Pembuatan Dan Karakterisasi Serta Aplikasi Katalik Konverter Untuk Filter Gas Buang Kenderaan Bermotor Berbahan Bakar Premium

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI

KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG

KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN

BAKAR PREMIUM

TESIS

OLEH

HAIRUS ABDULLAH

107026015/FIS

PROGRAM PASCA SARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2 0 1 2

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI

KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG

KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN

BAKAR PREMIUM

TESIS

Oleh

HAIRUS ABDULLAH

107026015/FIS

PROGRAM PASCA SARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2 0 1 2

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI

KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG

KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN

BAKAR PREMIUM

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Sains Dalam Program Studi Magister Fisika Pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

HAIRUS ABDULLAH

107026015/FIS

PROGRAM PASCA SARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

M E D A N

2 0 1 2

PENGESAHAN TESIS

Judul Tesis :

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA

APLIKASI KATALIK KONVERTER UNTUK

FILTER GAS BUANG KENDERAAN

BERMOTOR BERBAHAN BAKAR PREMIUM

Nama mahasiswa :

HAIRUS ABDULLAH

Nomor Pokok :

107026015/FIS

Program studi : Fisika

Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Dr. Anwar Dharma Sembiring, MS) (Prof. Drs. Eddy Marlianto, MSc, Ph.D) Ketua Anggota

Ketua Program Studi, Dekan,

Telah diuji pada

Tanggal : 25 Juni 2012

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Anwar Dharma Sembiring, M.S. Anggota : 1. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc.

2. Dr. Marhaposan Situmorang

3. Prof. Drs. Mohammad Syukur, M.S. 4. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc

PERNYATAAN ORISINALITAS

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI

KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG

KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN BAKAR PREMIUM

T E S I S

Dengan ini saya nyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil karya saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar.

Medan, 3 Juni 2012

Hairus Abdullah 107026015

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH

UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini :

Nama : Hairus Abdullah

NIM : 107026015

Program Studi : Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non- Exclusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul :

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN BAKAR PREMIUM

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.

Medan, 3 Juni 2012

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI

KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG

KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN

BAKAR PREMIUM

ABSTRAK

Pertumbuhan ekonomi yang pesat membawa efek negatif bagi pencemaran udara yang berasal dari gas buang kenderaan bermotor yang menurunkan kualitas lingkungan hidup manusia dan untuk mencari material alternatif pengganti katalis konverter yang menggunakan logam mulia, maka dilakukan penelitian ini. Telah dilakukan pembuatan katalis konverter berbahan dasar kawat wire mesh yang dilapisi logam titanium (IV) oksida dan besi (II) oksida dengan metode dip coating. Katalis konverter tersebut dipasang pada knalpot kenderaan bermotor dan berhasil menurunkan polusi gas buang sebesar 2.67% - 42.42% CO, 0.07% - 5.93% CO2, dan 1.95% - 27.61% HC.

Karakteristik yang diperoleh dari bahan katalis konverter yang telah diuji adalah massa jenis 0.55 – 0.57 g/cm3, porositas 66.27% - 69.11%, permeabilitas 67.7% - 92%, uji tekan pada 1000 Kg menghasilkan jarak penekanan 11 mm – 30 mm, pengujian

XRD-diffractometer menghasilkan tiga puncak / peaktertinggi yang spesifik pada sudut 2θ =

25.3435º , 36.9821º dan 48.0776º menunjukkan adanya pembentukan lapisan TiO2

dalam bentuk kristal Anatase pada permukaan katalis konverter wire mesh, serta dengan bantuan persamaan Scherer diperoleh ukuran partikel TiO2 sebesar 40.5 nm,

dan pengamatan struktur mikro TiO2 dengan scanning electron microscope

menunjukkan porositas yang besar.

Kata kunci : katalis konverter, wire mesh, titanium (IV) oksida, besi (II) oksida.

FABRICATION AND CHARACTERIZATION AS WELL AS

APPLICATION OF CATALYTIC CONVERTER AS A FILTER OF

EXHAUSTED GAS EMITTED BY PREMIUM GASOLINE

VEHICLES

ABSTRACT

The fast growing of economic growth has given out the problems of air pollution that is emitted by the exhaust system of vehicle which decrease the quality of environment and in order to seek the alternative noble metal catalytic converter as its substitution, so that this research is done. Wire mesh catalytic converter has been made by coating titanium (IV) oxide and iron (II) oxide on it using dip coating method, the catalytic converter is installed in the vehicle exhaust system and can decrease the pollution successfully, by 2.67% - 42.42% CO, 0.07% - 5.93% CO2, and 1.95% - 27.61% HC. The characteristics of wire mesh catalytic converter that has been studied are density of 0.55 – 0.57 g/cm3, porous percentage of 66.27% - 69.11%, permeability of 67.7% - 92%, compression test at 1000 Kg provide the compression distance of 11 mm – 30 mm, XRD-diffract meter method shows the specifics of three peaks at the angle of 2θ =

25.3435º , 36.9821º and 48.0776º reveals the occurrence of Anatase form of TiO2 at the wire mesh catalytic converter surfaces and by the Scherer Equation, the particle size of 40.5 nm TiO2 is found and the observation of microstructure that uses scanning electron microscope shows a lot of pores.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas kemurahan dan kebesaranNya, tesis ini berhasil diselesaikan sesuai dengan waktu yang ditentukan.

Dengan selesainya tesis ini, perkenankanlah diucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada:

Rektor Universitas Sumatera Utara, Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, MSc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan program Magister Sains.

Dekan Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara, Dr. Sutarman, MSc. atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.

Ketua Program Studi Magister Fisika, Dr. Nasruddin MN, M.Eng. Sc., Sekretaris Program Studi Magister Fisika, Dr. drs. Anwar Dharma Sembiring, M.Si. beserta seluruh staf edukatif dan administratif pada program studi Magister Fisika Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara.

Pembimbing utama, Dr. drs. Anwar Dharma Sembiring M.Si. dan pembimbing lapangan, Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc. yang telah memberikan arahan dan motivasi yang sangat berarti untuk menyelesaikan penelitian ini.

Kepada almarhum ayahanda Abdul Halim Abdullah dan ibunda Ng Giok Lie, serta istri tercinta Ellywaty dan anak anak tersayang, Finn Joan Russell dan Faye Alena Russell yang senantiasa menjadi motivasi dalam menyelesaikan penelitian dan penulisan tesis ini.

Teman teman satu tim, teman angkatan 2012 dan semua pihak yang secara moral dan material telah membantu menyelesaikan pendidikan ini.

Terima kasih atas doa dan motivasi dari semuanya, semoga penelitian tesis ini bisa bermanfaat bagi umat manusia dan dapat meningkatkan kehidupan manusia menjadi lebih baik di kemudian hari.

Medan, 3 Juni 2012

Hairus Abdullah

RIWAYAT HIDUP

DATA PRIBADI

Nama lengkap : Hairus Abdullah, S.T. Tempat dan tanggal lahir : Medan, 6 Agustus 1974

Alamat rumah : Jl. A.R. Hakim Gang Buntu no. 2 Medan Telepon / HP : 061-7369486 / 08153064220

E-mail

Instansi tempat bekerja : Bimbingan Belajar Math-Science (MS)

Alamat kantor : Jl. Bungur no. 42, Kompleks Cemara Asri–Medan

Telepon : 061-6626188

DATA PENDIDIKAN

SD : SD Sutomo I Medan Tamat : 1987

SMP : SMP Sutomo I Medan Tamat : 1990

SMA : SMA Sutomo I Medan Tamat : 1993

Strata-1 : Institut Sains dan Teknologi TD. Pardede Medan Tamat : 1998 Strata-2 : Program Studi Magister Fisika

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ………..……… i

ABSTRACT ………..………... ii

KATA PENGANTAR ………..………... iii

RIWAYAT HIDUP ………..………. v

DAFTAR ISI ………..……… vi

DAFTAR TABEL ………...……… ix

DAFTAR GAMBAR ………..……… xi

DAFTAR LAMPIRAN ………... xiv

BAB I PENDAHULUAN ……….. 1

1.1 Latar Belakang ……….. 1

1.2 Permasalahan ……… 6

1.3 Perumusan Masalah ……….. 6

1.4 Pembatasan Masalah ………. 7

1.5 Tujuan Penelitian ……….. 7

1.6 Manfaat Penelitian ……… 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ………..………. 8

2.1 Dampak Emisi Gas Buang Kenderaan Bermotor ……… 8

2.2 Katalis Konverter ………. 9

2.3 Dip Coating ………....………..….... 10

2.4 Titanium Oksida ……… 10

2.5 Ferro Oksida ……….. 12

2.6.1 Komponen Komponen Katalis ……… 14

2.6.1.1 Komponen Aktif ……….. 14

2.6.1.2 Penyangga (Support) ………... 15

2.6.1.3 Promotor ……….. 16

2.6.2 Desain Katalis ……….. 17

2.7 Sifat Fisis Material ……… 17

2.7.1 Absorbsi ……….….. 17

2.7.2 Porositas ………... 18

2.7.3 Densitas ………... 18

2.7.4 Permeabilitas ……… 19

2.8 Sifat Mekanik Material ……….. 19

2.9 Diffraksi Sinar X ……… 19

2.10 Gas Analyser ……….. 20

2.11 Analisa Kualitatif Scanning Electron Microscope ………..……… 21

BAB III METODE PENELITIAN ……….………..… 22

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ……….……….. 22

3.1.1 Tempat Penelitian ……….………... 22

3.1.2 Waktu Penelitian ……….……… 22

3.2 Alat dan Bahan ……….………. 22

3.2.1 Alat Alat Yang Dipergunakan ……… 22

3.2.2 Bahan Bahan Yang Dipergunakan ………. 23

3.3 Prosedur Penelitian ……….. 23

3.4 Variabel dan Parameter Penelitian ……….. 26

3.5 Alat Pengumpul Data Penelitian ……….. 26

3.7 Pengukuran Volume dan Massa Sampel ………. 29

3.8 Pengukuran Porositas dan Densitas ……….… 29

3.9 Pengujian Tekan ……… 30

3.10 Pengukuran Permeabilitas ………. 30

3.11 Analisa Kualitatif XRD ………. 30

3.12 Uji Absorbsi Gas Buang ……… 31

3.13 Analisa Kualitatif Scanning Electron Microscope ………... 32

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ………...……….... 33

4.1 Massa Jenis ……… 33

4.2 Porositas ……… 34

4.3 Uji Permeabilitas ………... 35

4.4 Uji Tekan ………... 37

4.5 Uji Absorbsi Emisi Gas Buang Kenderaan Bermotor ……….. 38

4.6 Uji X ray Diffraction (XRD) ………. 43

4.7 Uji Scanning Electron Microscope (SEM) ……….. 45

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ………...………. 62

5.1 Kesimpulan ………...…….…….. 62

5.2 Saran ……….……….……. 63

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

Tabel

1.1 Indeks Standar Pencemar Udara .……….… 3 1.2 Angka dan Kategori Indeks Standar Pencemar Udara ………… 3 2.1 Sifat Sifat Titanium Oksida (CAS, 2012)………..….. 11 2.2 Sifat Sifat FeO (CAS, 2012)……….… 13 3.1 Variasi Perbandingan Massa Katalis TiO2

