Penggantian Katalis Tembaga Menjadi Besi Pada Prototipe Ntp-Katalis Dalam Mereduksi Emisi NOx - ITS Repository
T~
.. 8T1TUT
l&~i,JM
ft•'IOI..Oel
~-
• •
TUGASAKHJR
(LS 1336)
PENGGANTIAN KATALIS TEMBAGA MENJADI
BESt PADA PROTOTIPE NTP- KATALIS DALAM
MEREDUKSI EMISI NOx
{(\fSf
b2-3.g }L )b
fJ~'hv
(J - I
~er
.,
~1.
Disusun Oleh :
___
I 1' S
-.·
-:~
.
Te~·
,
Jy-
'Fer' uta I · ai
·-·-· ·--
-·
sAPTo PAMBuol N......... P,...l
-~
?~J.
NRP. 4200 100 011
JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN
FAKULTASTEKNOLOGIKELAUTAN
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NO PEMBER
SURABAYA
2005
f} - ~-;
f)
r f)
LEMBAR PENGESAHAN
TUGASAKHIR
PENGGANTIAN KATALIS TEMBAGA MENJADI
BESI PADA PROTOTIPE NTP- KATALIS DALAM
MEREDUKSI EMISI NOx
Diajukan guna memenuhi salah satu syarat untuk
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Pad a
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan
Fakultas Teknologi Kelautan
Institut TeknoiDgi Sepuluh Nopember
Surabaya
Surabaya,
Agusfus 2005
Mengetabui I Menyetujui,
Ir. M. Orianto, BSE. MSc.
NIP. 130 786 955
JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN
FAKULTASTEKNOLOGIKELAUTAN
lNSTlTUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABA Y A
KAMPUS ITS KEPUTffi SUKOLILO SURABAYA 60111
Telp. (031) 5994754, 5994251-55 Pes. 1102, Fax. 5994754
SURAT KEPUTUSAN PENGERJAAN TUGAS AKHIR
(LS 1336)
Sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada jurusan
Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Ke1autan ITS, maka perlu
diterbitkan surat Keputusan Pengerjaan Tugas Akhir yang memberikan tugas
kepada mahasiswa tersebut dibawah ini untuk mengeijakan Tugas sesuai judul
dan lingkup bahasan yang telah ditentukan.
Nama Mahasiswa
NRP
Dosen Pembimbing
: Sapto Pambudi
: 4200 100 011
1. Ir. Aguk Zuhdi MF, MEng
2. Ir. M.Orianto, BSE. MSc.
Tanggal diberikan tugas
Tanggal diselesaikan tugas :
J udul Tugas akhir
PENGGANTIAN KATALIS TEMBAGA MENJADI BESI PADA PROTOTIPE
NTP - KATALIS DALAM MEREDUKSI EMISI NOx
Surabaya,
Yang menerima tugas :
Mahasiswa
Sapto Pambudi
NRP. 4200 100 011
Ir. M . Orianto, BSE.MSc.
NIP. 130 786 955
C:Xupurscmbt£hktm 'Uuga:f ~khir
ini /mat
~t£h
dtm @buku tercinlt£
ABSTRAK
Pengembangan technologi plasma untuk mereduksi emisi sudah mulai
banyak dibidik oleh para pakar ernisi dan pemerhati lingkungan hidup. Khususnya
dalam bidang mesin diesel yang kadar emisi NOx menjadi masalah terbesarnya.
Para pakar telah mulai mencari kombinasi yang sesuai antara teknologi plasma ini
dengan teknologi kimia katalis. Sebagaimana penelitian yang telah ada, sebuah
prototype NTP - Katalis tembaga yang sedianya mampu mengurangi emisi
ternyata menunjukkan hasil yang kurang optimal. Penyerapan emisi yang kurang
optimum tersebut disebabkan karena tidak sesuainya tembaga digunakan sebagai
katalis untuk mesin diesel.
Tugas Akhir ini mempresentasikan penggunaan treatment Non-thermal
plasma yang dikombinasikan dengan katalis besi untuk mereduksi emisi NOx
pada motor diesel sebagai pengembangan dari prototype NTP - Katalis Tembaga
yang telah ada. Tugas Akhir ini bertujuan untuk membuktikan performa besi
sebagai katalis. Dalam Tugas Akhir ini terbukti bahwa besi telah berhasil
mereduksi emissi NOx meskipun tingkat keaktifannya kurang begitu signifikan.
Dengan katalis besi, torsi maksimurn mengalami kenaikan sebesar 3.64% dari
standard, daya maksimumnya dapat dipertahankan sama dengan standard. Dengan
katalis besi effisiensi efektifuya dapat dinaikkan 10% lebih baik dari pada katalis
tembaga.
v
ABSTRACT
Development of plasma technology to reduce the emission have started a
lot of aimed at by all expert of emission and environment observer. Specially in
the field of diesel engine which rate of emission NOx become his biggest problem.
All expert have started to look for the appropriate combination among plasma
technology and chemical catalyst technology. As research which there have, a
prototype NTP - Copper Catalyst which is as ready as able to lessen the emission,
in the reality show the result which less be optimal. Emission absorbtion which
less be the optimum caused by inappropriate copper used as catalyst for the diesel
engine.
This Final Project present the use of Non -Thermal Plasma treatment
combined by iron catalyst to reduce the emission NOx at diesel motor as
development from prototype NTP - Copper Catalyst which there have. This Final
Project aim is to prove the performa iron as catalyst. In this Final Project is
proven that iron have succeeded to reduce the emissi of NOx although its activity
level less so significant. By iron catalyst, maximum torsi experiencing of increase
equal to 3.6-1% from standard, the maximum power defensible as equal as
standard. By iron catalyst, it effective effisiensi can be boosted up 10% is better
than at copper catalyst.
VI
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap puji syukur Alhamdullilah kepada Allah SWT yang
telah memberikan Rahmat dan Hidayahnya berupa kesehatan & ilmu pengetahuan
sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini pada waktu yang telah
ditentukan.
Penyusunan Tugas akhir ini merupakan persyaratan untuk memperoleh
gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi
Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Tugas akhir yang disajikan
dalam bentuk laporan tertulis sebagai bentuk ilrniah.
Dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini, penulis menyadari bahwa
masih jauh dari yang diharapkan untuk itu kritik dan saran yang bersifat
mernbangun akan selalu saya terima demi sempurnanya laporan ini .
Akhimya penulis hanya bisa berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi
penulis dan para pembaca serta bagi sernua pihak didalam rnengembangkan
wacana ilmu pengetahuan dan teknologi . Tidak lupa penulis juga berdo' a mudahmudahan amal ibadah dan baik budi semua pihak yang telah membantu dan
membimbing penulis dalam mengerjakan tugas ini senantiasa rnendapat ridlo dari
Allah SWT.
Surabaya, Agustus 2005
Penulis
Vll
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih yang mendalam atas segala bentuk bantuan dan
dorongan yang telah diberikan, penulis sampaikan dengan tulus kepada :
1. Bapak dan Ibu tercinta yang telah mencurahkan kasih sayang dan dorongan
materiil maupun moril sehingga penulis bisa menyelesaikan kuliah di jurusan
Teknik Sistem Perkapalan, FTK- ITS.
2. Bapak Ir Aguk Zuhdi, MF. MEng. dan Bapak Ir. M.Orianto, BSE. MSc.
selaku Dosen Pembimbing dalam pengeijaan Tugas Akhir ini.
3. Bapak Ir. Surjo Widodo Adji, M.Sc, selaku Kepala Jurusan Teknik Sistem
Perkapalan FTK- ITS.
4. Bapak Ir. RO. Saut Guming, MSc selaku ketua Laboratorium Mesin Kapat,
yang telah memberikan ijin untuk menggunakan mesin diesel untuk pengujian.
Dan Bapak Agus dan Mas Nur selaku Teknisi Laboratorium Mesin Kapal
yang selalu menemani setiap pengambilan sample.
5. Temanku Faatikhul Muskhaf, ST. yang telah memberikan saran untuk
meneruskan idenya serta Deni Sudarman, Ali "Aloth" Muhtar ST. dan Fauzi
"ujret" Triono yang dengan rela hati menemaniku melakukan pengujian
prototip.
6. Arif Sukamo yang telah banyak membantu dalam pembuatan prototip,
pegawai BTKL Surabaya terutama Pak Sugianto yang telah membantu dalam
pengambilan sample prototip.
7. Ternan sepeijuanganku Usman Wijanarko yang ikut merasakan susah dan
senangnya mencari dan membuat prototip hingga akhir pengujian, angkatan
2000 yang ada di lab. Mesin Fluida dan Sistem, Aries "simbah" dwi laksono,
Yues "Yueshida" agus setiawan, Wahyu "wakjoe" widiantoko, Bayu
"badjoel" kusuma SPI, Rudi "Jayman" gustaman, Teguh "Solo/Rojomolo"
heru hariyanto, ternan di lab. Studio 3-D dan Komputasional, Dwi "tumtum"
agung mulyan, Didiet "Ndut" Eka Baskoro, yang telah memberi semangat
Vlll
kepada penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan, serta semua
ternan - ternan yang tidak bisa disebutkan satu persatu.
8. Terkhusus buat temenku Afifah Afriani yang selalu ada disetiap detak nadiku,
yang selalu rnernberikan do' a dan dorongan sernangat serta tauziah saat aku
lagi rnalas dalarn mengerjakan Tugas akhir ini. Dan juga dewi puspa sari, yang
selalu memberikan do' a dan dorongannya serta membuatku sering merasakan
kebahagiaan dikala sedang suntuk dalam mengerjakan Tugas Akhir ini.
