ketiga
faktor tersebut tidak memberikan pengaruh nyata terhadap nilai kerapatan briket arang.
8
Tabel 3 Rataan dan standar deviasi kerapatan, kadar air, dan ketahanan
Perlakuan
Kadar
GTM
(%)
G20
G25
G30
Suhu
(ºC)
Waktu
(mnt)
120
120
140
140
160
160
120
120
140
140
160
160
120
120
140
140
160
160
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
Kerapatan
(g/cm3)*
Kadar air
(%)*
Ketahanan
(%)*
0.69±0.01
0.69±0.04
0.71±0.03
0.77±0.03
0.72±0.05
0.72±0.02
0.76±0.07
0.77±0.02
0.78±0.03
0.79±0.04
0.78±0.02
0.84±0.01
0.74±0.06
0.76±0.02
0.82±0.02
0.84±0.03
0.86±0.02
0.84±0.01
7.02±0.20
6.61±0.55
6.51±0.20
6.24±0.85
5.82±0.59
5.73±0.60
6.36±0.73
5.66±0.42
5.62±0.28
4.85±0.38
5.21±0.24
4.63±0.62
7.35±1.09
6.87±1.11
6.17±0.62
6.00±0.35
5.47±0.46
4.97±0.41
45.64±2.09
66.02±2.34
57.90±4.15
58.70±7.51
46.97±1.91
75.21±2.45
48.46±5.03
64.88±0.08
57.23±0.73
73.95±1.99
36.64±1.38
71.03±3.08
63.73±3.61
52.53±1.29
58.97±8.18
64.47±5.12
83.73±1.04
64.67±2.84
(*) Tiga kali ulangan
Hasil uji lanjut Duncan untuk kerapatan dapat dilihat pada Tabel 5. Perlakuan
penambahan GTM, suhu, dan waktu pengempaan berkorelasi positif dengan nilai
kerapatan. Nilai R2 untuk kerapatan adalah sebesar 0.78. Hal ini menunjukkan masih
ada 22% faktor lain yang mempengaruhi nilai kerapatan selain kadar GTM, suhu, dan
waktu pengempaan. Faktor tersebut meliputi tekanan kempa, ukuran partikel bahan
baku (Krizan et al. 2009), homogenitas campuran perekat dan arang (Usman 2007),
kadar air, dan preheating temperature (Kaliyan dan Morrey 2009).
Menurut EN 14691-3, syarat nilai kerapatan briket yaitu lebih besar atau sama
dengan 0.9 g/cm3 (DIN 2010). Berdasarkan nilai kerapatan, semua briket hasil
penelitian belum memenuhi syarat dari EN 14691-3. Hal ini disebabkan pemberian
tekanan yang rendah yaitu sebesar 3.92 dan 13.79 MPa sedangkan menurut Kaliyan dan
Morrey (2009), besarnya tekanan kempa optimum adalah 100-150 MPa. Hasil
penelitian sesuai dengan pernyataan Ismayana dan Ariyanto (2011) dan Krizan et al.
(2011) bahwa penambahan perekat yang lebih banyak dapat memperbaiki nilai
kerapatan.
Kadar air
Karakteristik kadar air briket arang sengon dengan penambahan GTM dapat
dilihat pada Tabel 3. Kadar air briket arang hasil penelitian berkisar antara 4.6-7.35%.
