Optimasi Alat Pengolahan Limbah Polimer Pertanian Untuk Menghasilkan Bahan Bakar Chapter III V
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian inidilakukan di Laboratorium Keteknikan Pertanian Fakultas
Pertanian Universitas Sumatera Utara, dimulai pada bulan Mei sampai dengan Juli
2017.
Bahan dan Alat
Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin las, las
kuningan, mesin bor, kunci pas, kunci ring, sarung tangan, timbangan, ember,
mesin gerinda, termometer, alat tulis, kalkulator, komputer dan kamera.
Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah badan
reaktor berupa pipa stainless stell 201, limbah polimer dari berbagai jenis plastik
yang termasuk polipropiena sebanyak 2 kg, tempurung kelapa sebanyak 15 kg,
baut, mur, cat dan thinner, air dan es batu.
Metodologi Penelitian
Dalam penelitian ini, metode yang digunakan adalah studi literatur
(kepustakaan), melakukan eksperimen dan melakukan pengamatan tentang alat
pengolah limbah plastik yang telah ada. Kemudian dilakukan perancangaan
bentuk dan pembuatan/perangkaian komponen-komponen alat. Setelah itu,
dilakukan pengujian alat dan pengamatan parameter. Metodologi penelitian secara
lengkap akan dijelaskan pada bagian di bawah ini:
1. Identifikasi masalah:
Identifikasi masalah dilakukan untuk mengetahui permasalahan yang
terjadi di lingkungan secara umum yang terkait dengan bidang penerapan energi
29
Universitas Sumatera Utara
30
terbarukan dan menemukan kemungkinan pemecahan masalah atau solusi yang
dapat dilakukan untuk dijadikan bahan penelitian.
2. Pengumpulan informasi dan studi literatur:
Pengumpulan
informasi
dan
studi
literatur
dimaksudkan
untuk
mempelajari penelitian-penelitian sebelumnya yang diperoleh dari sumber buku,
jurnal baik pada jurnal nasional maupun internasional yang terkait dengan
permasalahan yang ditemukan dan solusi dari pemacahan masalah tersebut. Pada
penelitian ini studi literatur diperlukan untuk mengetahui dari sifat fisik dan kimia
dari berbagai jenis plastik yang termasuk Polypropylene (PP), mengetahui
bagaimana proses pirolisis plastik berlangsung, mengetahui prinsip dari
kondensasi sehingga plastik mengalami perubahan fase dan berubah menjadi
minyak/bahan bakar, mengetahui sistem pindah panas pada reaktor.
3. Rancangan struktural
1. Reaktor.
Reaktor berbentuk silinder, pada tutup reaktor dilengkapi dengan
lubang keluaran gas hasil pirolisis sebagai tempat keluarnya gas yang
terhubung langsung dengan kondenser.
2. Kondensor.
Kondensor pada sistem ini merupakan kondenser berpendingin
air/es yang terbuat dari pipa stainless steel. Yang dilengkapi dengan pipa
berbentuk spiral. Kondenser berfungsi untuk menangkap gas hasil
pirolisis plastik dan mengkondensasikan asap tersebut menjadi bentuk
cair. Kondenser yang dirancang terbuat dari pipa stainless steel.
Universitas Sumatera Utara
31
3. Ruang pembakaran
Sumber energi pada pirolisis ini yang digunakan adalahtempurung
kelapa untuk melakukan pemanasan. Termometer digunakan untuk
melakukan kontrol terhadap suhu pemanasan di dalam reaktor. Pemanas
diletakkan diluar reaktor tepat di dasar reaktor.
4.
Pipa penghubung
Pipa Penghubung terletak diantara reaktordengan kondensor,
bagianini dirancang dengan satu sisi terdapat kerucut cerobong
yangmenempel pada cerobong asap, dan satu sisi lain menempel pada
pipakondensor. Pipa penghubung berfungsi sebagai jalur aliran asap dari
cerobong menuju kondensor. Fungsinya untuk menurunkan suhu asap
polimer sebelum masuk ke kondensor.
5. Pipa Spiral (Helical coil)
Terbuat dari stainless steel pipa helical coil ini dipasang di dalam
kondensor. Kegunaanya untuk mengkondensasi asap hasil pirolisis.
6. Penutup Reaktor
Terbuat dari stainless steel 201. Untuk menutup reaktor saat
terjadi proses pirolisis. Berbentuk kerucut yang disambungkan dengan
dengan pipa penghubung uap asap menuju kondensor.
7. Termometer analog 3 inci
Untuk melihat suhu yang dicapai di dalam reaktor.
8. Rangka
Rangka memiliki fungsi utama sebagai penyangga kokoh
seluruh badan kondensor dan reaktor saat kondensor beroperasi dan juga
Universitas Sumatera Utara
32
maupun saat tidak dioperasikan. Rangka juga berfungsi sebagai pemberi
jarak antara outlet kondensor dengan permukaan tanah agar tidak
bersentuhan langsung.
4. Analisis teknik
Analisis teknikpada penelitian ini merupakan metode yang akan digunakan
dalam penentuan dimensi dari :
1. Reaktor yang akan dirancang.
Analisis teknik dari reaktor yang akan dirancang memiliki dimensi
tinggi reaktor yaitu 30 cm, diameter 50 cm,dengan volume reaktor
58.626,46566 m3. Perhitungan analisis teknik dari reaktor yang akan
dirancang dapat dihitung dengan rumus :
ρ=m/v
(32)
dimana :
ρ = massa jenis plastik pp (kg/m3)
m = massa plastik pp (kg)
v = volume plastik pp (m3)
Analisis teknik dari perhitungan ini dapat dilihat pada Lampiran (2)
2. Panjang kondensor
Panjang kondensor menjadi penentu apakah gas hasil pirolisis
polimer polipropilena dapat dikondensasikan menjadi bentuk cair.
Terdapat beberapa data yang dibutuhkan dalam penentuan panjang
kondensor, diantaranya adalah
- kondisi suhu pada sistem (oC),
- suhu gas keluaran yang diharapkan (Tg),
Universitas Sumatera Utara
- suhu gas yang masuk kedalam kondensor,
- suhu lingkungan (
),
- dan suhu udara yang melewati kondensor.
- Pipa yang digunakan pipa aluminium dengan karakteristik diameter luar
(do) dan dalam (di) dengan satuan m dan konduktifitas termal (K)
dengan satuan W/m.
Adapun dimensi dari panjang kondensor yang akan dirancang
adalah diameter luar yaitu 1,27 cm, maka panjang kondensor 252 cm.
Panjang kondensor tersebut dikurang 50 cm untuk menjadi pipa
penghubung. Perhitungan dimensi ini dapat dilihat pada Lampiran (3)
dengan merujuk ke Persamaan (17).
3. Penentuan tinggi tabung spiral dan jumlah lilitan.
Adapun dimensi jumlah tabung spiral sebanyak 51 lilitan dengan
tinggi 98 cm. Perhitungan tinggi tabung spiral dan jumlah lilitan ini dapat
dilihat pada Lampiran (4) dengan merujuk ke Persamaan (19) dan (20).
4. Tungku Pembakaran
Adapun dimensi dari tungku yaitu dengan tinggi 20 cm, panjang 50
cm, lebar 50 cm dengan volume 50.000 cm3. Perhitungan analisis teknik
ini menggunakan Persamaan (32), secara lengkap perhitungan dapat dilihat
pada Lampiran (5).
4. Gambar teknik.
Gambar teknik harus memperhatikan dimensi dari mesin dan skala.
Gambar teknik dilakukan dengan bantuan aplikasi Solidwork. Setelah analisis
33
Universitas Sumatera Utara
34
teknik diperoleh dimensi kemudian dibuat dan dibentuk gambar teknik yang dapat
dilihat pada Lampiran (6).
Prosedur pengujian Alat
Prosedur pengujian kondensor adalah sebagai berikut :
Persiapan Bahan
1. Menimbang plastik yang akan didestilasi.
2. Membersihkan dan memotong plastik yang akan didestilasi dengan ukuran
.
3. Memasukkan plastik kedalam alat.
4. Menimbang tempurung kelapa yang akan dikeringkan.
5. Menyiapkan dan mengeringkan tempurung kelapa sebagai bahan bakar.
6. Memasukkan tempurung kelapa melalui lubang pembakaran.
7. Menimbang plastik yang akan dipirolisis.
8. Membersihkan dan memotong plastik yang akan dipirolisis.
9. Memasukkan plastik kedalam alat.
10. Menimbang tempurung kelapa yang akan dikeringkan.
11. Menyiapkan dan dikeringkan tempurung kelapa sebagai bahan bakar.
12. Memasukkan tempurung kelapa melalui lubang pembakaran.
Prosedur Pengujian Alat :
1. Memasang alat ukur suhu titik yang telah ditentukan.
2. Reaktor ditutup ditutup rapat.
3. Pipa penyalur asap dihubungkan dengan lubang keluaran yang ada ditutup
reaktor.