4.1 Hasil Pengukuran Densitas Katalis Konverter Wire Mesh …..… 33 dan FeO ……… 28

4.2 Hasil Pengukuran Porositas ………. 34 4.3 Data Pengujian Permeabilitas Katalis Konverter Wire Mesh …. 36 4.4 Data Uji Tekan Pada Katalis Konverter Wire Mesh ……… 37 4.5 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada Titik Pertama ……… 46 4.6 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada

Titik Kedua …..………. 48

4.7 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada

Titik Ketiga …..………. 50

4.8 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi II Pada

4.9 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi II Pada

Titik Kedua ……..……….. 53

4.10 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi II Pada

Titik Ketiga ……….…… 55

4.11 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi V Pada

Titik Pertama ……….. 57

4.12 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi V Pada

Titik Kedua ………. 59

4.13 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi V Pada

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

Gambar

2.1 Serbuk Titanium Oksida (Wakerma, 2005) ……… 10 2.2 Struktur Kristal Anatase Titanium Oksida (Down, R.T., Wallace,

M.H., 2003) ….………. 11 2.3 Mekanisme Foto Katalis ………... 11 2.4 Karakteristik teknis dari katalis (Istadi, 2011) ……… 13 2.5 Hubungan antara komponen aktif, pendukung dan promotor

katalis (Istadi, 2011) ……….. 15 2.6 Diffraksi sinar X oleh bidang bidang atom ………... 20 3.1 Diagram Alir Penelitian ……… 25 3.2 XRD Diffractometer, PUSPIPTEK-LIPI Serpong, Tangerang Selatan 31 3.3 Scanning Electron Microscope, PUSPIPTEK-LIPI Serpong,

Tangerang Selatan ………. 32

4.1 Grafik Massa Jenis – Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh ….. 34 4.2 Grafik Porositas – Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh ……... 35 4.3 Grafik Permeabilitas – Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh … 36 4.4 Grafik Jarak Penekanan Terhadap Komposisi Katalis Konverter

Wire Mesh ……….. 38

4.5 Grafik Persentasi Absorbsi Gas CO Oleh Katalis Konverter Dari

Tiap Komposisi ……….. 39

4.6 Grafik Persentasi Absorbsi Gas CO2

Tiap Komposisi ………..… 39

Oleh Katalis Konverter Dari

Tiap Komposisi ……….. 40 4.8 Grafik Persentasi Absorbsi Gas O2

Tiap Komposisi ……….. 40

Oleh Katalis Konverter Dari

4.9 Grafik Absorpsi Gas CO, CO2

700-800 rpm ……….. 41

dan HC Pada Putaran Mesin

4.10 Grafik Absorpsi Gas CO, CO2

1000 rpm ……….. 42

dan HC Pada Putaran Mesin

4.11 Grafik XRD Bahan Katalis Konverter Komposisi II (Lampiran K)... 44 4.12 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi I Pada Titik Pertama Dengan

Pembesaran 15000 kali ……….… 45 4.13 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada

Titik Pertama ………. 46 4.14 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi I Pada Titik Kedua Dengan

Pembesaran 15000 kali ……….. 47 4.15 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada

Titik Kedua ……… 48 4.16 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi I Pada Titik Ketiga Dengan

Pembesaran 15000 kali ……….. 49 4.17 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada

Titik Ketiga ……… 49 4.18 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi II Pada Titik Pertama Dengan

Pembesaran 15000 kali ……….. 50 4.19 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi II Pada

Titik Pertama ……….. 51 4.20 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi II Pada Titik Kedua Dengan

Pembesaran 15000 kali ………... 52 4.21 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi II Pada

4.22 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi II Pada Titik Ketiga Dengan

Pembesaran 15000 kali ……….. 54 4.23 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi II Pada

Titik Kedua ……… 54

4.24 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi V Pada Titik Pertama Dengan Pembesaran 15000 kali ……….. 56 4.25 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi V Pada Titik Pertama ………. 56 4.26 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi V Pada Titik Kedua Dengan

Pembesaran 15000 kali ………. 58 4.27 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi V Pada Titik Kedua ……….. 59 4.28 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi V Pada Titik Ketiga Dengan

Pembesaran 15000 kali ……… 60 4.29 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi V Pada Titik Ketiga ……….. 60

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

Lampiran

A Data hasil pengukuran neraca analitis, jangka sorong dan gelas

ukur untuk komponen pendukung katalis ……… 70 B Perhitungan Massa Jenis Katalis ………... 73 C Perhitungan Porositas Katalis ……… 81 D Hasil uji emisi gas buang knalpot dengan katalis konverter Toyota Yaris tahun 2006 ……….. 99 E Hasil uji emisi gas buang knalpot tanpa katalis konverter Toyota

Yaris tahun 2006 ……….. 101 F Hasil uji emisi gas buang knalpot dengan katalis wire mesh

komposisi I (100% TiO2

G Hasil uji emisi gas buang knalpot dengan katalis wire mesh

dan 0% FeO)………. 103

komposisi II (80% TiO2

H Hasil uji emisi gas buang knalpot dengan katalis wire mesh

dan 20% FeO) ……….. 105

komposisi III (60% TiO2

I Hasil uji emisi gas buang knalpot dengan katalis wire mesh

dan 40% FeO) ………. 107

komposisi IV (40% TiO2

J Hasil uji emisi gas buang knalpot dengan katalis wire mesh

dan 60% FeO) ………. 109

komposisi V (20% TiO2

K Hasil Rekapitulasi Data Uji Emisi Gas Buang ……… 113 dan 80% FeO) ……….. 111

L Hasil Uji XRD Pada Bahan Katalis Konverter Wire Mesh

Komposisi II ………... 116

M Foto ……….. 121

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI SERTA APLIKASI

KATALIK KONVERTER UNTUK FILTER GAS BUANG

KENDERAAN BERMOTOR BERBAHAN

BAKAR PREMIUM

ABSTRAK

Pertumbuhan ekonomi yang pesat membawa efek negatif bagi pencemaran udara yang berasal dari gas buang kenderaan bermotor yang menurunkan kualitas lingkungan hidup manusia dan untuk mencari material alternatif pengganti katalis konverter yang menggunakan logam mulia, maka dilakukan penelitian ini. Telah dilakukan pembuatan katalis konverter berbahan dasar kawat wire mesh yang dilapisi logam titanium (IV) oksida dan besi (II) oksida dengan metode dip coating. Katalis konverter tersebut dipasang pada knalpot kenderaan bermotor dan berhasil menurunkan polusi gas buang sebesar 2.67% - 42.42% CO, 0.07% - 5.93% CO2, dan 1.95% - 27.61% HC.

Karakteristik yang diperoleh dari bahan katalis konverter yang telah diuji adalah massa jenis 0.55 – 0.57 g/cm3, porositas 66.27% - 69.11%, permeabilitas 67.7% - 92%, uji tekan pada 1000 Kg menghasilkan jarak penekanan 11 mm – 30 mm, pengujian

XRD-diffractometer menghasilkan tiga puncak / peaktertinggi yang spesifik pada sudut 2θ =

25.3435º , 36.9821º dan 48.0776º menunjukkan adanya pembentukan lapisan TiO2

dalam bentuk kristal Anatase pada permukaan katalis konverter wire mesh, serta dengan bantuan persamaan Scherer diperoleh ukuran partikel TiO2 sebesar 40.5 nm,

dan pengamatan struktur mikro TiO2 dengan scanning electron microscope

menunjukkan porositas yang besar.

Kata kunci : katalis konverter, wire mesh, titanium (IV) oksida, besi (II) oksida.

FABRICATION AND CHARACTERIZATION AS WELL AS

APPLICATION OF CATALYTIC CONVERTER AS A FILTER OF

EXHAUSTED GAS EMITTED BY PREMIUM GASOLINE

VEHICLES

ABSTRACT

The fast growing of economic growth has given out the problems of air pollution that is emitted by the exhaust system of vehicle which decrease the quality of environment and in order to seek the alternative noble metal catalytic converter as its substitution, so that this research is done. Wire mesh catalytic converter has been made by coating titanium (IV) oxide and iron (II) oxide on it using dip coating method, the catalytic converter is installed in the vehicle exhaust system and can decrease the pollution successfully, by 2.67% - 42.42% CO, 0.07% - 5.93% CO2, and 1.95% - 27.61% HC. The characteristics of wire mesh catalytic converter that has been studied are density of 0.55 – 0.57 g/cm3, porous percentage of 66.27% - 69.11%, permeability of 67.7% - 92%, compression test at 1000 Kg provide the compression distance of 11 mm – 30 mm, XRD-diffract meter method shows the specifics of three peaks at the angle of 2θ =

25.3435º , 36.9821º and 48.0776º reveals the occurrence of Anatase form of TiO2 at the wire mesh catalytic converter surfaces and by the Scherer Equation, the particle size of 40.5 nm TiO2 is found and the observation of microstructure that uses scanning electron microscope shows a lot of pores.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Kemajuan ekonomi yang semakin pesat mendorong semakin tingginya kebutuhan akan transportasi, dalam hal lain lingkungan alam yang mendukung kehidupan manusia semakin terancam kualitasnya, efek negatif pencemaran udara kepada kehidupan manusia kian hari kian bertambah. Kualitas udara di kota kota besar dewasa ini, semakin memprihatinkan dengan bertambahnya jumlah kenderaaan bermotor, akibatnya efek global warming juga semakin terasa.

Data BPS tahun 1999, di beberapa propinsi terutama di kota-kota besar seperti Medan, Surabaya dan Jakarta, emisi kendaraan bermotor merupakan kontribusi terbesar terhadap konsentrasi NO2

Pengukuran kualitas udara oleh Kementerian Lingkungan Hidup (KLH) tahun 2002 menunjukkan, kualitas udara di enam kota, yaitu : Jakarta, Surabaya, Bandung, Medan, Jambi, dan Pekan Baru dalam kategori baik (tingkat kualitas udara tidak memberikan efek buruk bagi kesehatan manusia serta tidak berpengaruh pada tumbuhan dan nilai estetika bangunan) hanya terjadi 22 – 62 hari dalam setahun. (Unisosdem, Els, 2001)

dan CO di udara yang jumlahnya lebih dari 50%. Penurunan kualitas udara yang terus terjadi selama beberapa tahun terakhir menunjukkan bahwa betapa pentingnya digalakkan usaha-usaha pengurangan emisi ini. Baik melalui penyuluhan kepada masyarakat ataupun dengan mengadakan penelitian bagi penerapan teknologi pengurangan emisi (Rachmariska, 2009).