Menurut EN 1860-2, syarat nilai kadar air briket arang yaitu lebih kecil atau sama
dengan 8% (DIN 2005). Berdasarkan nilai kadar air, semua briket arang hasil penelitian
9
sudah memenuhi syarat dari EN 1860-2. Hasil ini sesuai dengan pernyataan Ivanova et
al. (2014) bahwa konversi biomassa menjadi briket mampu menurunkan nilai kadar
airnya. Kadar air yang rendah menghasilkan briket dengan nilai kalor tinggi dan mudah
dalam penyalaan atau pembakaran awalnya (Ismayana dan Afriyanto 2011), sedangkan
kadar air yang tinggi menyebabkan briket arang yang dihasilkan mudah rusak, (Pallavi
et al. 2013), proses pembakaran lambat, banyak asap, dan temperatur api rendah saat
pembakaran (Hendra 2012)
Tabel 4 Analisis Keragaman Kualitas Briket Arang
Keterangan
Variabel terikat (Model)
R2
RMSE
Uji Pengaruh (P-Value)
Kadar GTM
Suhu
Waktu
Kadar GTM*Suhu
Kadar GTM *Waktu
Suhu*Waktu
Kadar GTM
*Suhu*Waktu
Kadar
karbon Ketahanan
terikat
Kadar
air
Kadar zat
menguap
Kadar
abu
0.78
0.03
0.70
0.53
0.72
2.04
0.86
0.30
0.77
1.85
0.93
3.73
LIMBAH PENGOLAHAN RESIN PINUS
SINTIA PRAMUDITA
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Briket Arang Serbuk
Kayu Sengon Berperekat Limbah Pengolahan Resin Pinus adalah benar karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Maret 2015
Sintia Pramudita
NIM E24100006
ABSTRAK
SINTIA PRAMUDITA. Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah
Pengolahan Resin Pinus. Dibimbing oleh NYOMAN J. WISTARA
Serbuk gergaji kayu sengon adalah sumber potensial untuk energi
terbarukan. Nilai kalornya dapat ditingkatkan dengan mengonversikannya
menjadi briket arang. Gondorukem Tanpa Mutu (GTM) dari limbah pengolahan
getah pinus digunakan sebagai perekat briket karena mengandung resin, tidak
beracun, tidak menyebabkan iritasi, dan sangat lengket. Perekat ini diharapkan
dapat meningkatkan ketahanan dan nilai kalor briket. Persiapan bahan baku
penelitian dilakukan dengan mencampurkan arang dan GTM dengan komposisi
yang bervariasi (G20, G25, dan G30%). Pembuatan briket menggunakan metode
pengempaan panas dengan variasi suhu ( (120, 140, dan 160 oC) dan waktu
pengempaan (15 dan 20 mnt). Pengujian kadar air, kerapatan, kadar zat menguap,
kadar abu, kadar karbon terikat dan nilai kalor mengikuti ASTM D 5142-02.
Pengujian ketahanan briket mengikuti standar ASABE dan sifat termal dianalisis
dengan Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis (TG-DTA). Data
hasil penelititan dianalisis menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL). Hasil
menunjukkan bahwa kerapatan, kadar air, ketahanan, kadar zat menguap, kadar
abu, karbon terikat, dan nilai kalor briket yang dihasilkan masing-masing sebesar
0.69-0.86 g / cm3, 4.63-7.35%, 36.64-83.73%, 32.26-41.59%, 4.11-6.02%, 46.6354.53%, dan 6014-6312 kcal / kg. Analisis termal menunjukkan bahwa selama
pembakaran briket terjadi kehilangan air pada suhu 39-100 oC, dekomposisi bahan
pada 100-480 oC dengan kehilangan massa 15.8-65.40%, dan tidak terjadi
kehilangan massa yang signifikan di atas suhu 428 oC. Briket arang berkualitas
baik dihasilkan dengan penambahan 30% GTM pada suhu 160oC selama 15 menit.
Kata kunci: briket arang, sengon, resin, sifat termal, ketahanan
ABSTRACT
SINTIA PRAMUDITA. Charcoal Briquette of the Sengon Wood Sawdust
Reinforced with Processing Waste of Pine Resin. Supervised by NYOMAN J.
WISTARA
Sengon wood sawdust is a potential resource of renewable energy. Its
calorific value can be increased through charcoal briquetting. Unclassified Pine
Rosin from the waste of pine resin processing was used as the briquette binder.
The binder was expected to increase briquette durability and calorific value. In
this study, the briquettes were prepared by mixing sawdust charcoal sengon and
waste processing pine resin with various composition (G20, G25, and G30%).
Briquetting performed by hot compression method with variation of temperature
(120, 140, and 160oC) and time (15 and 20 min). Moisture content, density,
volatile matter, ash content, fixed carbon and calorific value of briquettes
determined according to ASTM D 5142-02. The durability of briquettes
determined according to ASABE standard procedures and its combustion
behaviour was examined by Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis
(TG-DTA). Data were analyzed using completely randomized design. The results
showed that the density, moisture content, durability, volatile matter, ash
content, fixed carbon, and calorific value of the resulting briquette was of 0.690.86 g/cm3, 4.63-7.35%, 36.64-83.73%, 32.26-41.59 %, 4.11-6.02%, 46.6354.53%, 6014-6312 kcal/kg, respectively. Thermal analysis showed that during
briquette combustion, the water loss occurred at 39-100oC, materials
decomposition at 100-480oC with the weight loss of 15.8-65.4%, and no further
weight loss occurred above the temperature of 428 oC. An acceptable charcoal
briquette quality can be resulted with the addition of 30% rosin briquetting at
160oC C for 15 minutes.