4. Ujung pipa penyalur di hubungkan dengan kondensor.
Universitas Sumatera Utara
5. Pada ujung pipa kondensor diletakkan wadah untuk menampung asap cair yang
dihasilkan.
6. Mengukur dan mencatat suhu selama proses pengarangan dan kondensasi
berlangsung.
7. Penghitungan waktu dimulai sampai dihasilkan asap cair.
Parameter Penelitian
Kapasitas Efektif Alat (liter/jam)
Kapasitas efektif alat dilakukan dengan menghitung banyaknya asap cair
yang dihasilkan (liter) tiap satuan waktu yang dibutuhkan selama proses
pembakaran (jam) (lihat Persamaan 21) .
Rendemen (%)
Perhitungan rendemen dilakukan setelah proses pengolahan limbah
polimer dengan cara membagi berat asap cair yang dihasilkan (kg) dengan berat
bahan yang akan diolah (kg) ( Persamaan 33) dalam satuan persen
(Purwono, 2002).
Rendemen
(33)
35
Universitas Sumatera Utara
36
Analisis Ekonomi
Biaya Pemakaian Alat
Pengukuran biaya pemakaian alat dilakukan dengan cara menjumlahkan
biaya yang dikeluarkan yaitu biaya tetap dan biaya tidak tetap (biaya pokok).
1. Biaya tetap
Biaya tetap terdiri dari
- Biaya penyusutan (metode sinking fund) (Persamaan 23).
- Biaya bunga modal dan asuransi (Persamaan 24). Diperkirakan bahwa
biaya pajak adalah 2% per tahun dari nilai awalnya.
2. Biaya tidak tetap
Biaya tidak tetap terdiri dari:
- Biaya bahan bakar (Rp/Kg) (Persamaan 25).
- Biaya perbaikanpada reaktor sebagai tempat pembakaran (Persamaan 26)
- Biaya karyawan/operator yaitu biaya untuk gaji operator. Biaya ini
tergantung kepada kondisi lokal, dapat diperkirakan dari gaji bulanan atau
gaji pertahun dibagi dengan total jam kerjanya
Break even point
Manfaat perhitungan titik impas (break event point) adalah untuk
mengetahui batas produksi minimal yang harus dicapai dan dipasarkan agar usaha
yang dikelola masih layak untuk dijalankan atau dengan kata lain tidak
memperoleh keuntungan dan tidak menderita rugi. Pada kondisi ini income yang
diperoleh hanya cukup untuk menutupi biaya operasional tanpa adanya
keuntungan. Perhitungan titik impas (break event point) ini dapat dihitung dengan
Persamaan (27) (Purnomo, 2004).
Universitas Sumatera Utara
Net Present Value (NPV)
Identifikasimasalah kelayakan financial dianalisis dengan metode analisis
financial dengan kriteria investasi. Net present value adalah kriteria yang
digunakan untuk mengukur suatu alat layak atau tidak untuk diusahakan. NPV
adalah selisih antara biaya investasi di masa sekarang dan keuntungan bersih di
masa yang akan datang (Persamaan 28). Identifikasi masalah kelayakan finansial
dianalisis dengan menggunakan metode analisis finansial dengan kriteria
investasi. Kriterianya yaitu :
- NPV > 0, berarti usaha yang telah dilaksanakan menguntungkan.
- NPV < 0, berarti sampai dengan t tahun investasi proyek tidak
menguntungkan.
- NPV = 0, berarti tambahan manfaat sama dengan tambahan biaya yang
dikeluarkan.
Internal Rate of Return (IRR)
IRR adalah suatu tingkat suku bunga yang mengurangi harga sekarang dari
serangkaian
pemasukan
dan
serangkaian
pengeluaran
menjadi
nol
(Persamaan 29). IRR digunakan untuk mengetahui kemampuan untuk dapat
memperoleh kembali investasi yang sudah dikeluarkan dapat dihitung dengan
menggunakan IRR. IRR juga digunakan untuk memperkirakan kelayakan lama
(umur) perbaikan suatu alat atau mesin pada tingkat keuntungan tertentu.
37
Universitas Sumatera Utara
HASIL DAN PEMBAHASAN
Optimasi Alat Pengolahan Limbah Polimer Pertanian
Alat pengolahan limbah polimer pertanian yang dirancang merupakan
modifikasi dari rancangan alat Mandatya, 2015 (Lampiran 17) yaitualat
pengolahan limbah polimer pertanian. Tujuan alat ini dirancang adalah untuk
mengoptimalkan hasil minyak dari alat pengolahan limbah polimer. Optimalisasi
adalah sebuah proses(aktivitas/kegiatan) untuk mencari solusi terbaik dalam
beberapa masalah,dimana yang terbaik sesuai dengan kriteria tertentu. Alat
Mandatya (2015) dirancang kembali karena rumus dan teori yang digunakan pada
perancangan, khususnya untuk pengolahan limbah polimer ini tidak dilampirkan
analisis teknik pengukurannya serta sedikitnya kuantitas minyak yang dihasilkan.
Oleh karena itu peneliti termotivasi untuk mendesain kembali alat pengolahan
limbah mengoptimalkan alat pengolahan limbah polimer tersebut, peneliti
merancang ulang mesin pengolahan limbah polimer dengan mengubah rancangan
ruang pembakaran, reaktor serta kondensor berbentuk spiral agar proses pada
pirolisis lebih optimal. Pada alat ini, reaktor yang dirancang berbentuk persegi
panjangdan pada kondensor tidak terdapat pipa ulir, namun air di dalam pipa
kondensor tetap bisa mengalir dengan bantuan pompa air. Ruang pembakaran
terbuat dari stainless steel dengan dimensi panjang 50 cm, lebar 50 cm, dan tinggi
40 cm, alat pengolahan limbah polimer memiliki desain reaktor berbentuk seperti
kubus. Kondensor memiliki bentuk menyerupai tabung yang terbuat dari
aluminium dengan dimensi dengan panjang 100 cm dan diameter lingkaran 10
cm. Di dalam kondensor terdapat air yang mengalir dengan bantuan pompa.
38
Universitas Sumatera Utara
Dalam proses perancangan suatu alat maupun mesin pertanian yang perlu
diperhatikan adalah dimensi alat dan jenis bahan yang digunakan dalam
pembuatan alat. Dimensi alat menunjukkan ukuran panjang, lebar dan tinggi alat.
Ukuran alat dan massa alat yang telah diketahui dapat memudahkan dalam proses
pembuatan alat dalam skala besar. Pemilihan jenis bahan dalam pembuatan suatu
alat sangat mempengaruhi keawetan, kelayakan dan kualitas dari alat tersebut,
sebagai contohnya adalah alat yang akan digunakan untuk memproduksi bahan
yang akan dikonsumsi maka bagian dari alat tersebut harus berupa konstruksi anti
karat seperti halnya aluminium dan stainless steel. Menurut Setiawan (2014),
yang menyatakan bahan yang merupakan syarat utama sebelum melakukan
perhitungan komponen pada setiap perencanaan pada suatu mesin atau peralatan
harus dipertimbangkan terlebih dahulu pemilihan mesin atau peralatan lainnya.
Selain itu pemilihan bahan juga harus selalu sesuai dengan kemampuannya. Jenisjenis bahan dan sifat-sifat bahan yang akan digunakan , misalnya tahan terhadap
keausan, korosi dan sebagainya.
Dalam hal ini rancangan optimasi alat pengolahan limbah pada rancangan
yang sekarang dengan rancangan sebelumnya memiliki hasil yang lebih besar
dibandingkan alat Mandatya (2015) dan alat Cahyono, dkk. (2016). Pada
optimasi pengolahan limbah memiliki waktu yang lebih panjang jika
dibandingkan dengan alat pengolahan limbah sebelumnya karena semakin lama
waktu pemanasan minyak yang dihasilkan semakin banyak. Akbar, dkk., (2013)
yang menyatakan bahwa waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan
karena, semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung produk yang
dihasilkannya (residu padat, tar, dan gas) makin naik. Namun lebih kecil
39
Universitas Sumatera Utara
40
dibandingkan dengan alat Budidan Ismanto (2016) dikarenakan kuantitas minyak
yang diperoleh lebih besar. Hal ini disebabkan oleh bahan bakar yang digunakan
berbeda dengan bahan bakar alat-alat yang sebelumnya. Pada alat sebelumnya
menggunakan bahan bakar berupa limbah pertanian
yaitu ranting pohon,
cangkang kelapa sawit serta tempurung kelapa sedangkan pada alat Budidan
Ismanto (2016) menggunkan gas LPG sebagai bahan bakar, dimana pada proses
pirolisis dibutuhkan suhu yang tetap konstan untuk mendapatkan kuantitas
minyak yang lebih tinggi.