Publikasi yang dikeluarkan Bank Dunia tahun 1994 menyebutkan, pencemaran udara di Jakarta mengakibatkan munculnya 1.200 kasus kematian prematur, 32 juta kasus penyakit pernapasan, dan 464 ribu kasus asma. Kerugian finansial akibat kasus tersebut ketika itu diperkirakan Rp 500 miliar (Unisosdem, Els, 2001).

Bahan bahan pencemaran udara yang terdapat pada gas buangan kenderaan bermotor seperti oksida oksida sulfur dan nitrogen, partikulat partikulat dan juga senyawa oksidan menyebabkan iritasi pada mata maupun kulit dan radang pada saluran pernafasan, sulfur oksida yang terabsorb dalam hidung, saluran pernafasan dan saluran ke paru paru dapat menggangu fungsi saluran pernafasan (Tugaswati T., 2000).

Seminar pengkajian Pb di udara ambient di daerah Serpong-Tangerang dan sekitarnya, pada tahun 2010 menyatakan bahwa zat beracun seperti Pb dalam asap kenderaan bermotor merupakan racun berbahaya yang berdampak terhadap kesehatan manusia, baik anak anak maupun orang dewasa. Pada anak anak, pencemaran timbal dapat menyebabkan penurunan tingkat kecerdasan (IQ points), penurunan kemampuan belajar. Pada orang dewasa, pencemaran timbal dapat menyebabkan tekanan darah tinggi, serangan jantung, kemandulan dan pada level yang sangat tinggi dapat menyebabkan kematian. Mengingat dampaknya yang begitu besar baik terhadap kesehatan maupun lingkungan maka perlu upaya pengendalian polutan Pb di udara ambient.

Senyawa senyawa yang dijadikan standar dalam ukuran pencemaran udara berdasarkan keputusan bapedal no 107 tahun 1997, index standar pencemar udara sebagai berikut:

Tabel 1.1 Indeks Standar Pencemar Udara (Sarwono Kusumaatmadja, 1997)

Indeks Standar Pencemar Udara 24 jam PM10 μg/m3 24 jam SO μg/m 2 3 8 jam CO μg/m3 1 jam O3 μg/m 3 1 jam NO μg/m 2 3

50 50 80 5 120 (2)

100 150 365 10 235 (2)

200 350 800 17 400 1130

300 420 1600 34 800 2260

400 500 2100 46 1000 3000

500 600 2620 57.5 1200 3750

Tabel 1.2 Angka Dan Kategori Indeks Standar Pencemar Udara (Sarwono Kusumaatmadja, 1997)

Indeks Kategori

1 – 50 Baik

51 – 100 Sedang

101 – 199 Tidak Sehat

200 – 299 Sangat Tidak Sehat

300 – lebih Berbahaya

Saat ini sudah banyak dikembangkan berbagai macam teknologi yang ditujukan untuk mengurangi pencemaran lingkungan akibat berbagai aktivitas mesin-mesin kendaraan dan industri. Salah satu penelitian yang dikembangkan adalah mengenai

catalytic converter. Catalytic converter merupakan pengembangan dari jenis katalis padatan yang digunakan untuk membantu proses konversi, reduksi dan oksidasi zat-zat berbahaya hasil pembakaran bahan bakar dari mesin kendaraan bermotor dan industri. Pada dasarnya mesin-mesin kendaraan yang ada sudah didesain untuk dapat melakukan pembakaran dengan sempurna terhadap bahan bakar mesin, sehingga zat-zat hasil pembakaran adalah berupa gas H2O, CO2 dan NO2 yang ramah lingkungan. Namun

keadaan yang terjadi di lapangan, pembakaran yang terjadi pada mesin kendaraan dan industri selalu tidak sempurna, sehingga zat-zat yang dihasilkan berupa gas beracun yang berbahaya bagi lingkungan dan makhluk hidup, yaitu gas CO, NOx, dan HC. Gas

CO jika terhirup dan masuk ke dalam saluran pernapasan selanjutnya akan berikatan dengan Haemoglobin (Hb), sehingga mengganggu transport oksigen. Gas NOx selain

berakibat langsung pada kerusakan tanaman dan meracuni manusia, hasil akhir pencemarannya adalah asam nitrat (HNO3) yang terintersepsi ke dalam lingkungan

dalam bentuk garam-garam nitrat dalam air hujan, sehingga terjadilah hujan asam. Hujan asam menyebabkan tumbuh-tumbuhan rusak dan mati. Adapun senyawa HC bersifat karsinogenik jika masuk ke dalam jaringan makhluk hidup, dengan oksida nitrogen, HC akan bereaksi secara foto oksidasi membentuk smog

Selanjutnya dengan adanya katalis konverter adalah untuk mengatasi pencemaran zat-zat tersebut dengan proses konversi, yaitu mereduksi dan mengoksidasi. Katalis akan mengoksidasi gas CO dan HC menjadi CO

. (Fahriansah, 2009)

mereduksi gas NOx menjadi N2, O2 dan NO2 dengan bantuan sebuah pengemban

(media/support) dari bahan alam yang ada di Indonesia, seperti batuan alam Zeolit yang memiliki ketahanan termal yang tinggi sehingga tahan pada proses bersuhu tinggi. Logam yang bertindak sebagai katalis diantaranya adalah Cu (tembaga), Mg (Magnesium), Fe (besi), Mn (Mangan), Pt (Platina), dan unsur golongan VIII B lainnya. Selain dibantu dengan adanya pengemban (support), katalis konverter juga terdiri senyawa pereduksi (reduction agent) yang akan bereaksi dengan gas CO, HC dan NOx, sehingga dihasilkan gas-gas yang ramah lingkungan (H2O, CO2, NO2). Reduction agent tersebut bisa berupa senyawa NH3, CH4 atau senyawa hidrokarbon

lainnya. Secara teknis katalis konverter akan diletakkan pada saluran pembuangan gas hasil pembakaran pada kendaraan bermotor, yaitu pada bagian knalpot. Pada knalpot tersebut gas-gas hasil pembakaran sebelum keluar ke lingkungan, akan melewati katalis konverter, sehingga terjadi reaksi oksidasi CO dan HC menjadi CO2 dan H2O,

mereduksi NOx menjadi NO2

Katalik konverter yang digunakan selama ini adalah berasal dari logam mulia seperti emas, platina, Rhodium, Ruthenium, Iridium, dan Osmium. Penelitian akhir akhir ini telah menunjukkan bahwa pemakaian logam ini cenderung meningkat terutama dalam pemakaian katalik konverter, industri, obat anti kanker dan pertukangan gigi dalam bentuk paduan selanjutnya zat zat tersebut terlarut di lingkungan dalam air, debu, tanah endapan, dan akhirnya memasuki rantai makanan. Pada akhirnya peningkatan zat zat tersebut sering dihubungkan dengan penyakit asma, mual, perontokan rambut, peningkatan aborsi, dermatitis, dan penyakit serius lainnya (Kielhorn et.al., 2002; Merget & Rosner 2001; Ravindra et.al., 2004; Whitely & Murray 2003).

. Dengan demikian gas berbahaya hasil pembakaran tak sempurna mesin kendaraan bermotor dapat diminimalisir, sehingga komposisinya di udara menjadi lebih sedikit. Hal ini tentunya akan mengurangi jumlah polutan di udara dan menjadikan lingkungan menjadi lebih bersih dan sehat (Fahriansah, 2009).

Penelitian ini sudah pernah dilakukan oleh M A Kalam, 2009 di departemen teknik mesin, University of Malaya, Kuala Lumpur, dengan menggunakan wire mesh

sebagai substrat, dan oksida logam katalis TiO2 dan CoO, namun dalam penelitian ini,

katalis CoO digantikan dengan FeO, di mana logam Fe adalah logam yang segolongan dengan logam Co dalam sistem periodik unsur, sehingga mempunyai sifat sifat yang

mirip dan juga merupakan logam yang relatif murah. Adapun hasil yang diperoleh dari penelitian M A Kalam ini adalah absorbsi gas NOx, CO dan HC berturut turut lebih tinggi 24%, 41% dan 40% dibandingkan dengan katalis konverter konvensional (honey comb).

Penelitian sebelumnya seperti yang dilakukan oleh Sembiring A.D., 2010, Tambunan T.D., 2006, Debora Rospita Sihite, 2006, Amirnordin shahrin Hisham et. al., 2008, menggunakan substrat keramik berpori untuk reduksi dan oksidasi gas buang kenderaan bermotor. Pemakaian substrat keramik berpori tidak digunakan dalam penelitian ini sebagai gantinya digunakan wire mesh karena wire mesh mempunyai porositas yang lebih besar dan dalam proses preparasinya tidak menggunakan suhu yang terlalu tinggi, hanya menggunakan suhu sekitar 575ºC, dengan demikian lebih murah dalam proses preparasinya.

1.2 PERMASALAHAN

Dari uraian di atas, yang menjadi permasalahan adalah :

a. Adanya korelasi positif antara kemajuan ekonomi dengan polusi udara di perkotaan.

b. Adanya kenderaan bermotor yang mempunyai kondisi tidak standar sehingga menghasilkan sisa pembakaran tidak sempurna.

c. Penambahan zat aditif timbal (Pb) dalam bentuk TEL (tetra ethyl Lead / (C2H5)4

d. Timbulnya asap kabut (smog) dan hujan asam akibat hasil pembakaran yang tidak sempurna, yang menimbulkan masalah masalah lain seperti pada bidang korosi material dan lingkungan serta berkurangnya jarak pandang (visibilitas) mata akibat adanya smog.

Pb) pada bensin yang dapat menurunkan kesehatan manusia dan mengganggu perkembangan intelligence (kecerdasan) anak anak, yang pada gilirannya juga akan menurunkan kualitas sumber daya manusia Indonesia.

e. Pemakaian katalik konverter konvensional telah menimbulkan berbagai masalah penyakit bagi manusia.

f. Katalik konverter konvensional menggunakan bahan yang relatif mahal.

Polusi udara dari kenderaan bermotor telah menimbulkan banyak permasalahan lain dan salah satu cara untuk mengeliminasi permasalahan yang timbul adalah dengan melakukan perlakuan (treatment) pada gas hasil buangan kenderaan bermotor dengan logam bahan katalik konverter yang lebih murah, sehingga setidaknya gas yang dikeluarkan dapat dikurangi akibat negatifnya terhadap kesehatan. Dengan demikian masalah yang ingin diselesaikan dalam penelitian ini adalah mengurangi polusi udara akibat gas hasil pembakaran kenderaan bermotor yang menimbulkan penurunan kesehatan makhluk hidup dan lingkungannya.

1.4 PEMBATASAN MASALAH

Untuk dapat menfokuskan dan memaksimalkan penelitian ini, maka permasalahan dalam penelitian harus dibatasi. Dengan demikian asumsi dan pembatasan dilakukan sebagai berikut:

1. Penelitian hanya difokuskan pada pengurangan persentasi polusi gas buangan hasil pembakaran kenderaan bermotor CO, HC, dan CO2

2. Penelitian dilakukan pada mobil Toyota Yaris VVTI system dengan tahun pembuatan 2006 berbahan bakar bensin premium (C

setelah dilewatkan melalui filter knalpot.