Keyword: charcoal briquette, sengon, resin, thermal behaviour, durability
BRIKET ARANG SERBUK KAYU SENGON BERPEREKAT
LIMBAH PENGOLAHAN RESIN PINUS
SINTIA PRAMUDITA
Skripsi
Sebagai syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Kehutanan
pada
Departemen Hasil Hutan
DEPARTEMEN HASIL HUTAN
FAKULTAS KEHUTANAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015
Judul Skripsi
Nama
NIM
: Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah
Pengolahan Resin Pinus
: Sintia Pramudita
: E24100006
Disetujui oleh
Nyoman J. Wistara, Ph.D.
Pembimbing
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Fauzi Febrianto, MS
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2014 ini ialah bioenergi, dengan
judul Briket Arang Serbuk Kayu Sengon Berperekat Limbah Pengolahan Resin
Pinus.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Nyoman J. Wistara, Ph.D
selaku dosen pembimbing dan seluruh dosen, laboran, dan karyawan Departemen
Hasil Hutan yang telah membantu dan memberikan arahan selama menjalani studi
di IPB. Penulis juga menyampaikan terimakasih kepada DIKTI yang telah
memberikan Beasiswa Bidik Misi dan Beasiswa Tanabe dari Departemen Hasil
Hutan. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada ayah, ibu, serta
seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Penulis juga mengucapkan
terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Wahyu Dwiyanto, M.Agr dan teknisi di
Laboratorium Biokomposit Puslit Biomaterial LIPI, serta teman-teman terutama
Syaiful Bahri, Dwi Hatmojo Kresnoadi, Dwi Rizki Endriadilla, Agnes Samuel
Lumbanraja, Nova Lestari, dan Muhammad Arif Rohmatullah yang telah
membantu selama kegiatan penelitian dan penyusunan tugas akhir.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Maret 2015
Sintia Pramudita
DAFTAR ISI
ABSTRAK
ii
ABSTRACT
iii
DAFTAR ISI
ix
DAFTAR TABEL
x
DAFTAR GAMBAR
x
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
METODE
2
Persiapan Bahan Baku
2
Pengujian kualitas briket arang
3
Analisis Data
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
5
Analisis Proksimat Bahan Baku
5
Analisis termal
6
Kualitas Briket Arang
7
Kerapatan
7
Kadar air
8
Ketahanan
9
Kadar zat menguap
10
Kadar abu
11
Kadar karbon terikat
12
Nilai kalor
12
Perbandingan kualitas briket arang
SIMPULAN DAN SARAN
13
14
Simpulan
14
Saran
14
DAFTAR PUSTAKA
15
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Analisis Proksimat Bahan Baku
5
Tabel 2 Analisis Termal
6
Tabel 3 Rataan dan standar deviasi kerapatan, kadar air, dan ketahanan
8
Tabel 4 Analisis Keragaman Kualitas Briket Arang
9
Tabel 5 Uji lanjut Duncan
10
Tabel 6 Rataan dan standar deviasi kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar
karbon terikat
11
Tabel 7 Nilai kalor briket arang
12
Tabel 8 Perbandingan kualitas briket arang
13
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Diagram alir penelitian
3
Gambar 2 Analisis termal
7
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Keterbatasan sumber energi berbasis fosil berdampak pada meningkatnya
permintaan terhadap sumber energi terbarukan. Saat ini sekitar 1.5% kebutuhan bahan
bakar transportasi global dipasok oleh biofuels (Eisentraut 2010) dan diperkirakan 16%
kebutuhan energi primer pada tahun 2020 akan dipasok oleh energi terbarukan (WEC
2013). Biomassa adalah sumber potensial untuk energi terbarukan. Biomassa memiliki
karakteristik nilai kalor dan kadar abu yang lebih baik dibandingkan dengan batubara
(Maninder et al. 2012) dan dapat diperoleh sebagai limbah industri pengolahan kayu.
Produksi kayu gergajian di Indonesia semakin meningkat setiap tahunnya. Pada
tahun 2012 produksi kayu gergajian sebesar 1.053 juta m3 meningkat menjadi 1.218
juta m3 pada tahun 2013 (Departemen Kehutanan 2014). Peningkatan jumlah produksi
kayu gergajian menyebabkan peningkatan produksi limbah pada industri perkayuan.
Serbuk gergaji dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku energi biomassa.
Serbuk gergaji kayu sengon memiliki nilai kalor sebesar ±4248 kal/gram (Saputro
et al. 2012). Nilai kalor limbah ini dapat ditingkatkan dengan mengonversikannya
menjadi briket arang. Penelitian Pallavi et al. (2013) menunjukkan pembriketan pada
campuran ampas tebu dan kulit kopi mampu meningkatkan kadar karbon terikat hingga
53.8 % dan nilai kalor hingga 685 KJ/kg serta menurunkan kadar air hingga 4.8%.