9. Sernua pihak yang telah berpartisipasi banyak dalam membantu penyelesaian
Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.
IX
DAFTAR lSI
.HALAMAN JUDUL . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. i
LEMBAR PENGESAHAN ..... .. ........... ..... ......... ... .. .. ... ........... . ... ii
SURAT KEPUTUSAN PENGERJAAN TUG AS AKHIR ......... .. ......... iii
HALAMAN PERSEMBAHAN ................... ... ... ... ........ ........ . ... ... iv
ABSTRAK .... .... . ............... .. ... . ....... .. ..... . ...... ..... . ... ............. .. v
ABSTRACT .. . ............ ........ . ........... . ................... ........ ... .. . .. ... vi
KATA PENGANTAR ... ... ... ............... .............. . ... ..... . .. . ..... . ..... vn
UCAP AN TERIMA KASIH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vm
DAFT AR lSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
X
DAFT AR G AMBAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Xlll
DAFT ART ABEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XIV
DAFT AR GRAFrK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XV
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang...... .... .. ... .... ........... .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I-1
1.2 Perumusan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............ ... . I-4
1.3 Tujuan Penulisan............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. I-5
1.4. Manfaat Tugas Ahir. .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .
l-5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.l . EMISI .... ...... ..... . .. . .... ...... .. ... ... .. ........... .... .. .... ....... II-1
2.1.1. Emisi Gas Buang Motor Diesel.. ... . ........ .. .... .. ... .. ...... Il-l
2.1.2. Pembentukan Ernisi Nox ............ .... ........ ...... ........... II-4
2.1.3.Prosedur Perhitungan Emisi Mesin Diesel. .... ........ . ....... Il-7
2.1.4. Review Teknologi Pengontrolan Emisi Nox Motor Diesel.. II-9
X
2.2. KATALIS ............ ......... .. ..... ... ................. .... ........ ...... .II-10
2.2.1 . Pengertian Katalis... . .. . . . . .. ... ... . . . ... ... . . . ... ... . .. ... ... ... Il-1 0
2.2.2. Komponen Catalytic converter ................................. Il-10
2.2.3 . Tipe- tipe Catalytic converter .................................
II-14
2.2.4. Energi aktivasi dan Katalisis..... .. .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... U-15
2.2 .5. Teori Katahsis ...................................................... Il-l 5
2.2.6. Mekanisme Katalisis .......... .. ..... . .. .... .. ....... ........... ... II-17
2.2.7. Catalysis on surface ............ ... ................................ . 11-18
2.3. PLASMA ........................................... ............... ...... ... Il-20
2.3.1. Pengertian Plasma ............... ......................... .. ........ II-20
2.3.2. Reaktor Plasma.................... .. ...... ...... .......... .. .. ...... II-22
2.3 .3. Penerapan NTP untuk Mengatasi Emisi NOx .... ... .. .... .... Il-25
2.3.4. Formulasi perhitungan dalam Non-Thermal Plasma .... .... II-26
BAB ill. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Metode.. .......................... .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-1
3.2. Persiapan... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III-5
3.3. Peralatan Uji. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . .
III-5
3.4. Engine Set-Up....... .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III-8
3.5. Pengujian... ... ... ... ... ... ... .. . .. . ... ... .. . ... ... ... ... .. . ... ... ... ... .
lii-15
BAB IV. PEMBUATAN PROTOTIPE
4.1. Reaktor Non-Thermal Plasma.. ...... .. ... .......... .. .... ........ ..
IV-l
4 .1. 1. Desain Reaktor . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
IV -1
4.1 .2. Gambar desain Reaktor Non-Thermal Plasma (NTP) ... ... IV-2
4.2. Konverter Katalis Tembaga (Copper Catalytic Converter) ........ IV-3
4.2.1. Desain Copper Catalytic Converter... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV -3
4.2.2 . Gambar desain Catalytic Converter Tembaga ................ IV-3
XI
4.3. Konverter Katalis Besi (Iron Catalytic Converter) .. ........ .. ...... IV-4
4.3.1. Desain Iron Catalytic Converter ... ....... . ......... .. . ... ....... IV-4
4.3.2. Perhitungan kekuatan pengonversian Catalytic Converter ... IV-4
4.3.3. Gambar desain Catalytic Converter Besi .................... . IV-7
4.4. Foto Prototipe ..... .................................. .... .................. IV-9
BAB V. ANALJSA DATA DAN PEMBABASAN
5.1. Data dan Pengolahan Hasil Pengujian.......... .. .... ... ............... V- 1
5.2. Pembahasan Pengujian Prototipe ....................................... IV-6
5.2 .1. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Kenaikan Torsi Maksimum ... ................................... IV-6
5.2.2. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Kenaikan Day a Maksimum . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. IV -7
5.2.3 . Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Perubahan SFOC ............................ .. ..................... IV-8
5.2.4. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Kenaikan Efisiensi Effektif . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. IV -10
5.2.5. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Tingkat Penurunan NOx . . . . .................... .... . ............ IV -11
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN
6.1. Kesimpulan... ... ..... .. . .. . .. . ... ... .. . ... . .. ... ... ... . .. . .. ... . .. ... ...
VI-1
6.2. Saran ... . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ...
VI-2
DAFTAR PUSTAKA ........... . ...................... ........... .. .... ...........
L AMP IRAN
Xll
XVI
DAFTAR GAMBAR
Gam bar 2.1. Metalic Honeycomb Catalytic Converter .... ... .... . ............ ll-11
Gam bar 2.2. Ceramic Honeycomb Catalytic Converter ... ...... .......... .. II-11
Gam bar 2.3. Konstruksi Monolith Catalytic Converter............. ........
II-11
Gam bar 2.4. Ceramic Pellets Catalytic Conerter. .. ... . . . .. . ... .. . .. . . . .
H-12
Gam bar 2.5. Proses Reaksi pada Catalytic Converter Three-way ......
II-13
Gambar 2.6. Adsorpsi dari molekul reaktan .. . ........... . .. .... ....... ...... .. . II-14
Gambar 2.7. Pembentukan Complex Active ......... .... .. .............. . .... .. Il-15
Gambar 2.8. Decomposisi Complex Active ...... .. .... .. . ..... . ....... ...... ... II-15
Gam bar 2.9. Produk Desorpsion ......................... .. .. .. .................. . II-16
Gam bar 2.10. Diagram perhitungan reaksi isothermal/non - isothermal
dari suatu katalis ...................... .. .. .. ....... . ..... . ... .. ...... ll-18
Gambar 2.11. Proses Pembentukan Atom dari Molekul.. ............. ....... ... II-20
Gam bar 2.12. Struktur dan proses pembentukan Plasma ... .. ......... . ........ II-21
Gam bar 2.13. Kondisi molekuler gas dan Plasma ..... .... .. .. .... . .. . .. . ........ II-21
Gam bar 2.14. Konstruksi Dielectric Barrier Discharge ..................... ..... II-23
Gam bar 3.1. Flowchart pengerjaan Tugas Akhir ........................ ...... .. III-2
Gambar 4.1. Desain Reaktor NTP .. .. ................. . ..... . ..... . ........ . ...... IV-2
Gam bar 4.2. Desain Katalis Tembaga ................................ ..... . .... IV-3
Gambar 4.3. Desain Katalis Besi .. .. ................. .............. .......... .... IV-7
Gambar 4.4.
Desain Prototipe Reaktor NTP-Katalis Besi. .. ... ... ... ... ...
IV-8
Gambar 4.5. Foto Prototipe Reaktor NTP lengkap dengan Trafo ........ . .. IV-9
Gambar 4.6. Foto Prototipe Katalis tampak atas ......... .. ........... .. ...... IV-10
Gam bar 4.7. Foto Prototipe Katalis tampak samping .. . ................. . ... . IV-10
Gam bar 4.8
Foto Prototipe NTP-Katalis Besi Lengkap . . . . . . . . . . . . ... . . . ... IV -11
Xlll
DAFTAR TABEL
Tabell.l. Standar emisi NOx aturan Marpol Annex VI.. .................. . I-2
Tabell.2. Standar emisi motor diesel aturan EPA ............................ I-3
Tabel3.1. Spesifikasi Motor Diesel Uji ........................................ III-6
Tabel3.2. Spesifikasi Generator ................... . ................. ... ...... ...... III-7
Tabel3.3. Rum us - rumus perhitungan performa engine ...... ....... ... .. .. III-1 0
Tabel3.4. Data performance diesel hasil kaliberasi ........................... III-11
Tabel3.5. Data perhitungan kaliberasi Engine ................................... . III-13
Tabel3.6. Beban - beban yang digunakan dalam kaliberasi prototipe ..... III-14
Tabel 5.1. Hasil Pengambilan Data Pengujian Standard ...................... V -1
Tabel5.2. Hasil Pengambilan Data Pengujian NTP - Katalis
Tembaga (NTPKT) .. . .. . ................. .... .................. . .... V-2
Tabel5.3. Hasil Pengambilan Data Pengujian NTP- Katalis
Besi (NTPKB) .................. ...... .. ...... ............... . ..... . . V-2
Tabel5.4. Hasil Pengolahan Data dan Pengamatan Grafik ................... V-5
Tabel5.5. Prosentase Hasil Pengolahan Data dan Pengamatan
Grafik ............. ............ ... ... .. . ..... . .. . .............. . .......... V-5
Tabel5.6. MARPOL ANNEX VI NOx Emission Limits .... ..... ... .... ... . V-14
XlV
DAFTAR GRAFIK
Grafik 1.1 . Grafik standard emisi NOx motor disel aturan Marpol
annex VI ... .. .................... ............ ... .................... ... I-2
Grafik 2.1. Level emisi NOx v.s. Air-Fuel ratio ... ............. ...... .. ..... .. II-2
Grafik 2.2. Konsentrasi NOx v.s. Temperatur pembakaran .................. II-5
Grafik 3.1. Grafik trendline performance diesel pada putaran 2300 rpm ... Ill-11
Grafik 3.2. Grafik trendline performance diesel pada putaran 1900 rpm ... III-12
Grafik 3.3. Grafik performance kaliberasi engine ....... ....... ... ............. III-14
Grafik 5.1. SFOC vs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian 1900 rpm ... V-3
Grafik 5.2. SFOC vs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian 2300 rpm ... V-3
Grafik 5.3. Efisiensi Effektifvs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian
1900 rpm ......................... ..... .. ..................... .... ...... V-4
Grafik 5.4. Efisiensi Effektifvs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian
2300 rpm ....................... .. ..... .. ........... .... ................ V-4
Grafik 5.5. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap Torsi
Maksirnurn pada 1900 RPM .............................. . ... ...... V-7
Grafik 5.6. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap Daya
Maksirnurn pada 2300 RPM ........................................ V -8
Grafik 5.7. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap SFOC .......... V-9
Grafik 5.8. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap Efisiensi
Effektif ....................... .... ........ .. .......... .. ............... V-11
Grafik 5.9. Efek Test Cycle terhadap Nilai Weighted Brake Specific
Emission pada Variasi perlakuan pengujian 1900 RPM. ... .. V-12
Grafik 5.10. Efek Test Cycle terbadap Nilai Weighted Brake Specific
Emission pada Variasi perlakuan pengujian 2300 RPM. ..... V-12
Grafik 5.11. Prosentase perubahan Tingkat Emisi NOx dengan Acuan
Kondisi Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. V-13
Grafik 5.12. Nilai NOx berdasarkan Standard regulasi IMO terhadap
Perlakuan pengujian Torsi Maksimum dan Daya Maksimum .. . V-15
XV
Ibnul Muqaffa' berKata Kepada anal<
0
z
50{) .