Alat pengolahan limbah polimer pertanian Mandatya
(2015) telah
merancang memiliki kelebihan di kondensor. Kelebihan dari alat pengolahan
limbah polimer terdapat pada kondensornya, dimana air yang berada pada
kondensor tersebut mengalir dengan bantuan pompa sehingga mampu menjaga
suhu pada ruang kondensor tetap konstan. Menurut Darsam (2009),kondensor
menggunakan pendingin air dapat digunakan untuk mendinginkan komponen zat
yang melewati kondensor tersebut dari berwujud uap menjadi berwujud cair.
Adapun kekurangan dari alat pengolahan limbah polimer Mandatya (2015) ini
adalah kuantitas jumlah hasil dari pengolahan limbah polimer tersebut masih
kurang dibandingkan dengan alat-alat pengolahan limbah polimer lainnya yaitu
sebesar 53,3 ml/kg dengan rendemen sebesar 16%. Namun, pada penelitian
Cahyono, dkk. (2016)rata-rata rendemen penelitian pengolahan limbah polimer
yang telah dilakukan berkisar 36-44%.
Rancang bangun optimasi alat pengolahan limbah polimer pertanian yang
telah dilakukan menghasilkan dimensi ruang pembakaran dengan panjang 50 cm,
lebar 30 cm dan tinggi 25 cm. Hal ini didasarkan pada standar ukuran tungku
40
Universitas Sumatera Utara
dengan maksimal sebesar 50-60 cm. Ketentuan ukuran ini tidak terlalu diharuskan
dan dapat dimodifikasi sesuai kondisi yang dijumpai di lapangan,tetapi perubahan
tersebut
akan
berpengaruh
terhadap
lama
waktu
pembakaran
(Haris dan Kresno, 2005). Melihat saran dari Mandatya, 2015 menyatakan bahwa
harus dilakukan penambahan batu bata pada ruang pembakaran, karena hal
tersebut sesuai dengan pernyataan (Haris dan Kresno, 2005) bahwa ukuran tungku
dimodifikasi sesuai dengan kondisi di lapangan. Tujuan dari ruang pembakaran
adalah untuk menaikkan suhu pada kondensor maka alat pengolahan limbah
polimer ini didesain dengan ruang pembakaran yang tidak terlalu tinggi sehingga
panas yang dihasilkan suhu pada reaktor dapat mencapai suhu maksimal
pembakaran. Hal ini sesuai dengan pernyataan
Ahmad, dkk., (2011) bahwa
desain tungku dimaksudkan untuk perpindahan panas, sehingga proses
pemindahan panas bisa optimal dan dapat meminimalisir kehilangan panas yang
terjadi dalam perjalanan udara panas dari ruang bakar menuju ruang pemanasan.
Reaktor yang dirancang berbentuk tabung dengan diameter 50 cm dan
tinggi 30 cm. Perancangan reaktor berbentuk tabung bertujuan agar reaktor dapat
menampung bahan baku (plastik) lebih banyak serta proses pembakaran di dalam
reaktor dapat lebih singkat. Hal ini seperti yang dilakukan Prima (2011) dalam
mendesain tempat pembakaran arang berupa drum,yang bertujuan agar proses
karbonisasi pembakaran (bahan baku) dapat berlangsung lebih singkat dari proses
yang ada sekarang dengan hasil arang berkadar fixed carbon tinggi.Selama proses
pirolisis, suhu dijaga harus tetap konstan, apabila menurun maka kuantitas tetesan
minyak akan menurun (Gambar 6). Urutan penaikan suhu yang telah dilakukan
pada reaktor dimulai dari menit 0-25 mencapai suhu 150oC, menit ke 25-50
41
Universitas Sumatera Utara
42
mencapai suhu 250oC, menit ke 50-75 mencapai suhu 300oCdimana pada menit ke
45 terjadi tetesan pertama minyak hasil pirolisis. Kemudian suhu terus naik
maksimal sampai 380oC selama 3 jam hingga tidak ada lagi minyak yang
menetes. Namun pada penelitian ini terdapat penurunan suhu pada menit ke 175180 dengan suhu 360oC (Gambar 5). Besar api yang digunakan berpengaruh
terhadap kenaikan dan penurunan suhu didalam ruang reaktor yang menyebabkan
terjadinya kenaikan/penurunan hasil dari pirolisis yang dilakukan. Artinya
semakin besar api, maka semakin cepat suhu meningkat sehingga tetesan minyak
semakin cepat. Sedangkan bila api semakin kecil, maka semakin menurun suhu
didalam reaktor yang menyebabkan tetesan minyak semakin melambat, sehingga
laju perpindahan panas didalam reaktor menjadi melambat dan menyebabkan gas
yang dihasilkan berkurang. Hal inilah yang menjadi faktor utama penyebab
rendemen minyak beragam sesuai dengan pernyataanTrianna dan Rochimoellah
(2002) yang menyatakan nilai kalor merupakan besar energiyang
dapat
dilepaskan oleh suatu bahanbakar. Nilai kalor ini dapat menunjukkankualitas
dari
suatu
bahan
bakar.
Semakinbesar
nilai
kalor
dari
suatu
bahan
bakarberarti ini menunjukkan semakin besarpula energi panas yang dapat
dilepaskanuntuk
melakukan
proses
pembakaranmaupun
pemindahan
kalor.
42
Universitas Sumatera Utara
Suhu
(oC)
Gambar 5. Grafik Peningkatan Suhu
Pada penelitian ini kondensor didesain berbentuk tabung dengan diameter
13 cm dan tinggi 100 cm. Kondensor yang disesain tersebut berisi pipa spiral yang
terbuat dari aluminium dengan dimensi
panjang 252 cm dan jumlah lilitan
sebanyak 51. Kegunaan dari kondensor pada penurunan suhuadalah untuk
mengubah uap menjadi minyak. Air yang digunakan memiliki suhu 25oC, yang
diisi ke dalam kondensor untuk membantu proses penurunan suhu sehingga dapat
mengubah uap menjadi cairan (minyak). Pendinginan merupakan suatu proses
perpindahan panas dari uap yang bersuhu tinggi ke air yang bersuhu rendah.
Sistem pindah panas yang terjadi pada kondensor tersebut dimana uap yang
mengalir dari reaktor memiliki suhu yang berbeda dengan suhu kondensor. Di
dalam kondensor terjadi dua proses perpindahan panas yaitu perpindahan panas
secara konduksi dan secara konveksi. Konduksi panas terjadi ketika uap
memindahkan panasnya ke air melalui perantara dinding kondensor, sedangkan
pindah panas konveksi panas terjadi pada aliran air di kondensor. Hal ini sesuai
dengan pernyataan McCabe et al. (2005) bahwa konveksi paksa adalah
perpindahan panas yang mana dialirannya tersebut berasal dari luar, seperti dari
43
Universitas Sumatera Utara
44
blower atau kran dan pompa. Konveksi paksa dalam pipa merupakan persolaan
perpindahan konveksi untuk aliran dalam atau yang disebut dengan internal flow.
Pada proses pendinginan terjadi dua macam proses perpindahan panas yaitu
perpindahan panas secara konduksi dan perpindahan panas secara konveksi.
Proses pembuatan bahan bakar cair ini, air yang ada didalam kondensor
mengalami kenaikan suhu.Hal tersebut dikarenakan proses perpindahan panas
yang terjadi antara fluida dingin (air) dan fluida panas (uap) yang dihasilkan dari
proses pirolisis.
Tabung destilasi berisi pipa spiral yang terbuat dari aluminium dengan
dimensi panjang 252 cm dengan jumlah lilitan sebanyak 51. Penggunaan pipa
spiral dalam penelitian ini bertujuan untuk mempercepat proses destilasi. Hal ini
sesuai dengan pernyataan Kurniawan, dkk., (2015) yang menyatakan bahwa jenis
pipa spiral membuat laju perpindahan panas pada helical coil lebih besar
disebabkan adanya secondary flowsehingga mempercepat proses destilasi pada
bahan baku. Alasan lain penggunaan pipa spiral adalah mudah disambungkan dan
tidak mudah patah.