Selain itu pembriketan memudahkan dalam penyimpanan dan transportasi.
Perekat dan mekanisme perekatan sangat penting dalam proses pembriketan. Jenis
perekat yang digunakan sangat berpengaruh terhadap kadar zat menguap, kadar abu,
kadar karbon terikat, dan nilai kalor briket yang dihasilkan (Emerhi 2011). Gondorukem
Tanpa Mutu (GTM) merupakan limbah padat pada pabrik pengolahan getah pinus yang
mengandung resin dan dapat digunakan sebagai perekat pada pembuatan briket arang.
GTM merupakan gondorukem dengan kadar kotoran yang tinggi (±45%). Gondorukem
merupakan produk olahan getah pinus dengan metode destilasi. Gondorukem tersusun
atas 90 % asam resin dan 10% komponen netral (Nilsson et al. 2009). Komponen asam
resin didominasi oleh asam dehidroabietik yaitu sebanyak 27-28% sedangkan
komponen netral didominasi oleh α-pinene yaitu sebanyak 73.1% (Wiyono et al. 2006).
Gondorukem termasuk kelompok perekat yang mudah terbakar (Pallavi et al. 2013)
dengan titik lunak diatas suhu 74ºC (BSN 2010).
Limbah GTM bewarna kehitaman, mengkilap, rapuh, meleleh pada suhu tinggi
dan mengeras kembali pada suhu ruangan (termoplastik). Menurut Negrutiu et al.
(2005), resin termoplastik cenderung stabil, hampir tidak ada porositas, dan fleksibel.
Sifat ini mengindikasikan bahwa GTM dapat dimanfaatkan sebagai perekat pada
pembuatan briket arang dengan bantuan suhu tinggi. Selain itu gondorukem tidak
beracun, tidak menyebabkan iritasi, dan sangat lengket (Nilsson et al. 2009) sehingga
aman diaplikasikan pada bahan bakar. Kurniawan dan Marsono (2008) menyatakan
bahwa briket arang dengan perekat getah pinus memiliki ketahanan yang baik terhadap
benturan, mengkilap dan mudah terbakar. Selain memiliki nilai ekonomi yang rendah,
limbah ini mengandung resin yang berpengaruh positif terhadap nilai kalor.
Sifat fisis, kimia dan termal dari energi biomassa dapat dilihat dari kerapatan,
analisis proksimat (kadar air, kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar karbon terikat),
nilai kalor, indeks nilai bahan bakar, suhu fusi dan deformasi abu (Saravanan et al.
2013), serta ketahanan (Kaliyan dan Morrey 2009). Karakteristik briket arang yang
2
dihasilkan sangat dipengaruhi oleh variabel-variabel penting pada proses densifikasi
yang meliputi suhu pengempaan, tekanan pengempaan, kadar air bahan baku (Kers et
al. 2010), ukuran partikel arang (Usman 2007), holding time, komposisi biomassa dan
jenis perekat yang digunakan (Tumuluru et al. 2010).
Peningkatan tekanan dapat meningkatkan kerapatan dan ketahanan briket
(Kaliyan dan Morey 2009). Pembriketan dengan tekanan rendah menghasilkan briket
yang mudah pecah sedangkan tekanan yang lebih tinggi menghasilkan briket yang
konsisten dan padat (Krizan et al. 2009). Suhu pengempaan juga memberikan pengaruh
penting terhadap briket yang dihasilkan. Menurut Kers et al. (2010), pengempaan
dibawah suhu optimum menghasilkan briket yang tidak stabil, berkekuatan rendah,
waktu pembakaran singkat, dan bernilai kalor rendah sedangkan pengempaan diatas
suhu optimum menyebabkan keluarnya zat menguap dari bahan pada awal pembakaran.
Kondisi optimum pembuatan briket arang adalah dengan penambahan perekat alami
sebesar 20%, tekanan 100-150 MPa (Kaliyan dan Morrey 2009), dan suhu sekitar
150ºC (Kers et al. 2010)..
Perumusan Masalah
Perekat briket arang yang digunakan selama ini memerlukan air sebagai pelarut
sehingga dapat meningkatkan kadar air dan menurunkan nilai kalor briket arang yang
dihasilkan. Limbah PGT berupa GTM mengandung resin dan bersifat perekat sehingga
berpotensi memperbaiki nilai kalor briket arang dan menggantikan fungsi perekat
berpelarut air pada proses pembriketan. Pembuatan briket arang dengan penambahan
GTM diharapkan dapat menghasilkan briket arang dengan kualitas yang baik.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menemukan komposisi penambahan GTM dan
kondisi pembriketan terbaik untuk meningkatkan kualitas briket arang dengan bahan
baku serbuk gergaji kayu sengon.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan akan menghasilkan briket arang dengan kualitas baik.