1500
1000
ADIABATIC FLAME TEMPERATURE {K"J
Grafik 2.2. Konsentrasi NOx v.s. Temperature Pembakaran.
2. Mekanisme Prompt NOx.
Mekanisrne kedua pembentukan NOx pada proses pembakaran adalah
melalui mekanisme prompt NOx. HydroCarbon radikal dapat bereaksi dengan
molekul nitrogen untuk membentuk hydrogen sianida dan atom nitrogen.
HC + N 2
~H
CN
...... (7)
+N
Atom nitrogen ini bereaksi dengan kelompok hidrocxyl atau radikalradical dalam pembakaran untuk membentuk NO dan atom hydrogen .
II -5
......... (8)
N+OH~
Mekanise ini menjadi semakin menguat ketika kondisi operasi pada
keadaan bahan bakar yang tinggi (rich mixture). Kualitas bahan bakar yang
diinjeksikan akan berperan penting terhadap pembentukan prompt NOx. Tidak
seperti thermal NOx, temperature ambang untuk pembentukan prompt NOx
dibawah 1600 K. Satu-satunya solusi untuk meminimalkan pembentukan prompt
NOx adalah dengan menghindari terjadinya sisa hidrocarbon radikal, hal ini
berarti bahwa pernbakaran harus terjadi secara sempurna. Untuk rnencapai hal ini
dapat digunakan catalityc combustion.
3. Mekanisme Nitrous Oxide.
Reaksi fase gas yang menyebabkan pembentukan N20 pada bahan bakar
fosil adalah sbb :
NCO+ NO ~
+
NH
NO
~
...... (9)
N 2 0 + CO
... (10)
N 2 0+H
Pada pembakaran gas alam, penambahan utama dikontribusikan oleh
interaksi antara molekul nitrogen dan oksigen yang ada pada carnpuran bahan
bakar lean pada temperatur rendah.
0.50 2 + N 2 +M ~
.............. (ll)
N 2 0+M ·
langkah utama untuk membuang N 20 adalah melalui reaksi-reaksi berikut :
H + N 20
0+ N 20
0
+
N
2
~
~
0~
(12)
N 2 +OH,dan
N 2 +0 2
••••••••
N O+N
•••••••••
•
•
hhh
h.
•
•••••••••••••••••••••••••••••••••••
•••••••••••••••••• • •••••••••••• ••••••••••
(13)
(14)
Untuk temperature diatas 1500 K, lifetime N 20 lebih kecil dari 10 ms. Oleh
karena itulah, kecuali untuk temperatur pembakaran yang rendah, pembentukan
nitrous oxide tidak begitu signifikan.
Mekanisme fuel NOx.
Nitrogen
yang
terkandung
dalarn
bahan
bakar
pertarna-tama
dikonversikan menjadi hydrogen sianida, kemudian bereaksi dengan spesies NHx
misalnya ammonia yang pada akhimya akan terbentuk NO dan N2. Proses ini
II -6
hanya bergantung pada kandungan N yang terkandung dalam campuran bahan
bakar
fuel- N
~
HCN
~
NHx
~
NO
- (15)
Salah satu penyelesaian untuk menghindari terbentuknya NOx adalah
melalui hydro-denitrogenation pada bahan bakar. Altematif penyelesaian yang
kedua adalah dengan penggunaan bahan bakar yang kandungan nitrogennya
rendah.
Untuk bahan bakar yang tidak mempunyai kandungan sulfur, maka hanya
tiga mekanisme pertama yang terjadi.
2.1.3. Prosedur Perbitungan Emisi Mesin Diesel
Prosedur perhitungan menurut ISO 8178 meliputi dua hal yaitu putaran
percobaan (test cycles) dan stage variasi proses actual perhitungan emisi yang
digunakan untuk merubah konsentrasi pengukuran kedalam nilai pengereman
spesifiknya (brake specific value, gram/kWh) pada tiap jenis emisi. Prosedur
perhitungan yang terangkum dalam ISO 8178 tersebut meliputi :
!. t.xhaust gas mass flow rate
2. Dry-gas to wet gas basis convert ion factors
3. Ambient condition correction factors for NOx
-+. Emissions rates
5. Weighted specific emissions value
6. Test condition parameter
Sebelum dilakukan perhitungan sebagaimana procedure ISO 8178 tersebut
ditentukan putaran percobaan (diesel engine test cycles) yang akan digunakan
dalam penguj ian dan pengambilan parameter perhitungan. Bab 4 dari ISO 8178
menunjukkan detail dari variasi putaran percobaan dari range beberapa aplikasi
pembebanan. Untuk marine diesel engine rnenggunakan percobaan tiga putaran
(three test cycles) dengan prinsip utamanya adalah sebagaimana Tabel 2.1
II -7
Table 2.1 Putaran percobaan pembebanan marine diesel engine
Cycle
Duty
D2
Intermittently loaded generator engine
E2
Constant speed propulsion engine
£3
Propeller speed curve propulsion engines
load sequence
engine load points & per cent full load
test
cycle
WF
WF
WF
WF
WF
100%
75%
50%
25%
10%
D2
0.05
0.25
0.30
0.30
0.10
E2
0.20
0.50
0.15
0.15
-
E3
0.20
0.50
0.15
0.1 5
-
100
91
80
63
-
E3 speed
%
Brake specific NOx (BS NOx)
Jika kadar NOx da]am satuan ppm dikonversi dalam satuan
~Wh,
maka
cara pehitungannya sesuai rumusan dari SAE Handbook (SAE Jl003) adalah
sebagai berikut :
) NOx mass (gj{Wh)
BSNOx ( /kWh =
P(kW)
gr I
. (16)
NOxmass (g/{WJ)=0.092xNOxcon.(ppm)x exh.mass (kYrnin)
Exh. mass= air mass +fuel mass (kYrnin)
. mass= Ev.N.Vd.pudara
A Ir
z
(k%mm. )
keterangan :
Mass exh.
: Laju aliran massa gas buang (k%in).
Air mass
: Laju aliran massa udara (k%in).
Fuel mass
: Laj u aliran massa bahan bakar.
Ev
: Efisiensi volumetrik, asumsi 100%= 1.
II -8
Vd
: Volume displacement total (m\
P udara
:
N
: putaran motor (RPM)
Z
: 2 untuk motor 4 tak, 1 untuk motor 2 tak.
1.1614 kg/m
3
.
2.1.4. Review Teknologi Pengontrolan Emisi NOx motor diesel.
Teknologi untuk mengurangi emisi NOx gas huang motor diesel,
sebagaimana dikelompokkan oleh Melanie (2004) , dibagi dalam 3 kelompok
utama, yaitu :
1. Fuel modifications.
Yang termasuk dalam teknologi ini contohnya Sinthetic Diesel (DDC
Engine, Caterpi1lar), Water diesel Emulsions (Caterpillar, City of Houston,
Sacramento County Landfill), Dimethyl Ether (Navistar Truck Engine, Penn State
Shuttle Bus), Natural Gas (Cummins/Westport), Diesel/Electric Hybrid (Oshkose
Propulse, New York Metropolitan Transit Authority).
2. Engine design modifications.
Yang termasuk dalam katagori ini misalnya water injection (California
State University Lab Tests), Injection Timing Retard (Tullis, On-road test Under
EPA Urban Bus Retrofit Program), EGR (Caterpillar), Changing Engine Cycle
(Rotec Freedom Air).