Pada proses penggunaan optimasi alat pengolahan limbah polimer secara
bertahap suhu akan naik hingga maksimal 380oC sehingga menguapkan minyak
yang kemudian mengalir melalui pipa penghubung dan mengalami proses
kondensasi atau perubahan fase dari uap menjadi cair saat masuk ke dalam pipa
spiral. Dalam hal ini suhu air kondensor berada pada suhu 25oC-27oC, untuk
menjaga suhu air diberi es batu agar suhu air tidak meningkat. Pada suhu 280oC
menit ke-45 minyak keluar dari keran kondensor yang terhubung dengan pipa
reaktor. Hal sesuai dengan pernyataan Kato et al., (2002) bahwa termoplastik
44
Universitas Sumatera Utara
utama mulai melebur dan mencair antara 70 dan 170°C, tergantung pada jenis
resin, kemurnian bahan dan kehadiran aditif. Termal degradasi polimer terjadi
ketika molekul dipecah oleh depolimerisasi plastik, yang terjadi antara 200°C dan
500°C.
Optimasi alat pengolahan limbah polimer pertanian pada penelitian ini dan
penelitian sebelumnnyamemberikan hasil yang berbeda. Jika dibandingkan
dengan alat yang belum dioptimasi berbeda dengan alat yang sudah dioptimasi.
Dimana kuantitas alat yang sudah dioptimasi lebih tinggi dari alat yang belum
dioptimasi. Hasil dari alat pengolahan limbah polimer pertanian yang
tertinggisebesar 107 ml minyak selama 2 jamdengan rendemen sebesar 16%dari 1
kg plastik (Mandatya, 2015), menurut Cahyono, dkk. (2016), yang memiliki
desain sama seperti optimasi alat pengolahan limbah polimer ini, namun bedanya
terdapat penampungan tar
serta blower(Lampiran 20), menghasilkan volume
minyak yang tertinggi sebesar 440 ml selama 3 jam dengan rendemen 44% dan
menurut Budidan Ismanto (2016), yang memiliki desain (Lampiran 21) seperti
Mandatya (2015) menghasilkan volume minyak yang tertinggi sebesar 700 ml
selama 1,20 jam dengan rendemen sebesar 70% dari 1 kg sedangkan setelah alat
Mandatya (2015) dioptimasi dapat menghasilkan volume minyak sebanyak
240 ml selama 3 jam
dengan rendemen
24%
dari 1 kg plastik jenis
polypropylena.
Sumber panas yang digunakan selama proses pirolisis pada penelitian
Mandatya (2015) memakai cangkang kelapa sawit sebanyak 15 kg dengan nilai
kalor sebesar 16.250 kJ/kg atau 3.881,15 kkal dengan waktu pemakaian selama
2,25 jam, sedangkan pada alat optimasi pengolahan limbah memakai tempurung
45
Universitas Sumatera Utara
46
kelapa sebanyak 15 kg dengan nilai kalor 18.200 kJ/Kg atau 4.349,90 kkal
dengan waktu pemakain selama 3 jam (Tabel 2). Tempurung kelapa dipilih
sebagai bahan bakar pada penelitian ini karena memiliki nilai kalor yang lebih
besar dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit, selain itu tempurung kelapa
lebih mudah didapat di daerah perkotaan. Namun, pada alat Cahyono, dkk. (2016)
menggunakan kayu sebagai bahan bakar sebanyak 24 kg dengan nilai kalor
15.000 kJ/Kg atau 3582,68 kkaldalam waktu pembakaran selama 3 jam (Tabel 2)
sertabahan baku label kemasan plastik mineral (HDPE) sebanyak1 kg.
Tabel 2. Perbedaan pemakaian sumber panas pada kedua alat pengolahan limbah
polimer
Karakteristik
Bahan Bakar
Alat (a)
Alat (b)
Alat (c)
Cangkang Kelapa Tempurung Kelapa
Kayu
sawit
Nilai Kalor (kJ/kg)
16.250
18.200
15.000
Jumlah (kg)
16,5
15
24
Minyak yang dihasilkan 53,3
80*
146,6
(ml/jam)
Rendemen
16%
24%
44%
Keterangan:Alat (a) : Alat pengolahan limbah polimer pertanian (Mandatya, 2015);
Alat (b) : Optimasi pengolahan limbah polimer pertanian
Alat (c) : Pirolisis sampah plastik (Cahyono, dkk., 2016)
* : Dengan bahan baku 1 kg.
Pemakaian limbah sebagai sumber panas memang lebih efisien jika
ditinjau dari pengolahan limbah, namun kurang efisien jika digunakan untuk
waktu yang sangat lama, karena dalam proses pirolisis dibutuhkan temperatur
yang konstan untuk menghasilkan minyak yang maksimal. Pada penelitian ini
suhu
konstan terjadi pada menit 100-125, yaitu berkisar antara 320oC
(Gambar 5) selama selang waktu ini pula,tetesan minyak yang keluar lebih
banyak, sedangkan pada menit ke 0-100 jumlah tetesan minyak yang dihasilkan
lebih sedikit dan setelah menit ke 125-180 kuantitas minyak tidak beraturan
(Gambar 6). Hal ini sesuai dengan literatur Akbar, dkk., (2013) yang menyatakan
46
Universitas Sumatera Utara
bahwa produk pirolisis selain dipengaruhi oleh suhu dan waktu, juga oleh laju
pemanasan. Waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan karena,
semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung produk yang dihasilkannya
(residu padat, tar, dan gas) makin naik.Meningkatnya temperatur pirolisis
menyebabkan semakin besar pula unsur- unsur dalam kayu pelawan yang terurai
dan terkondensasikan menjadi asap cair.
Gambar 6. Peningkatan Jumlah Minyak (ml)
Dari penelitian diketahui jarak antar tungku dan reaktor sangat
menentukan jumlah kalor yang sampai ke dalam reaktor. Pada alat pengolahan
limbah polimer terdapat jarak antara tungku dan reaktor sebesar 40 cm.Minyak
yang dihasilkan alat ini sebesar 120 ml/kg (Mandatya, 2015), sedangkan pada alat
yang sudah dioptimasi jarak antara tungku dan reaktor diperkecil menjadi 20 cm.
Minyak yang dihasilkan 240 ml/kg. Perbedaan jarak antara tungku dengan reaktor
menyebabkan perbedaan suhu didalam reaktor. Dengan kata lain, jarak antara
tungku dengan reaktor adalah salah satu faktor yang berkaitan dengan
47
Universitas Sumatera Utara
48
peningkatan suhu didalam reaktor. Hal ini sesuai dengan literatur Rhoshid (2016)
yang menyatakan bahwa temperatur udara pada tungku berpengaruh terhadap
temperatur udara pada reaktor pembakaran gas hasil pirolisis, rata-rata temperatur
pembakaran tertinggi berada pada temperatur udara 30°C sebesar 383,6°C yang
dapat mempengaruhi hasil dari pirolisis. Makadapat disimpulkan bahwa nilai laju
perpindahan panas yang terjadi di dalam kondensor mempengaruhi jumlah
minyak plastik yang dihasilkan (Haryadi, 2015).
Residu dari hasil pirolisis 2 kg limbah plastik pada ketiga ulangan yaitu
sebesar 800gr, 820gr dan 850gr. Residu yang pertama bertekstur agak keras serta
susah dibentuk dan berwarna kuning kehitaman. Residu yang kedua bertektur
lebih lembut dari yang pertama serta bisa dibentuk dan berwarna kuning
kehitaman dan residu yang ketiga bertekstur lembut seperti plastisin yang mudah
dibentuk dan berwarna kehitaman. Hal ini sesuai dengan pernyataan(Meirizia,
dkk., 2012) dikarenakan titik leleh dari plastik PP tersebut adalah 190-200oC
sehingga plastik PP dinyatakan mengalami proses pirolisis yang sempurna. Pada
suhu tersebut plastik berubah wujud menjadi cair dan hanya sebagian kecil yang
berubah wujud menjadi gas, kemudian plastik dalam wujud cair tersebut berubah
bentuk menjadi bentuk yang solid ketika proses pemanasan terhenti.
48
Universitas Sumatera Utara
Kapasitas Efektif Alat
Kapasitas
efektif
alat
menunjukkan
produktivitas
alat
selama
pengoperasian tiap satuan waktu. Kapasitasefektif alat diukur dengan membagi
volume minyak yang dihasilkan terhadap waktu yang dibutuhkan selama
pengoperasian alat merujuk pada Persamaan (21).Pengujian dilakukan sebanyak
tiga kali ulangan untuk masing-masing bahan sebanyak 2 kg dengan waktu 3 jam.
Asap cair hasil pirolisis yaitu minyak, keluar setelah 45 menit dari proses awal
pirolisis. Asap cair yang mengandung minyak akan keluar sedikit demi sedikit
secara berangsur-angsur. Pirolisis dinyatakan selesai apabila asap cair yang keluar
sudah tidak menetes lagi. Asap cair ditampung sementara di gelas ukur.