Disamping itu pemanfaatan GTM sebagai perekat briket arang diharapkan
berkelanjutan sehingga dapat mengoptimalkan pemanfaatan limbah di PGT.
METODE
Persiapan Bahan Baku
Bahan yang digunakan adalah serbuk arang kayu sengon yang sudah lolos
saringan 45 mesh dan serbuk GTM yang sudah lolos saringan 20 mesh. Urutan proses
pembuatan briket dapat dilihat pada Gambar 1. Kemudian dilakukan analisis proksimat
( kadar air, kadar zat terbang, kadar abu, kadar karbon terikat, dan nilai kalor) pada
kedua bahan. Serbuk arang dan GTM yang sudah diketahui karakteristik
3
pembakarannya, kemudian dicampur sampai homogen dengan kadar GTM 20%, 25%,
dan 30%. Penelitian ini tidak menggunakan perlakuan kontrol karena pembuatan briket
arang membutuhkan perekat untuk mengikat antar partikel bahan baku. Rasio arang dan
GTM dihitung berdasarkan berat keringnya.
Bahan baku dicampurkan hingga homogen kemudian dimasukkan ke dalam
cetakan yang berdiameter 7 cm dan tinggi 3 cm. Alat cetak berbahan metal dan
dilengkapi dengan 2 lempengan pengatur tebal. Pengempaan briket arang dilakukan
menggunakan kempa panas dengan tekanan kempa 40 kg/cm2 (3.92 MPa) hingga
GTM meleleh dan menyebar merata ke seluruh permukaan arang kemudian
dipindahkan ke alat kempa dingin dengan tekanan 2000 psi (13.79 MPa) agar GTM
kembali mengeras dan membentuk briket arang.
Gambar 1 Diagram alir penelitian
Pengujian kualitas briket arang
Kerapatan diukur berdasarkan perbandingan berat terhadap volume briket.
Prosedur pengujian kadar air, kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar karbon terikat
mengikuti ASTM D 5142-02. Pengujian ketahanan briket mengikuti standar ASAE
(2003). Nilai kalor dianalisis menggunakan alat bom kalorimeter Parr 6400 yang
diproduksi oleh Parr Instrument Company Amerika Serikat.
4
Sifat termal bahan baku dan produk briket arang dianalisis dengan Thermal
Gravimetry/Differential Thermal Analyser (TG/DTA) SII EXTAR 7300 buatan Hitachi
High-Tech Science Corporation Tokyo. Analisis termal dilakukan dengan air flow rate
50 cm3/menit pada laju pemanasan 10ºC/menit hingga suhu 1200ºC.
Analisis Data
Penelitian menggunakan Rancangan Acak Lengkap (RAL) Faktorial dengan
tiga faktor. Faktor A adalah kadar GTM (3 taraf yaitu G20, G25, dan G30), faktor B
adalah suhu pengempaan (3 taraf yaitu T120, T140, dan T160), dan faktor C adalah
waktu pengempaan (2 taraf yaitu t15 dan t20) dengan ulangan sebanyak 3 kali. Model
umum rancangan yang digunakan untuk menganalisis kualitas briket arang seperti
kerapatan, kadar air, ketahanan, kadar zat menguap, kadar abu, dan kadar karbon terikat
adalah sebagai berikut:
Y ijk = μ + A i + B j + C k + (AB) ij + (AC) ik + (BC) jk + (ABC) ijk + ε ijk
Keterangan
Yijk
: nilai respon pada taraf ke-i faktor kadar GTM, taraf ke-j
faktor suhu, dan taraf ke-k faktor waktu pengempaan yang
digunakan
: nilai rata-rata pengamatan
μ
: pengaruh taraf ke-i dari faktor kadar GTM
Ai
: pengaruh taraf ke-j dari faktor suhu pengempaan panas
Bj
Ck
: pengaruh taraf ke-k dari faktor waktu pengempaan panas
(AB) ij : pengaruh interaksi faktor kadar GTM pada taraf ke-i dan
faktor suhu pengempaan panas taraf ke-j pengaruh interaksi
faktor kadar GTM pada taraf ke-i dan faktor waktu
(AC) ik : pengempaan panas yang digunakan taraf ke-k
pengaruh interaksi faktor kadar GTM pada taraf ke-j dan
(BC) jk : faktor waktu pengempaan panas pada taraf ke-k
kesalahan (galat) percobaan pada faktor kadar GTM pada
Εijk
: taraf ke-i, faktor suhu pengempaan panas pada taraf ke-j, dan