3. After-treatment technologies
Yang termasuk dalam teknologi aftertreatment contohnya adalah Lean
NOx catalyst (Caterpilar 3116 engine, Ceryx Quadcat), SCR (Johnson
Mathey,Siemes Automotive, Clean DieselTechnologies/RJM), NOx Adsorbers
(US Department Energy, Engine Manufacturers Association), Non-thermal
Plasma (Delphi Automotive System, Caterpillar)
Kombinasi Non-thermal Plasma - Copper Catalyst yang pertama kali
dibuat dan diuji coba oleh Muskhaf (2005) merupakan teknologi after-treatment
dengan menggunakan struktur parallel passage yang berupa p1pa-p1pa yang
dipasang secara sejajar pada sebuah muffler berbentuk silinder.
II -9
2.2 KATALIS
2.2.1
Pengertian Katalis
Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat laj u suatu reak:si kimia
tanpa adanya perubahan sifat secara signifikan dari katalis. Secara umum katalis
hanya mengubah laju suatu reaksi tetapi tidak mempengaruhi kesetimbangan
reaksi. Ada dua tipe reaksi katalis, yaitu :
Katalis Homogen (katalis pada fase yang sama).
Katalis mengacu pada proses dengan sedikitnya satu reaktan dalam
larutan yang bersifat sebagai katalis. Sebagai contoh kehomogenan katalis adalah
proses industri oxo utuk membuat iso butyl aldehid normal. Reaktan terdiri dari
propylene, karbon monoxide, dan hydrogen sedangkan kobalt kompleks fase cair
sebagai katalisnya.
Katalis Heterogen (katalis pada fase berbeda, biasanya gas pada solid).
Katalis ini terdiri lebih dari satu fase, umumnya fase katalisnya adalah
padat sedangkan reaktan dan produk adalah fase cair dan gas.
Karakteristik dan sifat-sifat dari katalis adalah sbb. :
1. Tidak terjadi perubahan dalam masa dan komposisi kimia secara signifikan
pada ahir dari suatu reaksi.
2. Secara umum, dibutuhkansejumlah kecil katalis untuk meghasilkan reaksi
yang hampir tidak terbatas.
3. Katalis bekerja atau bereaksi scara spesifik.
4. Pada umumnya katalis tidak dat memulai suatu reaksi.
5. Katalis tidak mempengaruhi posisi akhir dari kesetimbangan , akan tetapi
memperpendek waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan.
6. Perubahan temperature dapat mengubah laju dari reaksi katalitik.
2.2.2
Komponen Catalytic Converter.
Cata/ ityc converter terdiri atas substrat yang memberikan kekuatan pada
struktur dan kestabilan, washcoat yang menyediakan lapisan permukaan yang
II -10
tuas, dan active phase yang memungkinkan terjadinya reaksi heterogen. Proses
katalisis terjadi pada permuk:aan katalis, oleh karena itulah permuk:aan katalis
dibuat seluas-luasnya untuk meyediakan tern pat berlangsungnya reaksi.
•:• Substrat.
Pada dasamya, material substrat dapat berupa metallic atau ceramic.
Monolith keramik mempunyai kelemahan yaitu rentanya terjadi keretakan pada
temperature yang tinggi ataupun kejutan termal serta konduktivitas panas yang
jelek. Monolith metal mempunyai kekuatan struktur yang lebih baik daripada
keramik pada temperature yang tinggi dan mempunyai konduktifitas termal yang
tinggi sehingga terjadinya hot spot dapat dihindari dan mempunyai temperature
yang lebih merata (Mirmanto, 1999).
Berdasarkan konstruksinya catalytic converter dapat dibedakan menjadi
beberapa macam sbb. :
Monolith honeycomb.
Catalytic jenis ini mempunyai bentuk seperti sarang tawon dimana
ribuan saluran sejajar dipasang secara rapi dan merupakan tempat mengalimya
gas buang. Catalytic jenis metalic honeycomb mempunyai substrat yang terbuat
dari logam yang dilapisi dengan washcoat. Catalytic jenis ini mempunyai
kekuatan lebih baik dibandingkan dengan ceramic honeycomb tetapi harganya
lebih mahal .
Il-11
Gam bar 2.1. Metalic Honeycomb Catalytic Converter.
Gambar 2.2. Ceramic Honeycomb Catalytic Converter.
Untuk aliran gas yang tinggi maka catalyst bed tipe monolith
honeycomb merupakan desain yang cocok karena mempunyai drop tekanan yang
rendah (Thevenin, 2002), konstruksi detailnya seperti ditunjukkan pada gambar
berikut.
-~
/
\ \'
(rDi
I
1
'·
'
Monolith catalyst
~/
. j. .
Monolith channel
Active phase /Wa$thoat
Gam bar 2.3. Konstruksi Monolith Catalytic Converter.
II -12
Ceramics Pellets.
Catalytis converter Jems ini tersusun atas lapisan keramik seperti
magnesium-alumunium silicate. Lapisan keramik ini (alumina) mempunyai
ketahanan terhadap abrasi dan tempertur yang tinggi (Mirmanto, 1999).
Gambar 2.4. Ceramic Pellets Catalytic Converter.
•!• Washcoat.
Substrat monolith baisanya mempunyai permukaan yang terbatas
sehingga kurang cocok untuk dilapisi dengan lapsan aktif metal. Untuk menambah
luas permukaan substrat maka substrat dilapisi dengan menggunakan washcoat.
Washcoat disamping memiliki permukaan yang luas, juga mempunyai dispersi
logam mulia atau partikel metal oxide, biasanya digunakan alumina sebagai
material washcoat. Secara umum, aktifitas oksidasi yang tinggi membutuhkan ion
logam dengan valensi yang bervariasi dan reaksi redox. Campuran oksida binary
dan ternary masih memiliki keaktifan yang lebih tinggi daripada oksida single.
Secara umum, oksida Cu, Cr, Mn, Fe, Co, dan Ni adalah kandidat yang
menjanjikan untuk difungsikan sebagai katalis dalam pereduksian NOx yang
terjadi pada motor bakar (Thevenin, 2002).
II -13
2.2.3 Tipe-tipe catalityc converter.
Konverter katalis menurut Mirmanto (1999) dibagi dalam 3 tipe, yaitu:
Oksidation Catalityc Converter.
Catalityc converter ini pada dasamya mampu mengubah HC dan CO
menjadi H 20 dan C0 2. Catalityc jenis ini beroperasi pada keadaan udara berlebih
(excess air setting). Udara berlebih yang digunakan pada proses oksidasi dapat
diperoleh melalui pangaturan campuran miskin (lean mixture setting) atau system
injeksi udara sekunder. Catalityc ini banyak digunakan pada mesin diesel karena
kemampuanya mengoksidasi zat-zat pertikel dengan mudah.
Three-way Catalytic Converter.
System ini dirancang untuk mengurangi gas-gas polutan seperti HC, CO
dan NOx yang keluar dari system gas buang dengan cara mengubahnya melalui
reaksi kimia menjadi C0 2, uap air H20 , dan nitrogen N2. Katalis jenis ini lebih
banyak digunakan pada motor bensin karena gas buangnya mempunyai
kandungan HC dan CO yang relatif lebih banyak.
Gambar 2.5. Proses Reaksi pada Three-way Catalytic Converter.
DeNOx Catalytic converter (Lean Burn).
System ini mempunyai prinsip hampir sama dengan Three-way
Catalytic Converter tapi NOx yang ada diubah pada kondisi udara berlebih.
Catalytic jenis ini mempunyai efisiensi perubahan NOx mencapai 50% .
Il-14
2.2.4
Energi Aktivasi dan Katalisis
Pada teori tumbukan, reaksi terjadi dengan cara tumbukan antara
molekul atau ion dari reaktan. Pada temperature biasa, molekul tidak cukup
memiliki energi dan oleh karenanya tumbukan yang terjadi tidak efektif. Akan
tetapi, bila temperature dari system naik, energi kinetic dari molekul naik. Hal ini
akan menurunkan energi aktivasi. Energi aktivasi adalah sejumlah energi
minimum yang dibutuhkan untuk terjadinya reaksi kimia. Katalis akan
menurunkan energi aktivasi dari reaksi dengan menyediakan jalan baru.
2.2.5 Teori Katalisis
Secara garis besar dapat dijelaskan dua teori katalisis, yaitu :
•
Intermediate Compound Formation Theory (homogeneous).
•
The Adsorpsion Theory (heterogeneous), yaitu reaksi dua gas pada solid
katalis.
kat a/is
A(g)
+ B (g)
~
C(g)
+ D(g)
. -- ·- -.. . .. .. .. ( 17)
Terdapat empat tahapan pada teori ini, yaitu:
a.
Adsorpsi dari molekul reaktan.
Molekul A dan B menumbuk permukaan katalis dan ditahan pada
permukaan.
Molekul
~
A
Katalis
Gambar 2.6. Adsorpsi dari molekul reaktan.
II -15
b.
Pembentukan complex aktif.
Partikel yang berdekatan saah satu bergabung membentuk intermediate
complex (A-B). dimana activated compex tidak stabil itu hanya
berlangsung pada keadaan yang singkat.
activated complex
Katalis
Gambar 2.7. Pembentukan Complex Actif.
c.
Dekomposisi komplexs aktif.
Activated compex pecah membentuk produk C dan D. partikel yang
dipisahkan dari produk ditahan pada permukaan katalis dengan ikatan
kimia parsial.
Katalis
Gambar 2.8. Dekomposisi Komplex Actif.
d.
Pruduk desorpsion.
Partikel produk dilepaskan dari permukaan katalis.
II -16
produk
Katalis
Gam bar 2.9. Produk Desorption.