6H12).

1.5 TUJUAN PENELITIAN

Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk :

a. Mengurangi dan mengkonversikan emisi gas akibat gas buangan kenderaan bermotor yang berbahaya bagi kesehatan manusia menjadi gas yang ramah lingkungan.

b. Mencari alternatif bahan katalik konverter yang relatif lebih murah dibandingkan dengan bahan katalik konverter konvensional .

c. Mengurangi efek rumah kaca yang menimbulkan global warming.

1.6 MANFAAT PENELITIAN

Penelitian ini diharapkan akan bermanfaat bagi peningkatan kesehatan lingkungan dan pelestarian lingkungan hidup bagi generasi yang akan datang serta dapat menjadi dasar untuk penelitian selanjutnya.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 DAMPAK EMISI GAS BUANG KENDERAAN BERMOTOR

Dampak dari hasil buangan gas kenderaan bermotor antara lain sebagai berikut : 1. Timbal (Pb) dapat mengakibatkan penurunan tingkat kecerdasan dan

perkembangan mental anak, mengakibatkan tekanan darah tinggi, fungsi reproduksi laki laki dan terganggunya fungsi ginjal (Tambunan T.D., 2006). 2. CO (karbon monoksida) dapat menyebabkan pengurangan kadar oksigen

dalam darah sehingga mengakibatkan pusing, gangguan berpikir, penurunan reflek, gangguan jantung bahkan kematian (Tambunan T.D., 2006).

3. NOx

4. HC (hidrokarbon) menyebabkan iritasi mata, pusing, batuk, mengantuk, perubahan kode genetik, memicu asma, dan kanker paru paru (Tambunan T.D., 2006).

(oksida nitrogen) dapat menimbulkan iritasi mata, batuk, gangguan jantung, paru-paru, asma dan infeksi saluran pernafasan (Tambunan T.D., 2006).

Oleh karena akibat yang ditimbulkan gas buang kenderaan bermotor seperti tersebut di atas, maka banyak perusahaan otomotif sekarang sudah melengkapi knalpot dengan material katalik konverter yang bekerja dengan prinsip oksidasi dan reduksi sehingga gas yang dikeluarkan kenderaan bermotor dapat diubah menjadi zat yang tidak berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan.

2.2 KATALIS KONVERTER

Sebuah catalytic converter adalah

sedikit. Di dalam catalytic converter, sebuah

produk samping dari

dengan cara yang didispersikan. Sebagian besar kendaraan padathree way converter, dinamakan demikian karena itu mengkonversi tiga polutan utama dalam knalpot mobil yaitu reaksi mengkonversi

da serta x ) untuk

menghasilka2 )2 ), dan2 O) (IPA, 2011).

Pada kenderaan bermotor berbahan bakar bensin, biasanya digunakan three way catalytic converter, sebuah katalik konverter mempunyai tiga tugas secara simultan yaitu:

1. x → NO2 + N 2

2. 2→ 2 CO

3. Oksidasi hidrokarbon yang tidak terbakar (HC) menjadi karbon dioksida da

2

xH2x +2 + [(3x +1) / 2] O 2 → x CO2 + (x +1) H2

Ketiga reaksi terjadi paling efisien bila catalytic converter menerima gas buang dari mesin sedikit di atas tit

O

udara untuk 1 bagian bahan bakar bensin. Rasio untuk pengaturan sistem bahan bakar dimodifikasi saat menggunakan bahan bakar tersebut. Secara umum, mesin dilengkapi dengan 3-way catalytic converter dilengkapi

denga

menggunakan satu atau lebih konverter (IPA, 2011).

Dengan demikian reaksi yang terjadi dalam katalik konverter adalah proses reduksi dan oksidasi, dimana ada logam yang berfungsi sebagai oksidator dan reduktor, selain itu terdapat juga bahan pendukung secara mekanis yang disebut sebagai substrat

yaitu tempat dimana logam logam katalis didispersikan serta terdapat juga bahan

washcoat yang berfungsi untuk mendispersikan logam katalis ke seluruh permukaan substrat sehingga memungkinkan reaksi reduksi dan oksidasi terjadi di keseluruhan permukaan substrat (M.A. Kalam, et.al., 2009)

2.3 DIP COATING

Dip coating adalah proses dimana benda yang ingin diberi lapisan dicelupkan ke dalam bahan pelapisan yang berbentuk cairan atau larutan (Sinuhaji P., Marlianto E., 2012). Film tipis ini hanya mempunyai ketebalan satu hingga seribu nanometer saja, sehingga hanya dapat diamati mikrostrukturnya dengan menggunakan SEM (scanning electron microscope).

Sifat film tipis sangat berbeda dengan sifat bahan pukalnya (bulk material), perbandingan luas permukaan terhadap volum yang besar dan mikrostruktur film akan menimbulkan beberapa fenomena seperti peresapan dan penyerapan gas serta aktivitas katalisator (Sinuhaji P., Marlianto E., 2012), sifat inilah yang dimanfaatkan dalam proses katalis konverter yang akan memberikan perlakuan oksidasi dan reduksi terhadap gas buang kenderaan bermotor.

Keuntungan dalam memakai metode ini adalah aplikasi yang mudah, dan memerlukan biaya yang relatif murah, serta tidak menggunakan mesin vakum.

2.4 TITANIUM OKSIDA (TiO2

)

Gambar 2.2 Struktur Kristal Anatase Titanium Oksida (Down, R.T., Wallace, M.H., 2003)

Titanium oksida mempunyai sifat sifat sebagai berikut:

Tabel 2.1 Sifat sifat Titanium Oksida (CAS, 2012)

Rumus molekul

Massa molar 79.866 g/mol

Penampakan Padatan warna putih

Densitas 4.23 g/cm3

Titik leleh 1843 °C

Titik uap 2972 °C

Indeks bias

2.488 (anatase) 2.583 (brookite) 2.609 (rutile)

Titanium oksida mempunyai sifat fotokatalis yang dapat menyebabkan reaksi redoks berlangsung dengan penyinaran cahaya UV pada panjang gelombang 388 nm. fotokalalis ini dapat dijelaskan sebagai berikut ini:

Sinar UV H+

OH-

Gambar 2.3 Mekanisme Foto Katalis

+

lubang/hole

-

elektron

Pita Konduksi

Pita Valensi Sela Pita Foto Katalis

e-

h+

O2 O2-

CO2 + OH- HCO3-

(Reduksi)

H2O H+ + OH-

Dari proses fotokatalis yang terlihat di atas, TiO2

a. dapat mengabsorpsi air (Heinrich et al, 1977)

mempunyai sifat sifat :

b. dapat mengabsorpsi CO dan CO2

c. dapat mengabsorpsi NO dan SO

(Kobayashi et. al., 1989; Beck et. al., 1986; Gopel et.al., 1983)

2

d. dapat mengabsorpsi oksigen (Lu et.al., 1995)

(Lu et.al., 1995; Boccuzzi et.al., 1991;Smith et.al.,1985)

e. dapat mengabsorpsi zat organik (M. Nurdin et.al., 2009, Zhang et al, 2006) Dalam penelitian ini, Titanium oksida akan berfungsi sebagai oksidator dan besi oksida berfungsi sebagai reduktor, dengan demikian maka sisa pembakaran tidak sempurna seperti HC, CO dan Oksigen dioksidasi oleh katalis Titanium oksida, sedangkan NOx dan CO akan direduksi menjadi N2 dan CO2.

Dalam penelitian ini, pada suhu pemanasan sekitar 450°C titanium oksida akan membentuk kristal anatase, yang mana dalam bentuk kristal ini, fotokatalis dapat terjadi secara optimum (M. Nurdin et.al., 2009).

Dengan adanya ketersediaan sinar UV maka akan terjadi fotokatalis seperti yang tersebut di atas.

2.5 FERRO OKSIDA (FeO)

Besi oksida digunakan dalam penelitian ini karena dapat mengoksidasi karbon maupun karbon monoksida menjadi karbon dioksida yang bersifat lebih stabil dan ramah lingkungan. FeO secara termodinamika tidak stabil pada suhu 575 °C sehingga akan terurai menurut reaksi: 4FeO → Fe + Fe3O4. Reaksi

reduksi karbon monoksida berlangsung sebagai berikut: Fe3O4 + 4CO → 3Fe +

4CO2, sedangkan pada reaksi oksidasi terkontrol akan dihasilkan: 2Fe3O4 + ½

O2 → 3(γ-Fe2O3) dan reaksi oksidasi di udara akan dihasilkan: 2Fe3O4 + ½ O2

→ 3(α-Fe2O3). Hasil reaksi Fe2O3 akan mengoksidasi lagi karbon dan sisa

pembakaran H2 sebagai berikut: 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2 dan 3 Fe2O3 +

H2→ 2 Fe3O4 + H2

Besi oksida mempunyai sifat sifat sebagai berikut: O (Greenwood, et.al., 1997).

Tabel 2.2 Sifat sifat FeO (CAS 2012)

FeO

Massa molar 71.844 g/mol

Wujud black crystals

5.745 g/cm3

1377 °C, 1650 K, 2511 °F

3414 °C, 3687 K, 6177 °F

Kelarutan dalam air Tidak larut

Tidak larut dalam basa tetapi larut dalam asam

2.6 DESAIN DAN STRUKTUR KATALIS

Karakteristik tekstur katalis dapat dijelaskan melalui parameter parameter, seperti : luas permukaan, volume pori, densitas pellet, porositas, radius pori rata rata, dan distribusi ukuran pori.

Gambar 2.4 Karakteristik teknis dari katalis (Istadi, 2011)

Aktivitas dan selektivitas katalis yang tinggi adalah didesain dengan memilih komponen kimia yang benar menggunakan cara cara pembuatan tertentu sehingga

ALIRAN FLUIDA :

Distribusi aliran Penurunan tekanan yang rendah

Kekuatan mekanik

AKTIVITAS TINGGI :

Aktivitas bahan kimia Permukaan aktif spesifik yang tinggi

Pellet berpori

STABILITAS: Tahan terhadap : Sintering, racun katalis, fouling

Ukuran, Bentuk Aktivitas Porositas Kekuatan Umur Panjang Pelet Katalis

menghasilkan katalis dengan luas permukaan yang diinginkan serta memformulasi pelet katalis agar situs aktif dapat mudah diakses. Stabilitas katalis yang baik memerlukan ketahanan katalis terhadap penyebab penyebab deaktivitas katalis karena

sintering (kehilangan permukaan aktif karena perkembangan/perubahan kristal), racun katalis (penghilangan situs aktif melalui kemisorpsi yang kuat), penyumbatan situs aktif dan pori oleh karbon. Stabilitas katalis juga dipengaruhi oleh kondisi operasi.

2.6.1 Komponen komponen katalis

Pada umumnya katalis tersusun dari beberapa komponen, antara lain:

2.6.1.1 Komponen aktif

Komponen aktif merupakan komponen katalis yang bertanggungjawab terhadap reaksi kimia yang utama. Pemilihan komponen aktif adalah tahap pertama dalam mendesain katalis. Sementara itu, pengetahuan tentang mekanisme katalitik adalah sangat saintifik sehingga metode pemilihan komponen aktif menjadi lebih saintifik juga, walaupun kadang kadang bersifat empirik.