faktor waktu pengempaan panas pada taraf ke-k
Karakteristik termal dianalisis secara deskriptif kuantitatif, sedangkan nilai kalor
dianalisis menggunakan Rancangan Acak Faktorial dengan satu faktor yaitu faktor rasio
GTM (G20, G25, dan G30). Model umum yang digunakan adalah sebagai berikut:
Yi = μ + Ai + εi
Keterangan
Yi
: nilai respon pada taraf ke-i faktor kadar GTM
εi
: kesalahan percobaan pada faktor kadar GTM pada taraf ke-i
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Proksimat Bahan Baku
Analisis bahan baku dalam pembuatan briket arang perlu dilakukan untuk melihat
kualitas briket yang dihasilkan pada penambahan GTM. Tabel 1 menunjukkan hasil
analisis proksimat arang sengon dan GTM. Kadar air arang sengon dan GTM yang
digunakan dalam penelitian masing-masing sebesar 10.37 dan 10.12%. Berdasarkan
kadar airnya kedua bahan ini baik untuk dijadikan bahan baku briket arang. Menururt
Kers et al. (2010), kadar air optimal untuk bahan baku pembuatan briket arang yaitu 1018%, kadar air yang rendah ataupun tinggi akan mengakibatkan bahan baku tidak
konsisten sehingga briket yang dihasilkan akan mudah pecah dan tidak sesuai untuk
proses pembakaran selanjutnya.
Tabel 1 Analisis Proksimat Bahan Baku
No
Keterangan*
Satuan
Arang
GTM
1
2
3
4
5
Kadar air
Kadar zat mudah menguap
Kadar abu
Kadar karbon terikat
Nilai kalor
%
%
%
%
Kal/gram
10.37
23.08
4.94
61.61
5574
10.12
89.18
1.83
1.12
6927
(*) tiga kali ulangan kecuali nilai kalor
Proporsi kadar menguap GTM jauh lebih tinggi dibandingkan arang sengon. Hal
ini mengindikasikan penambahan GTM pada briket arang sengon akan menghasilkan
briket dengan kadar menguap tinggi dan mudah terbakar. Arang sengon memiliki kadar
zat menguap sebesar 23.08%. Hal ini menunjukkan arang sengon baik untuk dijadikan
bahan baku briket arang, sesuai dengan pernyataan Pallavi et al. (2013) bahwa arang
dengan kualitas baik memiliki kandungan zat menguap sebanyak 20-25%. Menurut
Saputro et al. (2012), kandungan volatil (CO, H 2, CO 2 , dan C x H y ) yang tinggi
mempermudah penyalaan dan pembakaran briket tetapi menurunkan kadar karbon
terikat dan nilai kalor.
Kandungan abu (SiO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2, P 2 O 5 , Al 2 O 3 , CaO, MgO, SO 3 , Na 2 O, K 2 O)
bervariasi bergantung pada jenis biomassa (Saputro et al. 2012). Nilai kadar abu
berbanding terbalik dengan kandungan karbon terikat dan nilai kalor. Nilai kadar abu
arang sengon memenuhi nilai yang disyaratkan yaitu dibawah 8% (DIN 2005). Selain
itu arang sengon memiliki karakteristik kadar abu dan nilai kalor yang lebih baik
dibandingkan batubara yang memiliki kadar abu 18.27% dan nilai kalor 4773 kal/gram
(Onuegbu et al. 2010),
Kadar karbon terikat berkorelasi positif dengan nilai kalor briket arang (Saputro et
al. 2012). Namun hasil penelitian menunjukkan nilai karbon terikat arang lebih tinggi
dibandingkan GTM namun nilai kalornya lebih rendah. Kadar karbon terikat pada
GTM sangat rendah karena telah menguap pada awal pembakaran. Sampel GTM
mengalami kehilangan massa hingga hingga 66.8 % pada rentang suhu 100-328°C
(Tabel 2). Hal ini dibuktikan dengan tingginya proporsi kadar zat menguap pada GTM
yaitu 89.18% (Tabel 1). GTM merupakan ekstraktif dari pohon pinus. Menurut Telmo
dan Lousada (2011), keberadaan resin atau ekstraktif pada kayu daun jarum akan
6
meningkatkan nilai kalornya. Tingginya nilai kalor GTM mengindikasikan bahwa
penambahan GTM pada arang sengon akan meningkatkan nilai kalor briket arang yang
dihasilkan.