2.2.6 Mekanisme Katalisis
Proses katalisis heterogen terdiri lebih dari satu fase, yang mana
umumnya
.. 8T1TUT
l&~i,JM
ft•'IOI..Oel
~-
• •
TUGASAKHJR
(LS 1336)
PENGGANTIAN KATALIS TEMBAGA MENJADI
BESt PADA PROTOTIPE NTP- KATALIS DALAM
MEREDUKSI EMISI NOx
{(\fSf
b2-3.g }L )b
fJ~'hv
(J - I
~er
.,
~1.
Disusun Oleh :
___
I 1' S
-.·
-:~
.
Te~·
,
Jy-
'Fer' uta I · ai
·-·-· ·--
-·
sAPTo PAMBuol N......... P,...l
-~
?~J.
NRP. 4200 100 011
JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN
FAKULTASTEKNOLOGIKELAUTAN
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NO PEMBER
SURABAYA
2005
f} - ~-;
f)
r f)
LEMBAR PENGESAHAN
TUGASAKHIR
PENGGANTIAN KATALIS TEMBAGA MENJADI
BESI PADA PROTOTIPE NTP- KATALIS DALAM
MEREDUKSI EMISI NOx
Diajukan guna memenuhi salah satu syarat untuk
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Pad a
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan
Fakultas Teknologi Kelautan
Institut TeknoiDgi Sepuluh Nopember
Surabaya
Surabaya,
Agusfus 2005
Mengetabui I Menyetujui,
Ir. M. Orianto, BSE. MSc.
NIP. 130 786 955
JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN
FAKULTASTEKNOLOGIKELAUTAN
lNSTlTUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABA Y A
KAMPUS ITS KEPUTffi SUKOLILO SURABAYA 60111
Telp. (031) 5994754, 5994251-55 Pes. 1102, Fax. 5994754
SURAT KEPUTUSAN PENGERJAAN TUGAS AKHIR
(LS 1336)
Sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik pada jurusan
Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Ke1autan ITS, maka perlu
diterbitkan surat Keputusan Pengerjaan Tugas Akhir yang memberikan tugas
kepada mahasiswa tersebut dibawah ini untuk mengeijakan Tugas sesuai judul
dan lingkup bahasan yang telah ditentukan.
Nama Mahasiswa
NRP
Dosen Pembimbing
: Sapto Pambudi
: 4200 100 011
1. Ir. Aguk Zuhdi MF, MEng
2. Ir. M.Orianto, BSE. MSc.
Tanggal diberikan tugas
Tanggal diselesaikan tugas :
J udul Tugas akhir
PENGGANTIAN KATALIS TEMBAGA MENJADI BESI PADA PROTOTIPE
NTP - KATALIS DALAM MEREDUKSI EMISI NOx
Surabaya,
Yang menerima tugas :
Mahasiswa
Sapto Pambudi
NRP. 4200 100 011
Ir. M . Orianto, BSE.MSc.
NIP. 130 786 955
C:Xupurscmbt£hktm 'Uuga:f ~khir
ini /mat
~t£h
dtm @buku tercinlt£
ABSTRAK
Pengembangan technologi plasma untuk mereduksi emisi sudah mulai
banyak dibidik oleh para pakar ernisi dan pemerhati lingkungan hidup. Khususnya
dalam bidang mesin diesel yang kadar emisi NOx menjadi masalah terbesarnya.
Para pakar telah mulai mencari kombinasi yang sesuai antara teknologi plasma ini
dengan teknologi kimia katalis. Sebagaimana penelitian yang telah ada, sebuah
prototype NTP - Katalis tembaga yang sedianya mampu mengurangi emisi
ternyata menunjukkan hasil yang kurang optimal. Penyerapan emisi yang kurang
optimum tersebut disebabkan karena tidak sesuainya tembaga digunakan sebagai
katalis untuk mesin diesel.
Tugas Akhir ini mempresentasikan penggunaan treatment Non-thermal
plasma yang dikombinasikan dengan katalis besi untuk mereduksi emisi NOx
pada motor diesel sebagai pengembangan dari prototype NTP - Katalis Tembaga
yang telah ada. Tugas Akhir ini bertujuan untuk membuktikan performa besi
sebagai katalis. Dalam Tugas Akhir ini terbukti bahwa besi telah berhasil
mereduksi emissi NOx meskipun tingkat keaktifannya kurang begitu signifikan.
Dengan katalis besi, torsi maksimurn mengalami kenaikan sebesar 3.64% dari
standard, daya maksimumnya dapat dipertahankan sama dengan standard. Dengan
katalis besi effisiensi efektifuya dapat dinaikkan 10% lebih baik dari pada katalis
tembaga.
v
ABSTRACT
Development of plasma technology to reduce the emission have started a
lot of aimed at by all expert of emission and environment observer. Specially in
the field of diesel engine which rate of emission NOx become his biggest problem.
All expert have started to look for the appropriate combination among plasma
technology and chemical catalyst technology. As research which there have, a
prototype NTP - Copper Catalyst which is as ready as able to lessen the emission,
in the reality show the result which less be optimal. Emission absorbtion which
less be the optimum caused by inappropriate copper used as catalyst for the diesel
engine.
This Final Project present the use of Non -Thermal Plasma treatment
combined by iron catalyst to reduce the emission NOx at diesel motor as
development from prototype NTP - Copper Catalyst which there have. This Final
Project aim is to prove the performa iron as catalyst. In this Final Project is
proven that iron have succeeded to reduce the emissi of NOx although its activity
level less so significant. By iron catalyst, maximum torsi experiencing of increase
equal to 3.6-1% from standard, the maximum power defensible as equal as
standard. By iron catalyst, it effective effisiensi can be boosted up 10% is better
than at copper catalyst.
VI
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap puji syukur Alhamdullilah kepada Allah SWT yang
telah memberikan Rahmat dan Hidayahnya berupa kesehatan & ilmu pengetahuan
sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini pada waktu yang telah
ditentukan.
Penyusunan Tugas akhir ini merupakan persyaratan untuk memperoleh
gelar Sarjana Teknik pada Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi
Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Tugas akhir yang disajikan
dalam bentuk laporan tertulis sebagai bentuk ilrniah.
Dalam penyusunan laporan Tugas Akhir ini, penulis menyadari bahwa
masih jauh dari yang diharapkan untuk itu kritik dan saran yang bersifat
mernbangun akan selalu saya terima demi sempurnanya laporan ini .
Akhimya penulis hanya bisa berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi
penulis dan para pembaca serta bagi sernua pihak didalam rnengembangkan
wacana ilmu pengetahuan dan teknologi . Tidak lupa penulis juga berdo' a mudahmudahan amal ibadah dan baik budi semua pihak yang telah membantu dan
membimbing penulis dalam mengerjakan tugas ini senantiasa rnendapat ridlo dari
Allah SWT.
Surabaya, Agustus 2005
Penulis
Vll
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih yang mendalam atas segala bentuk bantuan dan
dorongan yang telah diberikan, penulis sampaikan dengan tulus kepada :
1. Bapak dan Ibu tercinta yang telah mencurahkan kasih sayang dan dorongan
materiil maupun moril sehingga penulis bisa menyelesaikan kuliah di jurusan
Teknik Sistem Perkapalan, FTK- ITS.
2. Bapak Ir Aguk Zuhdi, MF. MEng. dan Bapak Ir. M.Orianto, BSE. MSc.
selaku Dosen Pembimbing dalam pengeijaan Tugas Akhir ini.
3. Bapak Ir. Surjo Widodo Adji, M.Sc, selaku Kepala Jurusan Teknik Sistem
Perkapalan FTK- ITS.
4. Bapak Ir. RO. Saut Guming, MSc selaku ketua Laboratorium Mesin Kapat,
yang telah memberikan ijin untuk menggunakan mesin diesel untuk pengujian.
Dan Bapak Agus dan Mas Nur selaku Teknisi Laboratorium Mesin Kapal
yang selalu menemani setiap pengambilan sample.
5. Temanku Faatikhul Muskhaf, ST. yang telah memberikan saran untuk
meneruskan idenya serta Deni Sudarman, Ali "Aloth" Muhtar ST. dan Fauzi
"ujret" Triono yang dengan rela hati menemaniku melakukan pengujian
prototip.
6. Arif Sukamo yang telah banyak membantu dalam pembuatan prototip,
pegawai BTKL Surabaya terutama Pak Sugianto yang telah membantu dalam
pengambilan sample prototip.
7. Ternan sepeijuanganku Usman Wijanarko yang ikut merasakan susah dan
senangnya mencari dan membuat prototip hingga akhir pengujian, angkatan
2000 yang ada di lab. Mesin Fluida dan Sistem, Aries "simbah" dwi laksono,
Yues "Yueshida" agus setiawan, Wahyu "wakjoe" widiantoko, Bayu
"badjoel" kusuma SPI, Rudi "Jayman" gustaman, Teguh "Solo/Rojomolo"
heru hariyanto, ternan di lab. Studio 3-D dan Komputasional, Dwi "tumtum"
agung mulyan, Didiet "Ndut" Eka Baskoro, yang telah memberi semangat
Vlll
kepada penulis sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan, serta semua
ternan - ternan yang tidak bisa disebutkan satu persatu.
8. Terkhusus buat temenku Afifah Afriani yang selalu ada disetiap detak nadiku,
yang selalu rnernberikan do' a dan dorongan sernangat serta tauziah saat aku
lagi rnalas dalarn mengerjakan Tugas akhir ini. Dan juga dewi puspa sari, yang
selalu memberikan do' a dan dorongannya serta membuatku sering merasakan
kebahagiaan dikala sedang suntuk dalam mengerjakan Tugas Akhir ini.
9. Sernua pihak yang telah berpartisipasi banyak dalam membantu penyelesaian
Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.