Tabel 3. Kapasitas efektif alat
Ulangan
Volume (ml)
Waktu (jam)
I
II
III
Rata-rata
435
455
460
450
3
3
3
3
Kapasitas Efektif
Alat (ml/jam)
145
151,66
153,33
150
Tabel 3 menunjukkan nilai kapasitas efektif alat tertinggi pada ulangan
ketiga yaitu 153,33 ml/jam dengan volume minyak 460 ml. Kapasitas efektif ratarata adalah 150 ml/jam. Kapasitas efektif alat dipengaruhi oleh kelayakan alat
besar api yang digunakan dan suhu air kondensor. Besar api yang digunakan
berpengaruh terhadap kenaikan dan penurunan suhu didalam ruang reaktor yang
menyebabkan terjadinya kenaikan/penurunan hasil dari pirolisis yang dilakukan.
Dengan kata lain, semakin besar api maka semakin cepat suhu meningkat
sehingga tetesan minyak semakin cepat. Sedangkan bila api semakin kecil, maka
semakin menurun suhu didalam reaktor yang menyebabkan tetesan minyak
semakin melambat. Pada kondensor harus diperhatikan adalah suhu air, karena
49
Universitas Sumatera Utara
50
pipa yang menghubungkan antara reaktor dan kondensor menghantarkan panas
dari reaktor. Air dalam kondensor diberi es untuk menjaga suhu agar tetap normal
seperti yang dinyatakan oleh McCabe et al. (2005) bahwa proses pindah panas
adalah perpindahan energi antar bidang satu ke bidang yang lain dengan disertai
perubahan temperatur pada dua bidang tersebut. Kondensor memiliki kapasitas
penampungan air sebesar 27 L dan dapat digunakan maksimal 9 jam/hari. Bahan
yang digunakan untuk proses pirolisis dapat diganti sesuai dengan kebutuhan dan
bahan tersebut harus sesuai dengan alat pengolahan limbah.
Pada pengujian di lapangan, perlu diperhatikan penggunaan api, jika
terlalu kecil akan menghambat proses pendidihan plastik dan api akan mati.Jika
terlalu besar tetesan minyak akan semakin meningkat, namun harus dijaga
suhunya agar tetap konstan pada suhu 300-380 oC sehingga proses pirolisis
berjalan dengan baik.
Rendemen
Perhitungan rendemen dilakukan untuk mengetahui seberapa besar minyak
yang dihasilkan oleh alat dalam memproduksi minyak tiap satuan berat bahan
yang diolah, merujuk perhitungan rendemen pada Persamaan 33.Dari tiga ulangan
yang dilakukan, rendemen tertinggi terdapat pada ulangan tiga yaitu 29%,
rendemen terendah pada ulangan pertama yaitu 24 % (dapat dilihat pada Tabel 4).
Hal ini disebabkan oleh api yang terlalu kecil dan tidak konstan kemudian mati
selama beberapa menit karena proses pemasukan bahan bakar tempurung kelapa
yang tidak tepat/ tidak stabil, sehingga menyebabkan proses penguapan dapat
melambat. Rendemen rata-rata dari ketiga ulangan tersebut adalah 26,6%. Hal ini
sesuai dengan pernyataan Akbar, dkk. (2013) yang menyatakan bahwa produk
50
Universitas Sumatera Utara
pirolisis
selain
dipengaruhi
oleh
suhu
dan
waktu,
juga
oleh
laju
pemanasan.Pirolisis adalah suatu proses penguraian bahan kimia yang hanya
menggunakan energi panas. Pirolisis yang menghasilkan karbon disebut dengan
karbonisasi.Pembuatan karbon berpori menyimpulkan bahwa semakin tinggi suhu
pirolisis maka luas permukaan karbon berpori akan semakin besar, semakin
lambat laju pemanasan/ramprate maka luas permukaan karbon berpori akan
semakin besar. Lamanya holding time/thermal soak time (waktu proses pirolisis)
akan berpengaruh pada proses pembentukan dan pemantapan pori.Luas
permukaan
karbon
berpori
merupakan
salah
satu
karakteristik
yang
mempengaruhi besarnya kapasitas adsorpsi dan kemampuan penyerapan adsorbat
(zat yang dijerap), semakin luas permukaan maka makin banyak zat yang
teradsorpsi. Proses yang dapat menghasilkan karbon berpori adalah pirolisis
(Amiruddin, dkk., 2012).
Tabel 4. Rendemen Minyak
Ulangan
Berat Minyak (gr)
I
480
II
540
III
580
Rata-rata
450
Rendemen Minyak (%)
24
27
29
26,6
Rendemen minyak plastik hasil pirolisis yang diperoleh pada penelitian ini
lebih besar dibanding penelitian sebelumnnya dimana hasil rendemen tertinggi
pada penelitian sebelumnnya berkisar 16% Mandatya (2015), Sedangkan pada
penelitian ini diperoleh rendemen berkisar 24-29%. Namun menurut Cahyono,
dkk. (2016),rata-rata
rendemen yang diperoleh dari pirolisis sampah plastik
berkisar 36-44% dan menurut Budidan Ismanto (2016), pengolahan sampah
plastik jenis PP, PET dan PE Menjadi Bahan Bakar Minyak mempunyai rata-rata
rendemen sebesar 70%. Pada penelitian ini rendemen yang dihasilkan masih
51
Universitas Sumatera Utara
52
rendah dari rendemen alat-alat yang sudah ada. Hal ini dikarenakan oleh beberapa
faktor seperti faktor suhu lingkungan, bahan bakar dan bahan baku yang berbeda.
Dimana suhu lingkungan yang tidak stabil dapat mempengaruhi kinerja alat,
bahan bakar yang berbeda juga mempengaruhinya karena alat yang mencapai
rendemen tertinggi tersebut memakai kompor gas serta bahan baku polypropilena
yang digunakan yang memiliki kandungan minyak yang lebih banyak.
52
Universitas Sumatera Utara
Analisis Ekonomi
Analisis ekonomi digunakan untuk menentukan besarnya biaya yang harus
dikeluarkan saat produksi menggunakan alat ini. Dari analisis ekonomi dapat
diketahui seberapa besar biaya produksi sehingga keuntungan alat dapat
diperhitungkan.
Tabel 5. Analisis Ekonomi
Tahun
BT
(Rp/tahun)
1
1.380.600
2
1.446.084
3
1.514.187
4
1.585.073
5
1.658.743
BTT
(Rp/jam)
1.811,66
1.811,66
1.811,66
1.811,66
1.811,66
BP
(Rp/Kg)
15.758,81
15.953,75
16.156,48
16.367,50
16.568,94
Dari Tabel 5 dan Lampiran 8 dapat dilihat hasil analisis ekonomi yang
dilakukan diperoleh biaya untuk menghasilkan minyak plastik berbeda tiap
tahun,yaitu sebesarRp 15.758,81/ml pada tahun pertama, Rp 15.953,75/ml pada
tahun kedua, Rp 16.156,48/ml pada tahun ketiga, Rp 16.367,50/ml pada tahun
keempat, Rp 16.568,94/ml pada tahun ke lima. Hal ini disebabkan perbedaan
nilai biaya penyusutan tiap tahunnya sehingga mengakibatkan biaya tetap alat
tiap tahunnya berbeda juga.
Biaya untuk menghasilkan minyak plastik merupakan biaya yang harus
dikeluarkan untuk setiap proses pirolisis, dimana biaya proses pirolisis ini sudah
mencakup biaya modal, biaya perbaikan, biaya operator, sehingga dengan
mengetahui biaya proses pirolisis yang harus dikeluarkan maka kita dapat
menentukan berapa biaya (upah) yang akan dibayarkan oleh konsumen untuk
setiap kali proses pirolisis dalam proses pirolisis per ml.
53
Universitas Sumatera Utara
54
Break Event Point (BEP)
Menurut Purnomo (2004), analisis titik impas umumnya berhubungan
dengan penentuan tingkat produksi minyak untuk menjamin agar kegiatan usaha
yang dilakukan dapat membiayai sendiri, selanjutnya dapat berkembang sendiri.
Serta memperoleh keuntungan dan tidak menderita rugi. Dalam analisis ini,
keuntungan awal dianggap sama dengan nol. Dari perhitungan yang dilakukan
(Lampiran 9), alat pengolahan limbah polimer pertanian ini akan menghasilkan
break event point jika menghasilkan minyak sebesar 200,149ml/tahun (Persamaan
27).