Analisis termal
Analisis termal dilakukan pada kedua bahan baku (arang dan GTM) dan satu
sampel produk briket arang. Hasil analisis termal disajikan pada Gambar 2. Menurut
Putra et al. (2013), pembakaran biomassa dibagi menjadi 3 tahap yaitu pengeringan,
devolatilisasi, dan pembakaran sisa. Tabel 2 menunjukkan reaksi kehilangan air
(penguapan) pada ketiga sampel terjadi pada rentang suhu 37-100ºC. Hal ini sesuai
dengan pernyataan Gil et al. (2010) bahwa reaksi kehilangan air biomassa terjadi pada
rentang suhu 25-105 ºC.
Tabel 2 Analisis Termal
Keterangan
Suhu kehilangan air (oC)
Kehilangan massa (%)
Tahap 1
Tahap 2
Suhu kehilangan massa (oC)
Tahap 1
Tahap 2
Puncak suhu (oC)
Tahap 1
Tahap 2
Suhu konstan kehilangan massa (oC)
Arang
37-100
Sampel
GTM
40-100
Briket arang
39-100
77.8
-
66.8
11.7
15.8
65.4
100 - 463
-
100 - 328
462 - 511
100 - 267
289 - 428
409
>463
307
490
>511
256
388
>428
Reaksi kehilangan massa pada arang sengon terjadi satu tahap. Hal ini serupa
dengan reaksi kehilangan massa pada batubara yang didominasi oleh oksidasi karbon
(Gil et al. 2010). Pada GTM dan produk briket arang, kehilangan massa terjadi 2 tahap.
Tahap pertama merupakan penguapan dari senyawa-senyawa volatil yang dihasilkan
selama dekomposisi hemiselulosa dan selulosa sedangkan tahap kedua merupakan
pembakaran dari karbon sisa (Jeguirim et al. 2010).
Rentang suhu kehilangan massa pada sampel arang, GTM, dan briket arang
berturut-turut adalah 100-463, 100-511, dan 100-428 oC. Perbedaaan suhu kehilangan
massa disebabkan oleh perbedaan komponen kimia bahan. Jeguirim et al. (2010),
menyatakan bahwa komponen bahan berlignoselulosa yang berbeda memiliki sifat
termal yang berbeda pula. Penentuan suhu kehilangan massa (dekomposisi) tahap awal
pada kedua bahan baku ini dapat dijadikan acuan dalam menentukan suhu pembuatan,
sedangkan persentase kehilangan massa dapat dijadikan acuan dalam menentukan
jumlah bahan baku yang dipakai dalam pembuatan briket arang
Sampel GTM mengalami kehilangan massa yang lebih banyak pada suhu yang
lebih rendah dibandingkan arang. Kehilangan massa terbanyak terjadi pada suhu 307°C.
Hal ini menunjukkan pembuatan briket arang sebaiknya dilakukan dibawah suhu 307°C
agar meminimalisir jumlah GTM yang hilang selama pembriketan.
7
GTM
Arang
Briket arang
Gambar 2. Analisis termal
Kualitas Briket Arang
Briket yang dihasilkan dalam penelitian ini memiliki diameter 7 cm dengan tinggi 1
cm. Parameter kualitas yang diuji meliputi kerapatan, kadar air, kadar zat menguap,
kadar abu, kadar karbon terikat, dan nilai kalor.
Kerapatan
Karakteristik kerapatan briket arang dengan penambahan GTM dapat dilihat pada
Tabel 3. Kerapatan briket arang hasil penelitian berkisar antara 0.69-0.86 g/cm3.
Kerapatan bahan baku kayu sengon berkisar antara 0.24-0.49 g/cm3 (Martawijaya et al.
1989). Hal ini menunjukkan konversi arang menjadi briket mampu meningkatkan nilai
kerapatan. Kerapatan yang lebih tinggi memiliki waktu pembakaran yang lebih lama
(Kers et al. 2010), serta dapat meminimalisir biaya transportasi dan penyimpanan.
Analisis keragaman briket arang sengon dengan penambahan GTM dapat dilihat
pada Tabel 4. Perlakuan kadar GTM, suhu, dan waktu pengempaan serta interaksi
antara kadar GTM dan suhu pengempaan berpengaruh nyata terhadap nilai kerapatan
briket arang pada tingkat kepercayaan 95%. Namun, interaksi kadar GTM dengan
waktu pengempaan, interaksi suhu dan waktu pengempaan, serta interaksi antara ketiga
faktor tersebut tidak memberikan pengaruh nyata terhadap nilai kerapatan briket arang.