IX
DAFTAR lSI
.HALAMAN JUDUL . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. i
LEMBAR PENGESAHAN ..... .. ........... ..... ......... ... .. .. ... ........... . ... ii
SURAT KEPUTUSAN PENGERJAAN TUG AS AKHIR ......... .. ......... iii
HALAMAN PERSEMBAHAN ................... ... ... ... ........ ........ . ... ... iv
ABSTRAK .... .... . ............... .. ... . ....... .. ..... . ...... ..... . ... ............. .. v
ABSTRACT .. . ............ ........ . ........... . ................... ........ ... .. . .. ... vi
KATA PENGANTAR ... ... ... ............... .............. . ... ..... . .. . ..... . ..... vn
UCAP AN TERIMA KASIH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vm
DAFT AR lSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
X
DAFT AR G AMBAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Xlll
DAFT ART ABEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XIV
DAFT AR GRAFrK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XV
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang...... .... .. ... .... ........... .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I-1
1.2 Perumusan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............ ... . I-4
1.3 Tujuan Penulisan............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. I-5
1.4. Manfaat Tugas Ahir. .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .
l-5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.l . EMISI .... ...... ..... . .. . .... ...... .. ... ... .. ........... .... .. .... ....... II-1
2.1.1. Emisi Gas Buang Motor Diesel.. ... . ........ .. .... .. ... .. ...... Il-l
2.1.2. Pembentukan Ernisi Nox ............ .... ........ ...... ........... II-4
2.1.3.Prosedur Perhitungan Emisi Mesin Diesel. .... ........ . ....... Il-7
2.1.4. Review Teknologi Pengontrolan Emisi Nox Motor Diesel.. II-9
X
2.2. KATALIS ............ ......... .. ..... ... ................. .... ........ ...... .II-10
2.2.1 . Pengertian Katalis... . .. . . . . .. ... ... . . . ... ... . . . ... ... . .. ... ... ... Il-1 0
2.2.2. Komponen Catalytic converter ................................. Il-10
2.2.3 . Tipe- tipe Catalytic converter .................................
II-14
2.2.4. Energi aktivasi dan Katalisis..... .. .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... U-15
2.2 .5. Teori Katahsis ...................................................... Il-l 5
2.2.6. Mekanisme Katalisis .......... .. ..... . .. .... .. ....... ........... ... II-17
2.2.7. Catalysis on surface ............ ... ................................ . 11-18
2.3. PLASMA ........................................... ............... ...... ... Il-20
2.3.1. Pengertian Plasma ............... ......................... .. ........ II-20
2.3.2. Reaktor Plasma.................... .. ...... ...... .......... .. .. ...... II-22
2.3 .3. Penerapan NTP untuk Mengatasi Emisi NOx .... ... .. .... .... Il-25
2.3.4. Formulasi perhitungan dalam Non-Thermal Plasma .... .... II-26
BAB ill. METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Metode.. .......................... .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . III-1
3.2. Persiapan... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III-5
3.3. Peralatan Uji. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . .
III-5
3.4. Engine Set-Up....... .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
III-8
3.5. Pengujian... ... ... ... ... ... ... .. . .. . ... ... .. . ... ... ... ... .. . ... ... ... ... .
lii-15
BAB IV. PEMBUATAN PROTOTIPE
4.1. Reaktor Non-Thermal Plasma.. ...... .. ... .......... .. .... ........ ..
IV-l
4 .1. 1. Desain Reaktor . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..
IV -1
4.1 .2. Gambar desain Reaktor Non-Thermal Plasma (NTP) ... ... IV-2
4.2. Konverter Katalis Tembaga (Copper Catalytic Converter) ........ IV-3
4.2.1. Desain Copper Catalytic Converter... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV -3
4.2.2 . Gambar desain Catalytic Converter Tembaga ................ IV-3
XI
4.3. Konverter Katalis Besi (Iron Catalytic Converter) .. ........ .. ...... IV-4
4.3.1. Desain Iron Catalytic Converter ... ....... . ......... .. . ... ....... IV-4
4.3.2. Perhitungan kekuatan pengonversian Catalytic Converter ... IV-4
4.3.3. Gambar desain Catalytic Converter Besi .................... . IV-7
4.4. Foto Prototipe ..... .................................. .... .................. IV-9
BAB V. ANALJSA DATA DAN PEMBABASAN
5.1. Data dan Pengolahan Hasil Pengujian.......... .. .... ... ............... V- 1
5.2. Pembahasan Pengujian Prototipe ....................................... IV-6
5.2 .1. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Kenaikan Torsi Maksimum ... ................................... IV-6
5.2.2. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Kenaikan Day a Maksimum . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. IV -7
5.2.3 . Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Perubahan SFOC ............................ .. ..................... IV-8
5.2.4. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Kenaikan Efisiensi Effektif . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. IV -10
5.2.5. Pengaruh penggunaan prototipe NTP- Katalis terhadap
Tingkat Penurunan NOx . . . . .................... .... . ............ IV -11
BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN
6.1. Kesimpulan... ... ..... .. . .. . .. . ... ... .. . ... . .. ... ... ... . .. . .. ... . .. ... ...
VI-1
6.2. Saran ... . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... ...
VI-2
DAFTAR PUSTAKA ........... . ...................... ........... .. .... ...........
L AMP IRAN
Xll
XVI
DAFTAR GAMBAR
Gam bar 2.1. Metalic Honeycomb Catalytic Converter .... ... .... . ............ ll-11
Gam bar 2.2. Ceramic Honeycomb Catalytic Converter ... ...... .......... .. II-11
Gam bar 2.3. Konstruksi Monolith Catalytic Converter............. ........
II-11
Gam bar 2.4. Ceramic Pellets Catalytic Conerter. .. ... . . . .. . ... .. . .. . . . .
H-12
Gam bar 2.5. Proses Reaksi pada Catalytic Converter Three-way ......
II-13
Gambar 2.6. Adsorpsi dari molekul reaktan .. . ........... . .. .... ....... ...... .. . II-14
Gambar 2.7. Pembentukan Complex Active ......... .... .. .............. . .... .. Il-15
Gambar 2.8. Decomposisi Complex Active ...... .. .... .. . ..... . ....... ...... ... II-15
Gam bar 2.9. Produk Desorpsion ......................... .. .. .. .................. . II-16
Gam bar 2.10. Diagram perhitungan reaksi isothermal/non - isothermal
dari suatu katalis ...................... .. .. .. ....... . ..... . ... .. ...... ll-18
Gambar 2.11. Proses Pembentukan Atom dari Molekul.. ............. ....... ... II-20
Gam bar 2.12. Struktur dan proses pembentukan Plasma ... .. ......... . ........ II-21
Gam bar 2.13. Kondisi molekuler gas dan Plasma ..... .... .. .. .... . .. . .. . ........ II-21
Gam bar 2.14. Konstruksi Dielectric Barrier Discharge ..................... ..... II-23
Gam bar 3.1. Flowchart pengerjaan Tugas Akhir ........................ ...... .. III-2
Gambar 4.1. Desain Reaktor NTP .. .. ................. . ..... . ..... . ........ . ...... IV-2
Gam bar 4.2. Desain Katalis Tembaga ................................ ..... . .... IV-3
Gambar 4.3. Desain Katalis Besi .. .. ................. .............. .......... .... IV-7
Gambar 4.4.
Desain Prototipe Reaktor NTP-Katalis Besi. .. ... ... ... ... ...
IV-8
Gambar 4.5. Foto Prototipe Reaktor NTP lengkap dengan Trafo ........ . .. IV-9
Gambar 4.6. Foto Prototipe Katalis tampak atas ......... .. ........... .. ...... IV-10
Gam bar 4.7. Foto Prototipe Katalis tampak samping .. . ................. . ... . IV-10
Gam bar 4.8
Foto Prototipe NTP-Katalis Besi Lengkap . . . . . . . . . . . . ... . . . ... IV -11
Xlll
DAFTAR TABEL
Tabell.l. Standar emisi NOx aturan Marpol Annex VI.. .................. . I-2
Tabell.2. Standar emisi motor diesel aturan EPA ............................ I-3
Tabel3.1. Spesifikasi Motor Diesel Uji ........................................ III-6
Tabel3.2. Spesifikasi Generator ................... . ................. ... ...... ...... III-7
Tabel3.3. Rum us - rumus perhitungan performa engine ...... ....... ... .. .. III-1 0
Tabel3.4. Data performance diesel hasil kaliberasi ........................... III-11
Tabel3.5. Data perhitungan kaliberasi Engine ................................... . III-13
Tabel3.6. Beban - beban yang digunakan dalam kaliberasi prototipe ..... III-14
Tabel 5.1. Hasil Pengambilan Data Pengujian Standard ...................... V -1
Tabel5.2. Hasil Pengambilan Data Pengujian NTP - Katalis
Tembaga (NTPKT) .. . .. . ................. .... .................. . .... V-2
Tabel5.3. Hasil Pengambilan Data Pengujian NTP- Katalis
Besi (NTPKB) .................. ...... .. ...... ............... . ..... . . V-2
Tabel5.4. Hasil Pengolahan Data dan Pengamatan Grafik ................... V-5
Tabel5.5. Prosentase Hasil Pengolahan Data dan Pengamatan
Grafik ............. ............ ... ... .. . ..... . .. . .............. . .......... V-5
Tabel5.6. MARPOL ANNEX VI NOx Emission Limits .... ..... ... .... ... . V-14
XlV
DAFTAR GRAFIK
Grafik 1.1 . Grafik standard emisi NOx motor disel aturan Marpol
annex VI ... .. .................... ............ ... .................... ... I-2
Grafik 2.1. Level emisi NOx v.s. Air-Fuel ratio ... ............. ...... .. ..... .. II-2
Grafik 2.2. Konsentrasi NOx v.s. Temperatur pembakaran .................. II-5
Grafik 3.1. Grafik trendline performance diesel pada putaran 2300 rpm ... Ill-11
Grafik 3.2. Grafik trendline performance diesel pada putaran 1900 rpm ... III-12
Grafik 3.3. Grafik performance kaliberasi engine ....... ....... ... ............. III-14
Grafik 5.1. SFOC vs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian 1900 rpm ... V-3
Grafik 5.2. SFOC vs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian 2300 rpm ... V-3
Grafik 5.3. Efisiensi Effektifvs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian
1900 rpm ......................... ..... .. ..................... .... ...... V-4
Grafik 5.4. Efisiensi Effektifvs Daya pada Variasi Perlakuan Pengujian
2300 rpm ....................... .. ..... .. ........... .... ................ V-4
Grafik 5.5. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap Torsi
Maksirnurn pada 1900 RPM .............................. . ... ...... V-7
Grafik 5.6. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap Daya
Maksirnurn pada 2300 RPM ........................................ V -8
Grafik 5.7. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap SFOC .......... V-9
Grafik 5.8. Perlakuan Standard, NTPKT, NTPKB terhadap Efisiensi
Effektif ....................... .... ........ .. .......... .. ............... V-11
Grafik 5.9. Efek Test Cycle terhadap Nilai Weighted Brake Specific
Emission pada Variasi perlakuan pengujian 1900 RPM. ... .. V-12
Grafik 5.10. Efek Test Cycle terbadap Nilai Weighted Brake Specific
Emission pada Variasi perlakuan pengujian 2300 RPM. ..... V-12
Grafik 5.11. Prosentase perubahan Tingkat Emisi NOx dengan Acuan
Kondisi Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. V-13
Grafik 5.12. Nilai NOx berdasarkan Standard regulasi IMO terhadap
Perlakuan pengujian Torsi Maksimum dan Daya Maksimum .. . V-15
XV
Ibnul Muqaffa' berKata Kepada anal<
0
z
50{) .