Hubungan antara komponen aktif, promoter dan penyangga (support) dapat dilihat pada gambar 2.5 berikut ini:

K a t a l i s

Komponen Aktif

Penyangga (Support)

Promoter :

Struktural, penghambat aktivitas, promosi aktivitas

Fungsi :

- Aktivitas kimia

Jenis: - Logam

- Oksida dan sulfida semi konduktor

- Oksida dan sulfida isolator

Fungsi :

- Luas permukaan yang tinggi - Porositas

- Sifat sifat mekanis - Stabilitas

- Fungsi ganda aktivitas - modifikasi komponen aktif

Jenis:

- Oksida dengan titik leleh tinggi - Tanah liat - Karbon

Gambar 2.5 Hubungan antara komponen aktif, pendukung dan promotor katalis (Istadi, 2011)

2.6.1.2 Penyangga (support)

Penyangga (support) atau dinamakan juga sebagai pembawa (carrier) mempunyai banyak fungsi. Fungsi yang paling penting adalah menjaga agar luas permukaan komponen aktif tetap besar. Sebagai contoh adalah katalis platinum (Pt) sebagai logam aktif untuk proses reformasi katalitik, dan pembersihan knalpot kenderaan secara katalitik. Kristal platinum harus mempunyai luas permukaan yang besar. Platinum mempunyai titik leleh pada suhu 1774 °C. Jika platinum tersebut dibuat dalam bentuk platinum hitam, maka pemakaian dalam reaksi selama satu jam pada suhu 400 °C menghasilkan ukuran kristal 50 nm, namun jika digunakan dalam waktu 6 bulan, maka ukuran kristal menjadi 2000 nm. Dalam hal ini ketidakstabilan terjadi. Selain itu, logam platinum juga termasuk logam yang sangat mahal.

Besarnya konsentrasi komponen aktif atau biasa disebut loading

juga mempunyai efek yang signifikan agar penyangga bisa memberikan tingkat dispersi komponen aktif yang besar, misalnya 70% Ni/Al2O3,

Porositas adalah sangat diperlukan untuk katalis dengan luas permukaan yang tinggi, tetapi bentuk pori dan distribusi ukuran pori adalah faktor penting jika proses difusi internal mengendalikan laju reaksi. Penyangga yang baik adalah penyangga yang dapat dimanipulasi sehingga menghasilkan sifat sifat tekstur yang diinginkan. Dalam hal ini, alumina dan silika adalah penyangga yang baik. Kedua jenis penyangga ini adalah sering digunakan karena mudah dalam pengendalian ukuran dan bentuk pori. Faktor yang penting lainnya adalah kekuatan mekanik dan stabilitas termal.

walaupun besarnya loading adalah besar maka alumina masih tetap sebagai penyangga dan nikel sebagai komponen aktif.

2.6.1.3 Promotor

Promotor merupakan senyawa ke tiga yang ditambahkan ke dalam sistem katalis, biasanya dalam jumlah kecil saja. Tujuan pemberian promotor ini adalah untuk menghasilkan aktivitas, selektivitas, dan efek stabilitas yang diinginkan. Promotor dapat diandaikan seperti bumbu masak dalam masakan makanan.

Promotor didesain untuk membantu penyangga atau komponen aktif. Salah satu peran penting dari promotor adalah dalam pengendalian stabilitas katalis. Beberapa kasus lain, promotor ditambahkan ke dalam struktur katalis atau penyangga untuk menghambat mekanisme reaksi tertentu yang tidak diinginkan, seperti pembentukan karbon (coke). Coking ini berasal dari perengkahan di situs asam Bronsted yang diikuti polimerisasi dengan katalis asam untuk menghasilkan (CHx)n. Coking

ini memenuhi permukaan pori dan memblokade lubang pori.

2.6.2 Desain katalis

Desain katalis yang sukses memerlukan kombinasi pengalaman pengalaman unik dengan pengetahuan yang berhubungan dengan pengalaman tersebut. Diskusi tentang pengembangan proses adalah dasar penting di dalam mendesain katalis, penekanannya adalah pada apa yang dibutuhkan oleh proses itu. Target reaksi adalah sangat penting. Faktor faktor penting yang perlu diperhatikan adalah ukuran partikel, ukuran pori, kekuatan, selektivitas, aktivitas, stabilitas dan formulasi.

2.7 SIFAT FISIS MATERIAL

Sifat fisis material yang akan diuji pada penelitian ini adalah sifat absorbsi, sifat porositas, densitas, dan permeabilitas. Sifat sifat tersebut akan dibahas sebagai berikut :

2.7.1 Absorbsi

Absorbsi adalah terikatnya suatu substansi pada permukaan yang dapat menyerap (adsorben). Absorbsi dapat terjadi antara zat padat dan zat cair, zat padat dan gas, dan zat cair dan gas. Absorbsi terjadi karena adanya gaya adhesi

absorben yang lebih besar dari pada gaya kohesinya, sehingga zat akan lebih cenderung tertarik ke permukaannya.

Berdasarkan interaksinya, absorbsi dapat dibedakan atas :

a. Absorbsi fisika terjadi bila gaya intermolekular lebih besar dari pada gaya tarik antar molekul atau gaya tarik menarik yang relatif lemah antara adsorbat dengan permukaan adsorben, gaya ini disebut gaya Van der Waals, sehingga adsorbat dapat bergerak dari satu bagian permukaan ke bagian permukaan lain dari adsorben.

Absorbsi ini berlangsung cepat, dapat membentuk lapisan jamak (multilayer) dan dapat bereaksi balik (reversible) karena energi yang dibutuhkan relatif rendah.

b. Absorbsi kimia terjadi karena adanya reaksi antara molekul molekul absorbat dengan absorben dimana terbentuk ikatan kovalen dan ion. Gaya ikat absorben ini bervariasi tergantung pada zat yang bereaksi. Absorbsi jenis ini bersifat irreversible

dan hanya dapat membentuk lapisan tunggal /monolayer

(Tambunan T.D., 2006).

2.7.2 Porositas

Porositas sangat dipengaruhi oleh bentuk renik dan distribusinya. Secara umum porositas dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu :

• Porositas semu (apparent porosity) yaitu perbandingan volum renik terbuka dengan volum total.

• Porositas total yaitu perbandingan jumlah volum renik terbuka dan volum renik tertutup terhadap volum total (Gurning J., 1994)

2.7.3 Densitas

Densitas adalah pengukuran massa setiap satuan volum benda. Semakin tinggi densitas (massa jenis) suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumnya. Densitas rata rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan

total volumnya. Sebuah benda yang memiliki densitas lebih tinggi akan memiliki volum yang lebih rendah.

Menurut Gurning J., 1994, untuk menghitung besarnya densitas dipergunakan persamaan berikut ini

ρ

=

�

� ……….. (2.1)

dimana :

ρ = densitas (Kg/m3

m = massa (Kg)

)

V = volum benda (m3)

2.7.4. Permeabilitas

Permeabilitas adalah kemampuan bahan dapat mengalirkan/melewatkan fluida melalui porinya (Bear, 1972). Karakteristik ini penting untuk mendapatkan katalis konverter yang dapat mengalirkan gas buang knalpot sehingga tidak terjadi over heating pada mesin karena gas buang yang terhambat katalis konverter. Oleh karena itu dalam penelitian ini, katalis konverter yang dibentuk diuji dengan permeabilitas meter untuk menentukan kemampuan mentransmisikan gas. Pada umumnya kemampuan permeabilitas sebanding dengan porositas bahan jika porositas semakin besar maka kemampuan permeabilitas juga tinggi.

2.8 SIFAT MEKANIK MATERIAL

Sifat mekanik material yang dianalisa dalam penelitian ini adalah sifat kuat tekan dari katalis wire mesh yang dihasilkan. Oleh karena katalis ini akan dipasang pada knalpot kenderaan bermotor, maka katalis yang dihasilkan harus cukup kuat dan tahan tekan terhadap getaran mesin pada saat beroperasi.

Metode Difraksi Sinar-X (X-Ray Diffraction, XRD) memegang peran yang sangat penting untuk analisis padatan kristalin, yaitu untuk meneliti ciri utama struktur (parameter kisi dan tipe struktur), dan untuk mengetahui rincian lain misalnya susunan berbagai jenis atom dalam kristal, keberadaan cacat, ukuran butiran, orientasi, ukuran dan kerapatan presipitat. Oleh karena pola difraksi untuk tiap unsur pada gambar 2.6 adalah spesifik maka metode ini sangat akurat untuk menentukan komposisi unsur dan senyawa yang terkandung dalam suatu sampel, karena pola yang terbentuk seperti fingerprint dari suatu materi.

Gambar 2.6 Diffraksi sinar X oleh bidang bidang atom.

Jika dari hasil difraksi dapat diperoleh nilai FWHM (Full Width at Half Maximum), maka dengan menggunakan persamaan Scherer, dapat diperoleh ukuran partikel pada sampel. Adapun persamaan Scherer dapat dituliskan sebagai berikut:

�

=

��

B(2θ) ����

………… (2.2)

k = 0.94, dianggap bentuk kristal mendekati bentuk bola. L = Ukuran kristal (m)

λ = 1.54 Ǻ, jika anoda yang digunakan adalah Cu

Sinar datang

Sinar terdifraksi

a

b

2.10 GAS ANALYSER

Uji emisi gas buang dengan menggunakan alat gas analyser, alat ini dapat menunjukkan kadar zat zat polutan yaitu CO, CO2, HC dan NOx yang

keluar dari knalpot kenderaan bermotor. Hasil pengukurannya dapat langsung diketahui melalui print out yang langsung keluar dari alat tersebut. Hasil pengukuran meliputi kadar CO (%), HC (ppm), CO2 (%), NOx maupun O2. Gas

analyser dihubungkan dengan mobil melalui pipa listrik yang dihubungkan ke baterai dan mesin mobil, kemudian mobil dihidupkan sementara gas analyser diset ke posisi nol, kemudian sensor dimasukkan ke dalam knalpot kenderaan dan secara otomatis alat bekerja serta hasil langsung tertera pada monitor alat sebagai output.

2.11 ANALISA KUALITATIF SCANNING ELECTRON MICROSCOPE

SEM (Scanning Electron Microscope) adalah alat yang digunakan untuk mempelajari morfologi permukaan / ukuran butiran. Pengamatan morfologi permukaan dalam 3 Dimensi, resolusi tinggi dan analisa Kimia.

Prinsip kerja SEM (Scanning Electron Microscope) adalah sebagai berikut: 1. Electron Gun ( Sumber Elektron / Penembak elektron)

Penembak elektron terdiri dari filamen Tungsten, penembak elektron ini digunakan untuk menghasilkan elektron dalam suatu volum tertentu dengan energi yang dapat ditentukan dengan mengatur arus listrik ke filamen sehingga terjadi pelepasan elektron.