Net Present Value (NPV)
NPV adalah kriteria yang digunakan untuk mengukur suatu alat layak atau
tidak untuk diusahakan. Dari perhitungan yang telah dilakukan (Lampiran 10)
diperoleh nilai NPV dengan suku bunga 4,75 % adalah Rp 52.550.069,87. Hal ini
berarti usaha ini layak dijalankan karena nilai NPV lebih besar daripada nol
(Rp 52.550.069,87 > 0). Hal ini sesuai dengan pernyataan Giatman (2006) yang
menyatakan bahwa kriteria NPV, yaitu jika NPV > 0, berarti usaha tersebut
menguntungkan dan layak untuk dikembangkan. NPV < 0, berarti sampai dengan t
tahun
investasi
proyek
tidak
menguntungkan
dan
tidak
layak
untuk
dilaksanakan(Persamaan 28).
Internal Rate of Return (IRR)
Internal Rate of Return (IRR) digunakan untuk memperkirakan kelayakan lama
(umur) pemilikan suatu alat atau mesin pada tingkat keuntungan tertentu. Dari
perhitungan yang dilakukan (Lampiran 11) diperoleh nilai IRR yaitu 26,5 %
54
Universitas Sumatera Utara
(Persamaan 29), artinya usaha pengolahan limbahuntuk menghasilkan bahan
bakar minyak masih layak untuk dijalankan jika peminjaman modal di bank pada
suku bunga di bawah 26,5 %. Semakin tinggi bunga pinjaman di bank, maka
keuntungan yang diperoleh akan semakin kecil.
55
Universitas Sumatera Utara
56
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
1. Optimasi yang dilakukan pada alat pengolahan limbah polimer terdapat pada
ruang pembakaran, reaktor serta kondensor.
2. Alat yang belum dioptimasi memiliki ruang pembakaran memiliki desain
berbentuk persegi panjang dengan tinggi 50 cm, lebar 50 cm, dan tinggi 50
cm, ruang reaktor memiliki desain berbentuk persegi panjang dengan tinggi
50 cm, lebar 50 cm dan tinggi 40 cm, dan ruang kondensor memiliki
panjang pipa 100 cm dengan diameter 10 cm.
3. Alat yang sudah dioptimasi memiliki ruang pembakaran berbentuk persegi
panjang dengan tinggi 20 cm dan lebar 50 cm dan panjang 50 cm, ruang
reaktor diameter 50 cm dan tinggi 30 cm dan ruang kondensor terdapat pipa
berbentuk spiral sebanyak 51 lilitan dengan panjang 252 cm dan diameter
pipa 1,27 cm serta tinggi kondensor 100 cm.
4. Kapasitasefektif alat tertinggi adalah pada ulangan ketiga yaitu 153,33 ml/jam
dengan volume minyak 460 ml. Kapasitas efektif rata-rata adalah
150
ml/jam.
5. Rendemen tertinggi pada alat yang sudah dioptimasi terdapat pada ulangan
ketiga yaitu sebesar 29% dan rendemen terendah pada ulangan pertama
yaitu 24 %,sedangkan pada alat sebelumnya memiliki rendemen sebesar 16
%.
56
Universitas Sumatera Utara
6. Biaya untuk proses menghasilkan minyak plastik sebesar Rp 15.758,81/ml
pada tahun pertama, Rp 15.953,75/ml pada tahun kedua, Rp 16.156,48/ml
pada tahun ketiga, Rp 16.367,50/ml pada tahun keempat, Rp 16.568,94/ml
pada tahun ke lima.
7. Nilai Break Event Point (BEP) dari tahun pertama sampai tahun ke lima adalah
200,149ml/tahun.
8. Nilai Net Present Value (NPV) 4,75 % sebesar Rp 52.550.069,87, alat
dinyatakan layak untuk digunakan.Nilai Internal Rate of Return (IRR)
adalah 26,5 %.
Saran
1. Diharapkan pada penelitian selanjutnya menggunakan kompor gas untuk
pembakaran selanjutnya agar suhu tidak turun naik, melainkan konstan.
2. Dan bila ingin menggunakan bahan bakar dari limbah pertanian, sebaiknya bisa
menjaga api agar tidak terlalu nyala sehingga sampai ke tutup reaktor dan
mampu menjaga api agar tetap hidup karena bila tidak maka suhu akan
turun dan kuantitas minyak tidak maksimal.
57
Universitas Sumatera Utara
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian inidilakukan di Laboratorium Keteknikan Pertanian Fakultas
Pertanian Universitas Sumatera Utara, dimulai pada bulan Mei sampai dengan Juli
2017.
Bahan dan Alat
Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin las, las
kuningan, mesin bor, kunci pas, kunci ring, sarung tangan, timbangan, ember,
mesin gerinda, termometer, alat tulis, kalkulator, komputer dan kamera.
Adapun bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah badan
reaktor berupa pipa stainless stell 201, limbah polimer dari berbagai jenis plastik
yang termasuk polipropiena sebanyak 2 kg, tempurung kelapa sebanyak 15 kg,
baut, mur, cat dan thinner, air dan es batu.
Metodologi Penelitian
Dalam penelitian ini, metode yang digunakan adalah studi literatur
(kepustakaan), melakukan eksperimen dan melakukan pengamatan tentang alat
pengolah limbah plastik yang telah ada. Kemudian dilakukan perancangaan
bentuk dan pembuatan/perangkaian komponen-komponen alat. Setelah itu,
dilakukan pengujian alat dan pengamatan parameter. Metodologi penelitian secara
lengkap akan dijelaskan pada bagian di bawah ini:
1. Identifikasi masalah:
Identifikasi masalah dilakukan untuk mengetahui permasalahan yang
terjadi di lingkungan secara umum yang terkait dengan bidang penerapan energi
29
Universitas Sumatera Utara
30
terbarukan dan menemukan kemungkinan pemecahan masalah atau solusi yang
dapat dilakukan untuk dijadikan bahan penelitian.
2. Pengumpulan informasi dan studi literatur:
Pengumpulan
informasi
dan
studi
literatur
dimaksudkan
untuk
mempelajari penelitian-penelitian sebelumnya yang diperoleh dari sumber buku,
jurnal baik pada jurnal nasional maupun internasional yang terkait dengan
permasalahan yang ditemukan dan solusi dari pemacahan masalah tersebut. Pada
penelitian ini studi literatur diperlukan untuk mengetahui dari sifat fisik dan kimia
dari berbagai jenis plastik yang termasuk Polypropylene (PP), mengetahui
bagaimana proses pirolisis plastik berlangsung, mengetahui prinsip dari
kondensasi sehingga plastik mengalami perubahan fase dan berubah menjadi
minyak/bahan bakar, mengetahui sistem pindah panas pada reaktor.
3. Rancangan struktural
1. Reaktor.
Reaktor berbentuk silinder, pada tutup reaktor dilengkapi dengan
lubang keluaran gas hasil pirolisis sebagai tempat keluarnya gas yang
terhubung langsung dengan kondenser.
2. Kondensor.
Kondensor pada sistem ini merupakan kondenser berpendingin
air/es yang terbuat dari pipa stainless steel. Yang dilengkapi dengan pipa
berbentuk spiral. Kondenser berfungsi untuk menangkap gas hasil
pirolisis plastik dan mengkondensasikan asap tersebut menjadi bentuk
cair. Kondenser yang dirancang terbuat dari pipa stainless steel.
Universitas Sumatera Utara
31
3. Ruang pembakaran
Sumber energi pada pirolisis ini yang digunakan adalahtempurung
kelapa untuk melakukan pemanasan. Termometer digunakan untuk
melakukan kontrol terhadap suhu pemanasan di dalam reaktor. Pemanas
diletakkan diluar reaktor tepat di dasar reaktor.
4.
Pipa penghubung
Pipa Penghubung terletak diantara reaktordengan kondensor,
bagianini dirancang dengan satu sisi terdapat kerucut cerobong
yangmenempel pada cerobong asap, dan satu sisi lain menempel pada
pipakondensor. Pipa penghubung berfungsi sebagai jalur aliran asap dari
cerobong menuju kondensor. Fungsinya untuk menurunkan suhu asap
polimer sebelum masuk ke kondensor.
5. Pipa Spiral (Helical coil)
Terbuat dari stainless steel pipa helical coil ini dipasang di dalam
kondensor. Kegunaanya untuk mengkondensasi asap hasil pirolisis.
6. Penutup Reaktor
Terbuat dari stainless steel 201. Untuk menutup reaktor saat
terjadi proses pirolisis. Berbentuk kerucut yang disambungkan dengan
dengan pipa penghubung uap asap menuju kondensor.
7. Termometer analog 3 inci
Untuk melihat suhu yang dicapai di dalam reaktor.
8. Rangka
Rangka memiliki fungsi utama sebagai penyangga kokoh
seluruh badan kondensor dan reaktor saat kondensor beroperasi dan juga
Universitas Sumatera Utara
32
maupun saat tidak dioperasikan. Rangka juga berfungsi sebagai pemberi
jarak antara outlet kondensor dengan permukaan tanah agar tidak
bersentuhan langsung.