1500
1000
ADIABATIC FLAME TEMPERATURE {K"J
Grafik 2.2. Konsentrasi NOx v.s. Temperature Pembakaran.
2. Mekanisme Prompt NOx.
Mekanisrne kedua pembentukan NOx pada proses pembakaran adalah
melalui mekanisme prompt NOx. HydroCarbon radikal dapat bereaksi dengan
molekul nitrogen untuk membentuk hydrogen sianida dan atom nitrogen.
HC + N 2
~H
CN
...... (7)
+N
Atom nitrogen ini bereaksi dengan kelompok hidrocxyl atau radikalradical dalam pembakaran untuk membentuk NO dan atom hydrogen .
II -5
......... (8)
N+OH~
Mekanise ini menjadi semakin menguat ketika kondisi operasi pada
keadaan bahan bakar yang tinggi (rich mixture). Kualitas bahan bakar yang
diinjeksikan akan berperan penting terhadap pembentukan prompt NOx. Tidak
seperti thermal NOx, temperature ambang untuk pembentukan prompt NOx
dibawah 1600 K. Satu-satunya solusi untuk meminimalkan pembentukan prompt
NOx adalah dengan menghindari terjadinya sisa hidrocarbon radikal, hal ini
berarti bahwa pernbakaran harus terjadi secara sempurna. Untuk rnencapai hal ini
dapat digunakan catalityc combustion.
3. Mekanisme Nitrous Oxide.
Reaksi fase gas yang menyebabkan pembentukan N20 pada bahan bakar
fosil adalah sbb :
NCO+ NO ~
+
NH
NO
~
...... (9)
N 2 0 + CO
... (10)
N 2 0+H
Pada pembakaran gas alam, penambahan utama dikontribusikan oleh
interaksi antara molekul nitrogen dan oksigen yang ada pada carnpuran bahan
bakar lean pada temperatur rendah.
0.50 2 + N 2 +M ~
.............. (ll)
N 2 0+M ·
langkah utama untuk membuang N 20 adalah melalui reaksi-reaksi berikut :
H + N 20
0+ N 20
0
+
N
2
~
~
0~
(12)
N 2 +OH,dan
N 2 +0 2
••••••••
N O+N
•••••••••
•
•
hhh
h.
•
•••••••••••••••••••••••••••••••••••
•••••••••••••••••• • •••••••••••• ••••••••••
(13)
(14)
Untuk temperature diatas 1500 K, lifetime N 20 lebih kecil dari 10 ms. Oleh
karena itulah, kecuali untuk temperatur pembakaran yang rendah, pembentukan
nitrous oxide tidak begitu signifikan.
Mekanisme fuel NOx.
Nitrogen
yang
terkandung
dalarn
bahan
bakar
pertarna-tama
dikonversikan menjadi hydrogen sianida, kemudian bereaksi dengan spesies NHx
misalnya ammonia yang pada akhimya akan terbentuk NO dan N2. Proses ini
II -6
hanya bergantung pada kandungan N yang terkandung dalam campuran bahan
bakar
fuel- N
~
HCN
~
NHx
~
NO
- (15)
Salah satu penyelesaian untuk menghindari terbentuknya NOx adalah
melalui hydro-denitrogenation pada bahan bakar. Altematif penyelesaian yang
kedua adalah dengan penggunaan bahan bakar yang kandungan nitrogennya
rendah.
Untuk bahan bakar yang tidak mempunyai kandungan sulfur, maka hanya
tiga mekanisme pertama yang terjadi.
2.1.3. Prosedur Perbitungan Emisi Mesin Diesel
Prosedur perhitungan menurut ISO 8178 meliputi dua hal yaitu putaran
percobaan (test cycles) dan stage variasi proses actual perhitungan emisi yang
digunakan untuk merubah konsentrasi pengukuran kedalam nilai pengereman
spesifiknya (brake specific value, gram/kWh) pada tiap jenis emisi. Prosedur
perhitungan yang terangkum dalam ISO 8178 tersebut meliputi :
!. t.xhaust gas mass flow rate
2. Dry-gas to wet gas basis convert ion factors
3. Ambient condition correction factors for NOx
-+. Emissions rates
5. Weighted specific emissions value
6. Test condition parameter
Sebelum dilakukan perhitungan sebagaimana procedure ISO 8178 tersebut
ditentukan putaran percobaan (diesel engine test cycles) yang akan digunakan
dalam penguj ian dan pengambilan parameter perhitungan. Bab 4 dari ISO 8178
menunjukkan detail dari variasi putaran percobaan dari range beberapa aplikasi
pembebanan. Untuk marine diesel engine rnenggunakan percobaan tiga putaran
(three test cycles) dengan prinsip utamanya adalah sebagaimana Tabel 2.1
II -7
Table 2.1 Putaran percobaan pembebanan marine diesel engine
Cycle
Duty
D2
Intermittently loaded generator engine
E2
Constant speed propulsion engine
£3
Propeller speed curve propulsion engines
load sequence
engine load points & per cent full load
test
cycle
WF
WF
WF
WF
WF
100%
75%
50%
25%
10%
D2
0.05
0.25
0.30
0.30
0.10
E2
0.20
0.50
0.15
0.15
-
E3
0.20
0.50
0.15
0.1 5
-
100
91
80
63
-
E3 speed
%
Brake specific NOx (BS NOx)
Jika kadar NOx da]am satuan ppm dikonversi dalam satuan
~Wh,
maka
cara pehitungannya sesuai rumusan dari SAE Handbook (SAE Jl003) adalah
sebagai berikut :
) NOx mass (gj{Wh)
BSNOx ( /kWh =
P(kW)
gr I
. (16)
NOxmass (g/{WJ)=0.092xNOxcon.(ppm)x exh.mass (kYrnin)
Exh. mass= air mass +fuel mass (kYrnin)
. mass= Ev.N.Vd.pudara
A Ir
z
(k%mm. )
keterangan :
Mass exh.
: Laju aliran massa gas buang (k%in).
Air mass
: Laju aliran massa udara (k%in).
Fuel mass
: Laj u aliran massa bahan bakar.
Ev
: Efisiensi volumetrik, asumsi 100%= 1.
II -8
Vd
: Volume displacement total (m\
P udara
:
N
: putaran motor (RPM)
Z
: 2 untuk motor 4 tak, 1 untuk motor 2 tak.
1.1614 kg/m
3
.
2.1.4. Review Teknologi Pengontrolan Emisi NOx motor diesel.
Teknologi untuk mengurangi emisi NOx gas huang motor diesel,
sebagaimana dikelompokkan oleh Melanie (2004) , dibagi dalam 3 kelompok
utama, yaitu :
1. Fuel modifications.
Yang termasuk dalam teknologi ini contohnya Sinthetic Diesel (DDC
Engine, Caterpi1lar), Water diesel Emulsions (Caterpillar, City of Houston,
Sacramento County Landfill), Dimethyl Ether (Navistar Truck Engine, Penn State
Shuttle Bus), Natural Gas (Cummins/Westport), Diesel/Electric Hybrid (Oshkose
Propulse, New York Metropolitan Transit Authority).
2. Engine design modifications.
Yang termasuk dalam katagori ini misalnya water injection (California
State University Lab Tests), Injection Timing Retard (Tullis, On-road test Under
EPA Urban Bus Retrofit Program), EGR (Caterpillar), Changing Engine Cycle
(Rotec Freedom Air).