2. DemagnetificationSystem (Perangkat Demagnetisasi)

Perangkat Demagnetisasi terdiri dari gabungan lensa-lensa elektromagnetik yang digunakan untuk menfokuskan E-Beam menjadi sangat kecil pada saat mencapai sampel.

Pembentukan Gambar dengan menggunakan prinsip Scanning, dimana elektron diarahkan ke objek, gerakan berkas tersebut mirip dengan “Gerakan Membaca”. Scan unit dibangkitkan oleh scanning coil, sedangkan hasil interaksi berkas elektron dengan sampel menghasilkan Secondary Electron (SE) dan elektron Backs Scattered (BSc), diterima detektor SE/BSc, di ubah menjadi sinyal, data sinyal diperkuat oleh Video Amplifier kemudian disinkronkan oleh

scanning circuit terbentuklah Gambar pada Tabung Sinar Katoda (CRT) (Sinuhaji P., Marlianto E., 2012).

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN 3.1.1. Tempat penelitian

1. Laboratorium XRD FMIPA Universitas Sumatera Utara (USU) Medan 2. PUSLITBANG Departemen Perindustrian Medan Jl. S.M. Raja Medan 3. Bengkel Sehat Motor Jl. Sei Batang Hari Medan

4. Pusat Penelitian Fisika-LIPI, Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Selatan

3.1.2. Waktu penelitian

Penelitian dilakukan mulai Februari 2012 sampai dengan Juni 2012.

3.2. ALAT DAN BAHAN

3.2.1. Alat-alat yang dipergunakan: 1. Neraca Analitis / Digital

2. Furnace

3. Cetakan

4. Gunting Kawat

5. XRD (X ray diffraction)

7. Permeabilitas Meter 8. Alat Uji Tekan 9. Gas Analyser

10. Jangka Sorong 11. Mixer

12. Gelas Ukur

13. Mobil Toyota Yaris-VVTI berbahan bakar bensin tahun pembuatan 2006 3.2.2. Bahan bahan yang dipergunakan :

1. Natrium metasilikat (Na2SiO3

2.Natrium metabisulfat ( Na

) / waterglass 2S2O5

3. Asam klorida (HCl)

)

4. Besi oksida (FeO) 5. Titanium Oksida (TiO2

6. Kawat mesh (Wire mesh) )

7. Air

3.3. PROSEDUR PENELITIAN

1. Pengumpulan bahan bahan.

2. Pembuatan sampel (proses menggunting wire mesh menjadi lembaran berbentuk lingkaran dengan diameter 5.1 cm).

3. Perendaman hasil gunting wire mesh ke larutan HCl 10% selama 1 jam, kemudian dikeringkan selama 1 hari sebelum proses dip coating.

4. Pembuatan larutan dip coating dengan mencampurkan bahan bahan sesuai dengan yang telah ditentukan, kemudian diaduk selama 1 jam.

5. Proses dip coating, dengan cara mencelupkan kawat wire mesh yang sudah dibentuk selama 5 menit dan kemudian diangkat dan disemprotkan angin dari kompresor untuk menghilangkan sisa larutan yang menutupi lubang lubang pada wire mesh tersebut, karena dapat mengurangi porositas dan permeabilitas gas yang akan melalui wire mesh pada saat aplikasi.

6. Proses pengeringan wire mesh yang telah selesai dicelup selama 12 jam pada suhu 120°C kemudian didinginkan secara perlahan selama 2 jam dan dilanjutkan dengan pembakaran selama 6 jam pada suhu 600°C, dengan kenaikan suhu sebesar 10ºC tiap menit selama satu jam pertama dan ditahan pada suhu 600°C selama 5 jam .

7. Pengamatan dilakukan dengan analisa porositas dan densitas serta SEM.

8. Uji mekanik (uji tekan). 9. Uji permeabilitas bahan.

10.Uji absorbsi gas buang (gas analyser). 11.Pengamatan dengan analisa XRD.

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian

Oksida logam katalis TiO2 dan FeO sesuai

persentasi (100:0, 80:20, 60:40, 40:60, 20:80)

Mixing (diaduk pada 500 rpm selama 1 jam)

Homogenisasi (disaring)

Dip Coating

Drying (oven

120 °C selama 12 jam)

Kalsinasi (600°C selama 6 jam)

Prototype

Preparasi washcoat (natrium

metasilikat 46.4% dan natrium metabisulfit)

Preparasi wire mesh

Treatment of wire

mesh dalam 10%

HCl selama 1 jam

Aplikasi Karakterisasi Pengamatan SEM Pengukuran Porositas Pengukuran Densitas Uji Tekan Uji Permeabilitas Data

Filter Tanpa

Filter

Analisa Data

Kesimpulan Uji Absorbsi gas

XRD

Dikeringkan selama sehari

3.4. VARIABEL DAN PARAMETER PENELITIAN 1. Variabel penelitian

Yang menjadi variabel terikat pada penelitian ini adalah persentasi gas buang yang terabsorpsi sedangkan yang menjadi variabel bebas adalah persentasi titanium oksida (TiO2

2. Parameter penelitian

) dan besi oksida (FeO).

Parameter adalah ukuran data yang akan diperoleh dari hasil penelitian dan yang menjadi parameter dalam penelitian ini adalah:

a. Porositas b. Densitas c. Kekuatan tekan

d. Struktur bahan dan ukuran partikel (XRD)

e. Morfologi permukaan dan analisis kuantitatif (SEM) f. Permeabilitas

g. Absorbsi terhadap gas buang 3.5. ALAT PENGUMPUL DATA PENELITIAN

Alat pengumpul data adalah instrumen yang digunakan untuk mengumpulkan data yaitu :

a. X Ray Diffraction (XRD) untuk menganalisa struktur mikro dan ukuran partikel sampel.

b. Scaning electron microscope (SEM) untuk morfologi sampel dan analisis kuantitatif.

c. Permeabilitas meter untuk mengukur kemampuan permeabilitas bahan katalis konverter yang dihasilkan.

d. Jangka sorong untuk mengukur panjang sampel, diameter wire mesh, diameter batang besi pendukung dan ring pembatas, serta tebal ring. e. Neraca analitis untuk mengukur massa sampel sebelum dan sesudah

dilapisi, massa baut pengikat, massa wire mesh, massa batang besi pendukung, serta massa ring.

f. Gas analyser untuk mengukur seberapa besar gas CO, CO2, NOx, dan

3.6. PENGOLAHAN BAHAN

HC dapat diabsorbsi oleh katalis konverter.

a. Pemilihan oksida logam katalis

Pemilihan oksida logam katalis bertujuan untuk terjadinya reaksinya reduksi dan oksidasi pada knalpot dimana Oksida logam Titania sebagai oksidator dan Oksida logam besi oksida sebagai reduktor. Oleh karena kereaktifan dari besi lebih besar dari pada logam Titania.

b. Seleksi material untuk substrat.

Substrat yang dipakai untuk filter gas buang adalah wire mesh stainless steel dengan tujuan untuk mendapatkan porositas yang besar dan kekuatan mekanik serta fisis material yang tinggi sebagai pendukung katalis pada suhu yang cukup tinggi dengan harga yang relatif murah.

c. Preparasi larutan sol gel katalis

Larutan natrium metasilikat dan natrium metabisulfat digunakan untuk pelapisan pada wire mesh stainless steel sehingga dapat meningkatkan kekuatan pelapisan pada permukaan substrat. Preparasi larutan sol gel dilakukan dengan mencampurkan 90 gram larutan sodium metasilikat dan 10 gram variasi massa TiO2

Tabel 3.1 Variasi Perbandingan Massa Katalis TiO dan massa FeO sebagai berikut:

2 dan FeO

90 gram larutan Sodium metasilikat + 1 gram Sodium metabisulfit

Massa TiO2 Massa FeO

10 g 0 g

8 g 2 g

6 g 4 g

4 g 6 g

Setelah itu, dilakukan proses pengadukan selama 1 jam pada kecepatan 500 rpm dan proses homogenisasi dengan disaring, Setelah itu larutan sol gel yang terbentuk siap untuk proses dip coating (M.A. Kalam, et.al., 2009).

d. Perlakuan (treatment) substrat wire mesh.

Untuk membersihkan kotoran yang mungkin masih ada di wire mesh stainless steel, maka sebelum proses dip coating, maka wire mesh tersebut harus dicelupkan ke dalam larutan HCl 10% selama 1 jam.

e. Pelapisan substrat

wire mesh stainless steel dilapisi dengan oksida logam katalis dengan proses dip coating, dimana wire mesh tersebut dicelupkan ke larutan sol gel yang sudah dibentuk sebelumnya selama lima menit, Kemudian dianginkan dengan nozzle dari kompresor angin dengan kecepatan angin 1 liter/menit untuk menghilangkan sisa katalis yang tidak diinginkan kemudian wire mesh yang sudah dicelup tersebut di keringkan pada suhu 120ºC selama 12 jam untuk menguapkan air dan zat zat volatile lainnya sebelum proses kalsinasi. Proses kalsinasi dilakukan dengan menaikkan suhu 10ºC tiap menit, hingga mencapai 600ºC dan ditahan selama 5 jam. Setelah itu pada sumbu sumbu wire mesh

tersebut dipasangkan pada sebuah batang besi lurus dengan dipisahkan ring antar lembaran katalis dan siap digunakan sebagai katalis konverter pada knalpot kenderaan bermotor.

f. Penyusunan wire mesh menjadi katalis konverter pada knalpot

Penyusunan sampel pengukuran densitas, porositas, serta uji tekan dan permeabilitas disusun dengan jumlah lembaran sebanyak 119 lembar dengan dipisahkan oleh ring antar lembaran pada batang besi lurus dan dikat oleh baut pada ujungnya, demikian juga dengan sampel uji emisi dengan jumlah lembaran sebanyak 123 lembar.

3.7. PENGUKURAN VOLUM DAN MASSA SAMPEL

Pengukuran volum sampel dilakukan dengan menggunakan jangka sorong dan gelas ukur, yaitu dengan mengukur diameter dan panjang sampel serta volum massa lembaran sebelum dan sesudah dilapisi. Pengukuran massa sampel dan bagiannya dilakukan dengan menggunakan neraca analitis. Hasil pengukuran dapat dilihat pada bagian lampiran A.

3.8. PENGUKURAN POROSITAS DAN DENSITAS

Pengukuran densitas dilakukan dengan membandingkan massa dan volum sampel setelah dibakar, sedangkan pengukuran porositas dilakukan dengan mengukur volum lembaran katalis dengan gelas ukur dan volum keseluruhan katalis kemudian volum keseluruhan katalis dikurangi dengan volum total lembaran katalis, volum batang besi dan volum keseluruhan ring, maka diperoleh volum porositasnya.