4. Analisis teknik
Analisis teknikpada penelitian ini merupakan metode yang akan digunakan
dalam penentuan dimensi dari :
1. Reaktor yang akan dirancang.
Analisis teknik dari reaktor yang akan dirancang memiliki dimensi
tinggi reaktor yaitu 30 cm, diameter 50 cm,dengan volume reaktor
58.626,46566 m3. Perhitungan analisis teknik dari reaktor yang akan
dirancang dapat dihitung dengan rumus :
ρ=m/v
(32)
dimana :
ρ = massa jenis plastik pp (kg/m3)
m = massa plastik pp (kg)
v = volume plastik pp (m3)
Analisis teknik dari perhitungan ini dapat dilihat pada Lampiran (2)
2. Panjang kondensor
Panjang kondensor menjadi penentu apakah gas hasil pirolisis
polimer polipropilena dapat dikondensasikan menjadi bentuk cair.
Terdapat beberapa data yang dibutuhkan dalam penentuan panjang
kondensor, diantaranya adalah
- kondisi suhu pada sistem (oC),
- suhu gas keluaran yang diharapkan (Tg),
Universitas Sumatera Utara
- suhu gas yang masuk kedalam kondensor,
- suhu lingkungan (
),
- dan suhu udara yang melewati kondensor.
- Pipa yang digunakan pipa aluminium dengan karakteristik diameter luar
(do) dan dalam (di) dengan satuan m dan konduktifitas termal (K)
dengan satuan W/m.
Adapun dimensi dari panjang kondensor yang akan dirancang
adalah diameter luar yaitu 1,27 cm, maka panjang kondensor 252 cm.
Panjang kondensor tersebut dikurang 50 cm untuk menjadi pipa
penghubung. Perhitungan dimensi ini dapat dilihat pada Lampiran (3)
dengan merujuk ke Persamaan (17).
3. Penentuan tinggi tabung spiral dan jumlah lilitan.
Adapun dimensi jumlah tabung spiral sebanyak 51 lilitan dengan
tinggi 98 cm. Perhitungan tinggi tabung spiral dan jumlah lilitan ini dapat
dilihat pada Lampiran (4) dengan merujuk ke Persamaan (19) dan (20).
4. Tungku Pembakaran
Adapun dimensi dari tungku yaitu dengan tinggi 20 cm, panjang 50
cm, lebar 50 cm dengan volume 50.000 cm3. Perhitungan analisis teknik
ini menggunakan Persamaan (32), secara lengkap perhitungan dapat dilihat
pada Lampiran (5).
4. Gambar teknik.
Gambar teknik harus memperhatikan dimensi dari mesin dan skala.
Gambar teknik dilakukan dengan bantuan aplikasi Solidwork. Setelah analisis
33
Universitas Sumatera Utara
34
teknik diperoleh dimensi kemudian dibuat dan dibentuk gambar teknik yang dapat
dilihat pada Lampiran (6).
Prosedur pengujian Alat
Prosedur pengujian kondensor adalah sebagai berikut :
Persiapan Bahan
1. Menimbang plastik yang akan didestilasi.
2. Membersihkan dan memotong plastik yang akan didestilasi dengan ukuran
.
3. Memasukkan plastik kedalam alat.
4. Menimbang tempurung kelapa yang akan dikeringkan.
5. Menyiapkan dan mengeringkan tempurung kelapa sebagai bahan bakar.
6. Memasukkan tempurung kelapa melalui lubang pembakaran.
7. Menimbang plastik yang akan dipirolisis.
8. Membersihkan dan memotong plastik yang akan dipirolisis.
9. Memasukkan plastik kedalam alat.
10. Menimbang tempurung kelapa yang akan dikeringkan.
11. Menyiapkan dan dikeringkan tempurung kelapa sebagai bahan bakar.
12. Memasukkan tempurung kelapa melalui lubang pembakaran.
Prosedur Pengujian Alat :
1. Memasang alat ukur suhu titik yang telah ditentukan.
2. Reaktor ditutup ditutup rapat.
3. Pipa penyalur asap dihubungkan dengan lubang keluaran yang ada ditutup
reaktor.
4. Ujung pipa penyalur di hubungkan dengan kondensor.
Universitas Sumatera Utara
5. Pada ujung pipa kondensor diletakkan wadah untuk menampung asap cair yang
dihasilkan.
6. Mengukur dan mencatat suhu selama proses pengarangan dan kondensasi
berlangsung.
7. Penghitungan waktu dimulai sampai dihasilkan asap cair.
Parameter Penelitian
Kapasitas Efektif Alat (liter/jam)
Kapasitas efektif alat dilakukan dengan menghitung banyaknya asap cair
yang dihasilkan (liter) tiap satuan waktu yang dibutuhkan selama proses
pembakaran (jam) (lihat Persamaan 21) .
Rendemen (%)
Perhitungan rendemen dilakukan setelah proses pengolahan limbah
polimer dengan cara membagi berat asap cair yang dihasilkan (kg) dengan berat
bahan yang akan diolah (kg) ( Persamaan 33) dalam satuan persen
(Purwono, 2002).
Rendemen
(33)
35
Universitas Sumatera Utara
36
Analisis Ekonomi
Biaya Pemakaian Alat
Pengukuran biaya pemakaian alat dilakukan dengan cara menjumlahkan
biaya yang dikeluarkan yaitu biaya tetap dan biaya tidak tetap (biaya pokok).
1. Biaya tetap
Biaya tetap terdiri dari
- Biaya penyusutan (metode sinking fund) (Persamaan 23).
- Biaya bunga modal dan asuransi (Persamaan 24). Diperkirakan bahwa
biaya pajak adalah 2% per tahun dari nilai awalnya.
2. Biaya tidak tetap
Biaya tidak tetap terdiri dari:
- Biaya bahan bakar (Rp/Kg) (Persamaan 25).
- Biaya perbaikanpada reaktor sebagai tempat pembakaran (Persamaan 26)
- Biaya karyawan/operator yaitu biaya untuk gaji operator. Biaya ini
tergantung kepada kondisi lokal, dapat diperkirakan dari gaji bulanan atau
gaji pertahun dibagi dengan total jam kerjanya
Break even point
Manfaat perhitungan titik impas (break event point) adalah untuk
mengetahui batas produksi minimal yang harus dicapai dan dipasarkan agar usaha
yang dikelola masih layak untuk dijalankan atau dengan kata lain tidak
memperoleh keuntungan dan tidak menderita rugi. Pada kondisi ini income yang
diperoleh hanya cukup untuk menutupi biaya operasional tanpa adanya
keuntungan. Perhitungan titik impas (break event point) ini dapat dihitung dengan
Persamaan (27) (Purnomo, 2004).
Universitas Sumatera Utara
Net Present Value (NPV)
Identifikasimasalah kelayakan financial dianalisis dengan metode analisis
financial dengan kriteria investasi. Net present value adalah kriteria yang
digunakan untuk mengukur suatu alat layak atau tidak untuk diusahakan. NPV
adalah selisih antara biaya investasi di masa sekarang dan keuntungan bersih di
masa yang akan datang (Persamaan 28). Identifikasi masalah kelayakan finansial
dianalisis dengan menggunakan metode analisis finansial dengan kriteria
investasi. Kriterianya yaitu :
- NPV > 0, berarti usaha yang telah dilaksanakan menguntungkan.
- NPV < 0, berarti sampai dengan t tahun investasi proyek tidak
menguntungkan.
- NPV = 0, berarti tambahan manfaat sama dengan tambahan biaya yang
dikeluarkan.
Internal Rate of Return (IRR)
IRR adalah suatu tingkat suku bunga yang mengurangi harga sekarang dari
serangkaian
pemasukan
dan
serangkaian
pengeluaran
menjadi
nol
(Persamaan 29). IRR digunakan untuk mengetahui kemampuan untuk dapat
memperoleh kembali investasi yang sudah dikeluarkan dapat dihitung dengan
menggunakan IRR. IRR juga digunakan untuk memperkirakan kelayakan lama
(umur) perbaikan suatu alat atau mesin pada tingkat keuntungan tertentu.
37
Universitas Sumatera Utara
HASIL DAN PEMBAHASAN
Optimasi Alat Pengolahan Limbah Polimer Pertanian
Alat pengolahan limbah polimer pertanian yang dirancang merupakan
modifikasi dari rancangan alat Mandatya, 2015 (Lampiran 17) yaitualat
pengolahan limbah polimer pertanian. Tujuan alat ini dirancang adalah untuk
mengoptimalkan hasil minyak dari alat pengolahan limbah polimer. Optimalisasi
adalah sebuah proses(aktivitas/kegiatan) untuk mencari solusi terbaik dalam
beberapa masalah,dimana yang terbaik sesuai dengan kriteria tertentu. Alat
Mandatya (2015) dirancang kembali karena rumus dan teori yang digunakan pada
perancangan, khususnya untuk pengolahan limbah polimer ini tidak dilampirkan
analisis teknik pengukurannya serta sedikitnya kuantitas minyak yang dihasilkan.