8
Tabel 3 Rataan dan standar deviasi kerapatan, kadar air, dan ketahanan
Perlakuan
Kadar
GTM
(%)
G20
G25
G30
Suhu
(ºC)
Waktu
(mnt)
120
120
140
140
160
160
120
120
140
140
160
160
120
120
140
140
160
160
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
15
20
Kerapatan
(g/cm3)*
Kadar air
(%)*
Ketahanan
(%)*
0.69±0.01
0.69±0.04
0.71±0.03
0.77±0.03
0.72±0.05
0.72±0.02
0.76±0.07
0.77±0.02
0.78±0.03
0.79±0.04
0.78±0.02
0.84±0.01
0.74±0.06
0.76±0.02
0.82±0.02
0.84±0.03
0.86±0.02
0.84±0.01
7.02±0.20
6.61±0.55
6.51±0.20
6.24±0.85
5.82±0.59
5.73±0.60
6.36±0.73
5.66±0.42
5.62±0.28
4.85±0.38
5.21±0.24
4.63±0.62
7.35±1.09
6.87±1.11
6.17±0.62
6.00±0.35
5.47±0.46
4.97±0.41
45.64±2.09
66.02±2.34
57.90±4.15
58.70±7.51
46.97±1.91
75.21±2.45
48.46±5.03
64.88±0.08
57.23±0.73
73.95±1.99
36.64±1.38
71.03±3.08
63.73±3.61
52.53±1.29
58.97±8.18
64.47±5.12
83.73±1.04
64.67±2.84
(*) Tiga kali ulangan
Hasil uji lanjut Duncan untuk kerapatan dapat dilihat pada Tabel 5. Perlakuan
penambahan GTM, suhu, dan waktu pengempaan berkorelasi positif dengan nilai
kerapatan. Nilai R2 untuk kerapatan adalah sebesar 0.78. Hal ini menunjukkan masih
ada 22% faktor lain yang mempengaruhi nilai kerapatan selain kadar GTM, suhu, dan
waktu pengempaan. Faktor tersebut meliputi tekanan kempa, ukuran partikel bahan
baku (Krizan et al. 2009), homogenitas campuran perekat dan arang (Usman 2007),
kadar air, dan preheating temperature (Kaliyan dan Morrey 2009).
Menurut EN 14691-3, syarat nilai kerapatan briket yaitu lebih besar atau sama
dengan 0.9 g/cm3 (DIN 2010). Berdasarkan nilai kerapatan, semua briket hasil
penelitian belum memenuhi syarat dari EN 14691-3. Hal ini disebabkan pemberian
tekanan yang rendah yaitu sebesar 3.92 dan 13.79 MPa sedangkan menurut Kaliyan dan
Morrey (2009), besarnya tekanan kempa optimum adalah 100-150 MPa. Hasil
penelitian sesuai dengan pernyataan Ismayana dan Ariyanto (2011) dan Krizan et al.
(2011) bahwa penambahan perekat yang lebih banyak dapat memperbaiki nilai
kerapatan.
Kadar air
Karakteristik kadar air briket arang sengon dengan penambahan GTM dapat
dilihat pada Tabel 3. Kadar air briket arang hasil penelitian berkisar antara 4.6-7.35%.
Menurut EN 1860-2, syarat nilai kadar air briket arang yaitu lebih kecil atau sama
dengan 8% (DIN 2005). Berdasarkan nilai kadar air, semua briket arang hasil penelitian
9
sudah memenuhi syarat dari EN 1860-2. Hasil ini sesuai dengan pernyataan Ivanova et
al. (2014) bahwa konversi biomassa menjadi briket mampu menurunkan nilai kadar
airnya. Kadar air yang rendah menghasilkan briket dengan nilai kalor tinggi dan mudah
dalam penyalaan atau pembakaran awalnya (Ismayana dan Afriyanto 2011), sedangkan
kadar air yang tinggi menyebabkan briket arang yang dihasilkan mudah rusak, (Pallavi
et al. 2013), proses pembakaran lambat, banyak asap, dan temperatur api rendah saat
pembakaran (Hendra 2012)
Tabel 4 Analisis Keragaman Kualitas Briket Arang
Keterangan
Variabel terikat (Model)
R2
RMSE
Uji Pengaruh (P-Value)
Kadar GTM
Suhu
Waktu
Kadar GTM*Suhu
Kadar GTM *Waktu
Suhu*Waktu
Kadar GTM
*Suhu*Waktu
Kadar
karbon Ketahanan
terikat
Kadar
air
Kadar zat
menguap
Kadar
abu
0.78
0.03
0.70
0.53
0.72
2.04
0.86
0.30
0.77
1.85
0.93
3.73