Dalam penelitian ini, porositas dihitung dengan membandingkan volum ruang kosong katalis konverter yang bisa dilalui oleh gas buang kenderaan bermotor dengan volum total katalis konverter, sehingga perhitungan porositas katalis ditulis sebagai berikut:

% Porositas = (Vtotal−Vk−Vr−Vb)

�total x 100% ………….(3.1)

dimana : Vk = volum lembaran katalis (m3

Vb = volum batang besi pendukung katalis (m )

3

Vr = volum keseluruhan ring (m

)

3

Vtotal = volum total sampel (m )

3

3.9. PENGUJIAN TEKAN

)

Pengujian tekan dilakukan di PUSLITBANG Departemen Perindustrian Medan yaitu dengan menggunakan alat pembeban Universal Tokyo Testing Machine. Lembaran katalis tanpa batang besi disusun dalam sebuah tabung besi

dengan tinggi lebih kurang 10 cm, kemudian ditekan dengan beban sebesar 1000 Kg dan dicatat jarak penekanan untuk tiap komposisi sampel.

3.10. PENGUKURAN PERMEABILITAS

Pengukuran permeabilitas sampel dilakukan setelah lembaran katalis disusun pada batang besi, kemudian dimasukkan pada tabung uji permeabilitas, setelah itu alat uji permeabilitas dihidupkan sehingga udara dari luar tersedot dan berdasarkan perbedaan tekanan yang terjadi maka hasilnya akan ditunjukkan oleh jarum pada skala permeabilitas meter, proses seperti ini dibiarkan selama 5 menit supaya terjadi kestabilan pada jarum penunjuk skala, kemudian dilakukan pencatatan. Alat permeabilitas meter dapat dilihat pada lampiran L.

3.11. ANALISA KUALITATIF XRD

Analisa mikrostruktur dilakukan dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) yang ada di Pusat riset fisika LIPI, Serpong, Tangerang, Pengujian XRD dilakukan pada katalis konverter yang mempunyai kemampuan penurunan gas buang terbaik dibandingkan dengan katalis konverter komposisi komposisi yang lain. Ada pun spesifikasi alat XRD adalah sebagai berikut : Nama alat : Shimadzu X Ray Diffractometer

Type : XRD - 7000 2KW/ 3KW Tegangan Kerja : V = 20-60 KV

Arus : I = 80 mA (mili ampere)

Anode Type : Cu

Gambar 3.2 XRD Diffractometer, PUSPIPTEK-LIPI Serpong, Tangerang Selatan 3.12. UJI ABSORBSI GAS BUANG

Uji absorbsi gas buang dilakukan di Bengkel Sehat Motor, dengan menggunakan Gas Analyser, yang bekerja secara komputerisasi, pengujian dilakukan dengan menggunakan sampel aplikasi katalis konverter yang berbentuk silinder dengan cara menempatkan katalis konverter di bagian knalpot yang berdekatan dengan manifold mesin dan katalis konverter yang kedua diletakkan pada jarak sekitar 13 cm dari katalis konverter pertama dengan bantuan baut dan rumah katalis yang telah dipersiapkan sebelumnya, kemudian pengujian analisa gas dilakukan dengan memasukkan sensor pendeteksi gas buang ke ujung knalpot, pengujian untuk tiap sampel dilakukan selama 10 menit, dengan variasi putaran mesin dari keadaan normal (tanpa ditekan pedal gas) kemudian dinaikkan sampai 1000 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm, dan 3000 rpm, kemudian hasil uji emisi untuk tiap putaran mesin tercatat di layar komputer dan dicetak.

3.13. ANALISA KUALITATIF SCANNING ELECTRON MICROSCOPE (SEM)

Analisa kualitatif SEM akan dilakukan di PUSPIPTEK LIPI Serpong, Tangerang. Analisa SEM dilakukan pada tiga titik di sampel aplikasi filter / katalis konverter pada knalpot kenderaan bermotor yang mempunyai kemampuan penurunan gas polutan terbaik dibandingkan dengan katalis

konverter komposisi lainnya. Adapun spesifikasi alat uji SEM seperti pada gambar 3.3 adalah sebagai berikut:

Type : JEOL USA JSM 6390 SEM

Resolusi : 3 nm

Voltase pemercepat : 0.5 – 30 Kv Pembesaran : 5 – 300.000 kali

Filamen : Hairpin filament (auto bias)

Lensa objektif : Lensa super conical

Aperture lensa objektif :Tiga posisi, dapat dikontrol dalam arah x/y

Gambar 3.3 Scanning Electron Microscope, PUSPIPTEK-LIPI Serpong, Tangerang Selatan

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Telah dilakukan pengukuran, pengujian dan analisa terhadap sampel dengan menggunakan jangka sorong, neraca Ohauss, alat uji tekan, alat uji permeabilitas, XRD dan gas analyser.

4.1 Massa Jenis

Dari hasil pengukuran terhadap dimensi katalis (lampiran A) yang diolah untuk menentukan massa jenis dengan menggunakan persamaan 2.1, maka diperoleh hasil pada tabel 4.1.

Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Densitas Katalis Konverter Wire Mesh

Sampel

Massa Jenis rata rata Katalis

(g/cm3)

Komposisi I (100%TiO2 dan 0% FeO) 0.55

Komposisi II (80% TiO2 dan 20% FeO) 0.57

Komposisi III (60% TiO2 dan 40% FeO) 0.57

Komposisi IV (40% TiO2 dan 60% FeO) 0.56

Gambar 4.1 Grafik Massa Jenis – Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh Dari gambar 4.1, massa jenis komposisi II – V cenderung lebih tinggi bila dibandingkan dengan komposisi I karena pada komposisi II – V terdapat bahan campuran FeO yang mempunyai massa jenis yang lebih tinggi dari pada massa jenis TiO2

4.2. Porositas .

Dari data hasil pengukuran dan perhitungan terhadap volume sampel pada lampiran C dengan menggunakan persamaan 3.1 dapat diperoleh tabel 4.2.

Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Porositas

Sampel Katalis Konverter Porositas

Rata rata Katalis (%)

Komposisi I (100%TiO2 dan 0% FeO) 68

Komposisi II (80% TiO2 dan 20% FeO) 66.74

Komposisi III (60% TiO2 dan 40% FeO) 67.33

Komposisi IV (40% TiO2 dan 60% FeO) 66.27

Komposisi V (20% TiO2 dan 80% FeO) 69.11

0,54 0,545 0,55 0,555 0,56 0,565 0,57 0,575

Komposisi I Komposisi II Komposisi III Komposisi IV Komposisi V

M a ssa J e ni s ( g /c m 3)

Gambar 4.2 Grafik Porositas – Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh Nilai porositas mempunyai jangkauan 66.27% - 69.11%. Dari gambar 4.2 dapat disimpulkan komposisi bahan tidak berpengaruh pada nilai porositas, perbedaan pada nilai porositas disebabkan oleh residu logam katalis yang mungkin masih tinggal di kawat/wire mesh sehingga menurunkan volume ruang kosong pada katalis konverter. 4.3. Uji Permeabilitas

Permeabilitas dari katalis konverter yang dihasilkan diuji dengan menggunakan alat uji permeabilitas dan dihasilkan data tabel 4.3.

Tabel 4.3 Data Pengujian Permeabilitas Katalis Konverter Wire Mesh

Permeabilitas Permeabilitas

rata rata Komposisi I (100%TiO2 Sampel I dan 0% FeO) 88% 87%

Sampel II 85%

Sampel III 88%

Komposisi II (80%

TiO2

Sampel I dan 20% FeO)

95%

92%

Sampel II 91%

Sampel III 90%

Komposisi III (60% Sampel I 74% 67.7%

64,5 65 65,5 66 66,5 67 67,5 68 68,5 69 69,5

Komposisi I Komposisi II Komposisi III Komposisi IV Komposisi V

Por os it a s ( %)

TiO2 dan 40% FeO) Sampel II 75%

Sampel III 54%

Komposisi IV (40%

TiO2

Sampel I

dan 60% FeO)

82%

77%

Sampel II 68%

Sampel III 81%

Komposisi V (20%

TiO2

Sampel I dan 80% FeO)

77%

78.3%

Sampel II 77%

Sampel III 81%

Gambar 4.3 Grafik Permeabilitas – Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh Berdasarkan data pada gambar 4.3, diperoleh bahwa permeabilitas tertinggi diperoleh pada komposisi II yaitu pada 80% Titanium Oksida dan 20% besi oksida, sedangkan permeabilitas terendah diperoleh pada komposisi III yaitu pada 60% titanium oksida dan 40% besi oksida.

4.4. Uji Tekan

Uji tekan dilakukan untuk menentukan kekuatan tekan pada katalis konverter sehingga dapat diperoleh nilai kekuatan katalis wire mesh, hal ini dilakukan karena kondisi penempatan katalis konverter yang diikat dalam knalpot sehingga harus

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Komposisi I Komposisi II Komposisi III Komposisi IV Komposisi V

P er m ea b il ita s ( % )

mempunyai kekuatan untuk menahan tekanan dari baut dan getaran mesin. Katalis konverter wire mesh disusun tanpa batang besi pengikat dalam tabung besi kemudian ditekan dengan beban 1000 kg dan hasil uji tekan pada katalis konverter wire mesh

dapat dilihat pada tabel 4.4. sebagai berikut:

Tabel 4.4. Data Uji Tekan Pada Katalis Konverter Wire Mesh

Katalis Konverter Wire Mesh

Jarak penekanan

(x 10-3

Pembebanan (Kg) m)

Komposisi I (100%TiO2 dan 0% FeO) 30 1000

Komposisi II (80% TiO2 dan 20% FeO) 22 1000

Komposisi III (60% TiO2 dan 40% FeO) 19 1000

Komposisi IV (40% TiO2 dan 60% FeO) 11 1000

Komposisi V (20% TiO2 dan 80% FeO) 17 1000

Gambar 4.4. Grafik Jarak Penekanan Terhadap Komposisi Katalis Konverter Wire Mesh

Kekuatan tekan terbesar terdapat pada katalis konverter wire mesh dengan komposisi IV, dan kekuatan tekan terendah terdapat pada komposisi I. Hal ini

0 5 10 15 20 25 30 35

Komposisi I Komposisi II Komposisi III Komposisi IV Komposisi V

Jar ak P e n e k an an (x 10 -3m)

Jarak Penekanan - Komposisi katalis konverter Pada

Pembebanan 1000 Kg

menunjukkan campuran antara besi oksida dan titanium oksida mempunyai kekuatan tekan lebih besar dibandingkan dengan titanium oksida murni, akan tetapi kekuatan tekan akan turun kembali jika campuran didominasi oleh besi oksida.

4.5. Uji Absorbsi Emisi Gas Buang Kenderaan Bermotor

Pengujian absorbsi gas buang dilakukan mulai dari keadaan dimana knalpot mobil tanpa katalis, kemudian dilanjutkan dengan katalis konverter wire mesh dimulai dari komposisi I – V. Hasil rekapitulasi data pengukuran awal tanpa filter dan pengukuran dengan filter Katalis Konverter komposisi I – V dengan berdasarkan catatan data pada lampiran E, F, G, H, I, dan J dapat dilihat pada lampiran K.