3. After-treatment technologies
Yang termasuk dalam teknologi aftertreatment contohnya adalah Lean
NOx catalyst (Caterpilar 3116 engine, Ceryx Quadcat), SCR (Johnson
Mathey,Siemes Automotive, Clean DieselTechnologies/RJM), NOx Adsorbers
(US Department Energy, Engine Manufacturers Association), Non-thermal
Plasma (Delphi Automotive System, Caterpillar)
Kombinasi Non-thermal Plasma - Copper Catalyst yang pertama kali
dibuat dan diuji coba oleh Muskhaf (2005) merupakan teknologi after-treatment
dengan menggunakan struktur parallel passage yang berupa p1pa-p1pa yang
dipasang secara sejajar pada sebuah muffler berbentuk silinder.
II -9
2.2 KATALIS
2.2.1
Pengertian Katalis
Katalis adalah suatu zat yang dapat mempercepat laj u suatu reak:si kimia
tanpa adanya perubahan sifat secara signifikan dari katalis. Secara umum katalis
hanya mengubah laju suatu reaksi tetapi tidak mempengaruhi kesetimbangan
reaksi. Ada dua tipe reaksi katalis, yaitu :
Katalis Homogen (katalis pada fase yang sama).
Katalis mengacu pada proses dengan sedikitnya satu reaktan dalam
larutan yang bersifat sebagai katalis. Sebagai contoh kehomogenan katalis adalah
proses industri oxo utuk membuat iso butyl aldehid normal. Reaktan terdiri dari
propylene, karbon monoxide, dan hydrogen sedangkan kobalt kompleks fase cair
sebagai katalisnya.
Katalis Heterogen (katalis pada fase berbeda, biasanya gas pada solid).
Katalis ini terdiri lebih dari satu fase, umumnya fase katalisnya adalah
padat sedangkan reaktan dan produk adalah fase cair dan gas.
Karakteristik dan sifat-sifat dari katalis adalah sbb. :
1. Tidak terjadi perubahan dalam masa dan komposisi kimia secara signifikan
pada ahir dari suatu reaksi.
2. Secara umum, dibutuhkansejumlah kecil katalis untuk meghasilkan reaksi
yang hampir tidak terbatas.
3. Katalis bekerja atau bereaksi scara spesifik.
4. Pada umumnya katalis tidak dat memulai suatu reaksi.
5. Katalis tidak mempengaruhi posisi akhir dari kesetimbangan , akan tetapi
memperpendek waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan.
6. Perubahan temperature dapat mengubah laju dari reaksi katalitik.
2.2.2
Komponen Catalytic Converter.
Cata/ ityc converter terdiri atas substrat yang memberikan kekuatan pada
struktur dan kestabilan, washcoat yang menyediakan lapisan permukaan yang
II -10
tuas, dan active phase yang memungkinkan terjadinya reaksi heterogen. Proses
katalisis terjadi pada permuk:aan katalis, oleh karena itulah permuk:aan katalis
dibuat seluas-luasnya untuk meyediakan tern pat berlangsungnya reaksi.
•:• Substrat.
Pada dasamya, material substrat dapat berupa metallic atau ceramic.
Monolith keramik mempunyai kelemahan yaitu rentanya terjadi keretakan pada
temperature yang tinggi ataupun kejutan termal serta konduktivitas panas yang
jelek. Monolith metal mempunyai kekuatan struktur yang lebih baik daripada
keramik pada temperature yang tinggi dan mempunyai konduktifitas termal yang
tinggi sehingga terjadinya hot spot dapat dihindari dan mempunyai temperature
yang lebih merata (Mirmanto, 1999).
Berdasarkan konstruksinya catalytic converter dapat dibedakan menjadi
beberapa macam sbb. :
Monolith honeycomb.
Catalytic jenis ini mempunyai bentuk seperti sarang tawon dimana
ribuan saluran sejajar dipasang secara rapi dan merupakan tempat mengalimya
gas buang. Catalytic jenis metalic honeycomb mempunyai substrat yang terbuat
dari logam yang dilapisi dengan washcoat. Catalytic jenis ini mempunyai
kekuatan lebih baik dibandingkan dengan ceramic honeycomb tetapi harganya
lebih mahal .
Il-11
Gam bar 2.1. Metalic Honeycomb Catalytic Converter.
Gambar 2.2. Ceramic Honeycomb Catalytic Converter.
Untuk aliran gas yang tinggi maka catalyst bed tipe monolith
honeycomb merupakan desain yang cocok karena mempunyai drop tekanan yang
rendah (Thevenin, 2002), konstruksi detailnya seperti ditunjukkan pada gambar
berikut.
-~
/
\ \'
(rDi
I
1
'·
'
Monolith catalyst
~/
. j. .
Monolith channel
Active phase /Wa$thoat
Gam bar 2.3. Konstruksi Monolith Catalytic Converter.
II -12
Ceramics Pellets.
Catalytis converter Jems ini tersusun atas lapisan keramik seperti
magnesium-alumunium silicate. Lapisan keramik ini (alumina) mempunyai
ketahanan terhadap abrasi dan tempertur yang tinggi (Mirmanto, 1999).
Gambar 2.4. Ceramic Pellets Catalytic Converter.
•!• Washcoat.
Substrat monolith baisanya mempunyai permukaan yang terbatas
sehingga kurang cocok untuk dilapisi dengan lapsan aktif metal. Untuk menambah
luas permukaan substrat maka substrat dilapisi dengan menggunakan washcoat.
Washcoat disamping memiliki permukaan yang luas, juga mempunyai dispersi
logam mulia atau partikel metal oxide, biasanya digunakan alumina sebagai
material washcoat. Secara umum, aktifitas oksidasi yang tinggi membutuhkan ion
logam dengan valensi yang bervariasi dan reaksi redox. Campuran oksida binary
dan ternary masih memiliki keaktifan yang lebih tinggi daripada oksida single.
Secara umum, oksida Cu, Cr, Mn, Fe, Co, dan Ni adalah kandidat yang
menjanjikan untuk difungsikan sebagai katalis dalam pereduksian NOx yang
terjadi pada motor bakar (Thevenin, 2002).
II -13
2.2.3 Tipe-tipe catalityc converter.
Konverter katalis menurut Mirmanto (1999) dibagi dalam 3 tipe, yaitu:
Oksidation Catalityc Converter.
Catalityc converter ini pada dasamya mampu mengubah HC dan CO
menjadi H 20 dan C0 2. Catalityc jenis ini beroperasi pada keadaan udara berlebih
(excess air setting). Udara berlebih yang digunakan pada proses oksidasi dapat
diperoleh melalui pangaturan campuran miskin (lean mixture setting) atau system
injeksi udara sekunder. Catalityc ini banyak digunakan pada mesin diesel karena
kemampuanya mengoksidasi zat-zat pertikel dengan mudah.
Three-way Catalytic Converter.
System ini dirancang untuk mengurangi gas-gas polutan seperti HC, CO
dan NOx yang keluar dari system gas buang dengan cara mengubahnya melalui
reaksi kimia menjadi C0 2, uap air H20 , dan nitrogen N2. Katalis jenis ini lebih
banyak digunakan pada motor bensin karena gas buangnya mempunyai
kandungan HC dan CO yang relatif lebih banyak.
Gambar 2.5. Proses Reaksi pada Three-way Catalytic Converter.
DeNOx Catalytic converter (Lean Burn).
System ini mempunyai prinsip hampir sama dengan Three-way
Catalytic Converter tapi NOx yang ada diubah pada kondisi udara berlebih.
Catalytic jenis ini mempunyai efisiensi perubahan NOx mencapai 50% .
Il-14
2.2.4
Energi Aktivasi dan Katalisis
Pada teori tumbukan, reaksi terjadi dengan cara tumbukan antara
molekul atau ion dari reaktan. Pada temperature biasa, molekul tidak cukup
memiliki energi dan oleh karenanya tumbukan yang terjadi tidak efektif. Akan
tetapi, bila temperature dari system naik, energi kinetic dari molekul naik. Hal ini
akan menurunkan energi aktivasi. Energi aktivasi adalah sejumlah energi
minimum yang dibutuhkan untuk terjadinya reaksi kimia. Katalis akan
menurunkan energi aktivasi dari reaksi dengan menyediakan jalan baru.
2.2.5 Teori Katalisis
Secara garis besar dapat dijelaskan dua teori katalisis, yaitu :
•
Intermediate Compound Formation Theory (homogeneous).
•
The Adsorpsion Theory (heterogeneous), yaitu reaksi dua gas pada solid
katalis.
kat a/is
A(g)
+ B (g)
~
C(g)
+ D(g)
. -- ·- -.. . .. .. .. ( 17)
Terdapat empat tahapan pada teori ini, yaitu:
a.
Adsorpsi dari molekul reaktan.
Molekul A dan B menumbuk permukaan katalis dan ditahan pada
permukaan.
Molekul
~
A
Katalis
Gambar 2.6. Adsorpsi dari molekul reaktan.
II -15
b.
Pembentukan complex aktif.
Partikel yang berdekatan saah satu bergabung membentuk intermediate
complex (A-B). dimana activated compex tidak stabil itu hanya
berlangsung pada keadaan yang singkat.
activated complex
Katalis
Gambar 2.7. Pembentukan Complex Actif.
c.
Dekomposisi komplexs aktif.
Activated compex pecah membentuk produk C dan D. partikel yang
dipisahkan dari produk ditahan pada permukaan katalis dengan ikatan
kimia parsial.
Katalis
Gambar 2.8. Dekomposisi Komplex Actif.
d.
Pruduk desorpsion.
Partikel produk dilepaskan dari permukaan katalis.
II -16
produk
Katalis
Gam bar 2.9. Produk Desorption.
2.2.6 Mekanisme Katalisis
Proses katalisis heterogen terdiri lebih dari satu fase, yang mana
umumnya