Dengan demikian, grafik uji absorbsi emisi gas buang dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 4.5. Grafik Persentasi Absorbsi Gas CO Oleh Katalis Konverter Dari Tiap Komposisi -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

750 rpm 1000 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

Pe r se n ta si A b so r b si ( % )

Persentasi Absorbsi Gas CO - Putaran Mesin

Katalis K-I Katalis K-II Katalis K-III Katalis K-IV Katalis K-V

Gambar 4.6. Grafik Persentasi Absorbsi Gas CO2 Oleh Katalis Konverter Dari Tiap Komposisi

Gambar 4.7. Grafik Persentasi Absorbsi Gas HC Oleh Katalis Konverter Dari Tiap Komposisi -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

750 rpm 1000 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

Pe r se n ta si A b so r b si ( % )

Persentasi Absorbsi Gas CO

₂

- Putaran

Mesin

Katalis K-I Katalis K-II Katalis K-III Katalis K-IV Katalis K-V -80 -60 -40 -20 0 20 40

750 rpm 1000 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

P e rse nt a si A bso rbsi ( %)

Persentasi Absorbsi Gas HC - Putaran

Mesin

Katalis K-I Katalis K-II Katalis K-III Katalis K-IV Katalis K-V

Gambar 4.8. Grafik Persentasi Absorbsi Gas O2

Dari hasil yang ditunjukkan oleh grafik pada gambar 4.5 sampai dengan gambar 4.8 di atas, Katalis konverter wire mesh dari komposisi I-V lebih efektif pada putaran mesin rendah yaitu sekitar 750 – 1000 rpm dan absorbsi gas polutan CO, CO

Oleh Katalis Konverter Dari Tiap Komposisi

2 dan HC

yang terbaik didapat pada katalis konverter komposisi II yaitu 80% TiO2 dan 20% FeO,

yang mana berhasil menurunkan CO sebanyak 23.26%, CO2 sebanyak 4.92% dan HC

sebanyak 27.61% pada putaran mesin sekitar 700-800 rpm, serta menurunkan CO sebanyak 42.42%, CO2

Grafik gambar 4.9 menunjukkan keunggulan katalis konverter wire mesh

dengan komposisi II pada putaran mesin 700-800 rpm dan 1000 rpm.

sebanyak 1.81% dan HC sebanyak 24.64% pada putaran mesin 1000 rpm. Hal ini juga dikarenakan pada komposisi tersebut katalis konverter wire mesh mempunyai nilai permeabilitas terbesar sehingga reaksi redoks yang terjadi juga semakin efektif. -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

750 rpm 1000 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm

A x is Ti tl e

Persentasi Absorbsi Gas O

₂

- Putaran

Mesin

Katalis K-I Katalis K-II Katalis K-III Katalis K-IV Katalis K-V

Gambar 4.9 Grafik Absorpsi Gas CO, CO2

Meskipun ada keunggulan katalis komposisi IV dalam absorbsi CO

dan HC Pada Putaran Mesin 700-800 rpm.

2, akan

tetapi absorbsi CO dan HC jauh lebih tinggi oleh katalis komposisi II, di samping itu gas CO dan HC lebih beracun dibandingkan dengan CO2, sehingga absorbsi gas

tersebut diharapkan lebih tinggi dibandingkan dengan CO2.

CO CO2 HC

Katalis K-I 13,95 3,5 25,65

Katalis K-II 23,26 4,92 27,61

Katalis K-III 16,28 4,51 21,52

Katalis K-IV 11,63 5,93 24,35

Katalis K-V 16,28 5,05 24,57

0 5 10 15 20 25 30 Pe r se n ta si a b so r p si (% )

Grafik Persentasi Absorpsi Gas Buang

Pada 700-800 rpm

Gambar 4.10 Grafik Absorpsi Gas CO, CO2

Dari grafik absorbsi pada gambar 4.5 – 4.8 dan gambar 4.10, data yang menunjukkan absorbsi negatif disebabkan oleh volume katalis konverter (lebih kurang 2 x 385 cm

dan HC Pada Putaran Mesin 1000 rpm.

3

) yang tidak memadai jika dibandingkan dengan volume ruang bakar mesin (lebih kurang 1497 cm3) sehingga luas permukaan aktif katalis juga kurang memadai dan jumlah reaksi redoks yang terjadi tidak seimbang dengan jumlah gas yang masuk dari ruang pembakaran mesin ke katalis konverter. Hal ini dapat dilihat dari kenaikan jumlah HC dan CO yang dikeluarkan setelah pemasangan katalis konverter wire mesh

CO CO2 HC

Katalis K-I 36,36 0,56 3,21

Katalis K-II 42,42 1,81 24,64

Katalis K-III 7,58 1,67 -17,14

Katalis K-IV 21,21 4,53 -23,57

Katalis K-V 39,39 3,34 -4,64

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Pe r se n ta si a b so r p si (% )

Grafik Persentasi Absorpsi Gas Buang

Pada 1000 rpm

yang terjadi pada putaran mesin relatif tinggi, ini dikarenakan adanya akumulasi gas yang tertahan pada katalis konverter, sehingga jumlah yang dikeluarkan menjadi bertambah, akan tetapi hal ini dapat diatasi dengan memperluas permukaan dari katalis konverter dengan cara memperbesar volume katalis konverter wire mesh.

Absorbsi gas CO, CO2 dan O2 menunjukkan adanya proses foto katalis yang

terjadi sesuai dengan karakteristik TiO2, hal ini terjadi karena adanya proses

pembakaran yang menghasilkan sinar UV sehingga permukaan TiO2 dapat

mengabsorbsi gas CO, CO2 dan O2. Selain itu juga terjadi oksidasi CO dan HC yang

menghasilkan H2O dan CO2, dimana CO2 kembali diabsorbsi oleh permukaan TiO2

sebagai akibat proses foto katalis, sehingga jumlah total CO2

Penurunan jumlah oksigen diakibatkan oleh adanya proses foto katalis dan adanya proses oksidasi gas CO dan HC menjadi H

yang dikeluarkan ke ujung knalpot menjadi berkurang.

2O dan CO2

4.6. Uji X-Ray Diffraction (XRD)

sesuai dengan reaksi yang terdapat pada three way catalytic converter. Oksigen yang diabsorbsi maupun yang terpakai untuk proses oksidasi adalah berasal dari udara bebas yang terdapat dalam catalytic converter. Dengan demikian maka jumlah total oksigen yang dikeluarkan ke ujung knalpot juga berkurang.

Uji XRD dilakukan di PUSPIPTEK-LIPI, Serpong, Tangerang Selatan, bertujuan untuk melihat substansi / zat yang terbentuk di katalis konverter. Hasil uji XRD dapat dilihat di bawah ini:

Sudut 2 θ (º)

Gambar 4.11 Grafik XRD Bahan Katalis Konverter Komposisi II

Dari grafik gambar 4.11 diperoleh tiga puncak yang tertinggi pada sudut 2θ = 25.3435º , 36.9821º dan 48.0776º, yang menunjukkan bahwa substansi pada bahan katalis didominasi oleh TiO2 dengan struktur kristal Anatase dan dengan bantuan

persamaan Scherer diperoleh ukuran partikel kristal = 40.5 nm (Lampiran K). Puncak puncak lain dalam proses search-match tidak ditemukan kecocokan yang signifikan karena banyak puncak puncak grafik yang saling bertindihan dan juga menyebabkan

Intensitas (cps)

ketidakjelasan puncak puncak yang spesifik. Walaupun demikian setelah disidik dengan metode Hanawalt diperoleh kemungkinan adanya γ Fe2O3 serta CaFeSiO4

4.7 Uji Scanning Electron Microscope (SEM)

.

Uji SEM terhadap katalis konverter wire mesh juga dilakukan di PUSPIPTEK-LIPI, Serpong, Tangerang Selatan, bertujuan untuk melihat mikrostruktur zat penyusun lapisan / coating pada wire mesh. SEM dilakukan pada tiga titik pada tiap bagian komposisi I, II dan V. Hasil SEM dari komposisi I dapat dilihat pada gambar 4.12 dan 4.13.

Gambar 4.12 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi I Pada Titik Pertama Dengan Pembesaran 15000 kali

Gambar 4.13 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada Titik Pertama

Tabel 4.5 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada Titik Pertama

Dari analisa ZAF tabel 4.5 terdapat unsur Natrium, Sulfur, Klorida, dan silikon berasal dari campuran sodium metasilikat (Na2SiO3) dan sodium metabisulfit

(Na2S2O5) serta sisa rendaman asam klorida, sedangkan Ti dan Fe berasal dari

campuran senyawa TiO2 dan FeO serta substrat kawat besi. Unsur kalsium yang

pelapis kawat mesh yang tersisa karena sisa reaksi pada perendaman kawat mesh dalam HCl.

Pada gambar 4.12 terlihat bahwa TiO2 yang terbentuk bergerombolan dan tidak merata

pada permukaannya menunjukkan mudahnya terjadi absorbsi pada proses foto katalis dan dapat dilihat juga banyaknya pori diantara butiran TiO2 sehingga hal ini dapat

menaikkan porositas pada bahan katalis. Unsur Silikon yang terbentuk pada analisa ZAF cukup tinggi sekitar 17.49 % yang berfungsi sebagai perekat pada bahan katalis pada substrat, sehingga lapisan katalis pada kawat mesh lebih kuat ikatannya dibandingkan dengan komposisi yang lain (coating-annya tidak mudah terkelupas).

Gambar 4.14 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi I Pada Titik Kedua Dengan Pembesaran 15000 kali

Gambar 4.15 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada Titik Kedua

Tabel 4.6 Data Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada Titik Kedua

Hasil SEM pada titik kedua pada gambar 4.14 dan 4.15 ini hampir sama dengan titik pertama, hanya saja terdapat impuritas lain yaitu magnesium. Zat yang lain berasal dari campuran yang sudah disebutkan di atas. Gambar 4.14 ini juga memperlihatkan porositas yang besar pada substansinya.

Gambar 4.16 Coating Pada Kawat Mesh Komposisi I Pada Titik Ketiga Dengan Pembesaran 15000 kali

Gambar 4.17 Grafik Analisa ZAF Method Quantitative Analysis Komposisi I Pada Titik Ketiga

Lembaran Katalis Konverter setelah disusun dan diikat dengan batang besi pengikat.

Pengujian Gas Buang Mobil Yaris 2006 Dengan Gas Analyser dan Ultrascan di Bengkel Sehat Motor – Sei Batanghari, Medan.

Pengambilan Data Suhu Katalis Konverter Wire Mesh Pada Saat Beroperasi

Sensor Gas Analyser Yang Dimasukkan ke Ujung Knalpot.

Penempatan Katalis Konverter pada knalpot

Penempatan Posisi Katalis Konverter Pada Saat Aplikasi

Pengukuran Katalis Konverter Toyota Yaris 2006 (1190.31cc) Yang Mempunyai Volume Tiga Kali Lebih Besar Dari Pada Katalis Konverter Wire Mesh (385 cc).