Oleh karena itu peneliti termotivasi untuk mendesain kembali alat pengolahan
limbah mengoptimalkan alat pengolahan limbah polimer tersebut, peneliti
merancang ulang mesin pengolahan limbah polimer dengan mengubah rancangan
ruang pembakaran, reaktor serta kondensor berbentuk spiral agar proses pada
pirolisis lebih optimal. Pada alat ini, reaktor yang dirancang berbentuk persegi
panjangdan pada kondensor tidak terdapat pipa ulir, namun air di dalam pipa
kondensor tetap bisa mengalir dengan bantuan pompa air. Ruang pembakaran
terbuat dari stainless steel dengan dimensi panjang 50 cm, lebar 50 cm, dan tinggi
40 cm, alat pengolahan limbah polimer memiliki desain reaktor berbentuk seperti
kubus. Kondensor memiliki bentuk menyerupai tabung yang terbuat dari
aluminium dengan dimensi dengan panjang 100 cm dan diameter lingkaran 10
cm. Di dalam kondensor terdapat air yang mengalir dengan bantuan pompa.
38
Universitas Sumatera Utara
Dalam proses perancangan suatu alat maupun mesin pertanian yang perlu
diperhatikan adalah dimensi alat dan jenis bahan yang digunakan dalam
pembuatan alat. Dimensi alat menunjukkan ukuran panjang, lebar dan tinggi alat.
Ukuran alat dan massa alat yang telah diketahui dapat memudahkan dalam proses
pembuatan alat dalam skala besar. Pemilihan jenis bahan dalam pembuatan suatu
alat sangat mempengaruhi keawetan, kelayakan dan kualitas dari alat tersebut,
sebagai contohnya adalah alat yang akan digunakan untuk memproduksi bahan
yang akan dikonsumsi maka bagian dari alat tersebut harus berupa konstruksi anti
karat seperti halnya aluminium dan stainless steel. Menurut Setiawan (2014),
yang menyatakan bahan yang merupakan syarat utama sebelum melakukan
perhitungan komponen pada setiap perencanaan pada suatu mesin atau peralatan
harus dipertimbangkan terlebih dahulu pemilihan mesin atau peralatan lainnya.
Selain itu pemilihan bahan juga harus selalu sesuai dengan kemampuannya. Jenisjenis bahan dan sifat-sifat bahan yang akan digunakan , misalnya tahan terhadap
keausan, korosi dan sebagainya.
Dalam hal ini rancangan optimasi alat pengolahan limbah pada rancangan
yang sekarang dengan rancangan sebelumnya memiliki hasil yang lebih besar
dibandingkan alat Mandatya (2015) dan alat Cahyono, dkk. (2016). Pada
optimasi pengolahan limbah memiliki waktu yang lebih panjang jika
dibandingkan dengan alat pengolahan limbah sebelumnya karena semakin lama
waktu pemanasan minyak yang dihasilkan semakin banyak. Akbar, dkk., (2013)
yang menyatakan bahwa waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan
karena, semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung produk yang
dihasilkannya (residu padat, tar, dan gas) makin naik. Namun lebih kecil
39
Universitas Sumatera Utara
40
dibandingkan dengan alat Budidan Ismanto (2016) dikarenakan kuantitas minyak
yang diperoleh lebih besar. Hal ini disebabkan oleh bahan bakar yang digunakan
berbeda dengan bahan bakar alat-alat yang sebelumnya. Pada alat sebelumnya
menggunakan bahan bakar berupa limbah pertanian
yaitu ranting pohon,
cangkang kelapa sawit serta tempurung kelapa sedangkan pada alat Budidan
Ismanto (2016) menggunkan gas LPG sebagai bahan bakar, dimana pada proses
pirolisis dibutuhkan suhu yang tetap konstan untuk mendapatkan kuantitas
minyak yang lebih tinggi.
Alat pengolahan limbah polimer pertanian Mandatya
(2015) telah
merancang memiliki kelebihan di kondensor. Kelebihan dari alat pengolahan
limbah polimer terdapat pada kondensornya, dimana air yang berada pada
kondensor tersebut mengalir dengan bantuan pompa sehingga mampu menjaga
suhu pada ruang kondensor tetap konstan. Menurut Darsam (2009),kondensor
menggunakan pendingin air dapat digunakan untuk mendinginkan komponen zat
yang melewati kondensor tersebut dari berwujud uap menjadi berwujud cair.
Adapun kekurangan dari alat pengolahan limbah polimer Mandatya (2015) ini
adalah kuantitas jumlah hasil dari pengolahan limbah polimer tersebut masih
kurang dibandingkan dengan alat-alat pengolahan limbah polimer lainnya yaitu
sebesar 53,3 ml/kg dengan rendemen sebesar 16%. Namun, pada penelitian
Cahyono, dkk. (2016)rata-rata rendemen penelitian pengolahan limbah polimer
yang telah dilakukan berkisar 36-44%.
Rancang bangun optimasi alat pengolahan limbah polimer pertanian yang
telah dilakukan menghasilkan dimensi ruang pembakaran dengan panjang 50 cm,
lebar 30 cm dan tinggi 25 cm. Hal ini didasarkan pada standar ukuran tungku
40
Universitas Sumatera Utara
dengan maksimal sebesar 50-60 cm. Ketentuan ukuran ini tidak terlalu diharuskan
dan dapat dimodifikasi sesuai kondisi yang dijumpai di lapangan,tetapi perubahan
tersebut
akan
berpengaruh
terhadap
lama
waktu
pembakaran
(Haris dan Kresno, 2005). Melihat saran dari Mandatya, 2015 menyatakan bahwa
harus dilakukan penambahan batu bata pada ruang pembakaran, karena hal
tersebut sesuai dengan pernyataan (Haris dan Kresno, 2005) bahwa ukuran tungku
dimodifikasi sesuai dengan kondisi di lapangan. Tujuan dari ruang pembakaran
adalah untuk menaikkan suhu pada kondensor maka alat pengolahan limbah
polimer ini didesain dengan ruang pembakaran yang tidak terlalu tinggi sehingga
panas yang dihasilkan suhu pada reaktor dapat mencapai suhu maksimal
pembakaran. Hal ini sesuai dengan pernyataan
Ahmad, dkk., (2011) bahwa
desain tungku dimaksudkan untuk perpindahan panas, sehingga proses
pemindahan panas bisa optimal dan dapat meminimalisir kehilangan panas yang
terjadi dalam perjalanan udara panas dari ruang bakar menuju ruang pemanasan.
Reaktor yang dirancang berbentuk tabung dengan diameter 50 cm dan
tinggi 30 cm. Perancangan reaktor berbentuk tabung bertujuan agar reaktor dapat
menampung bahan baku (plastik) lebih banyak serta proses pembakaran di dalam
reaktor dapat lebih singkat. Hal ini seperti yang dilakukan Prima (2011) dalam
mendesain tempat pembakaran arang berupa drum,yang bertujuan agar proses
karbonisasi pembakaran (bahan baku) dapat berlangsung lebih singkat dari proses
yang ada sekarang dengan hasil arang berkadar fixed carbon tinggi.Selama proses
pirolisis, suhu dijaga harus tetap konstan, apabila menurun maka kuantitas tetesan
minyak akan menurun (Gambar 6). Urutan penaikan suhu yang telah dilakukan
pada reaktor dimulai dari menit 0-25 mencapai suhu 150oC, menit ke 25-50
41
Universitas Sumatera Utara
42
mencapai suhu 250oC, menit ke 50-75 mencapai suhu 300oCdimana pada menit ke
45 terjadi tetesan pertama minyak hasil pirolisis. Kemudian suhu terus naik
maksimal sampai 380oC selama 3 jam hingga tidak ada lagi minyak yang
menetes. Namun pada penelitian ini terdapat penurunan suhu pada menit ke 175180 dengan suhu 360oC (Gambar 5). Besar api yang digunakan berpengaruh
terhadap kenaikan dan penurunan suhu didalam ruang reaktor yang menyebabkan
terjadinya kenaikan/penurunan hasil dari pirolisis yang dilakukan. Artinya
semakin besar api, maka semakin cepat suhu meningkat sehingga tetesan minyak
semakin cepat. Sedangkan bila api semakin kecil, maka semakin menurun suhu
didalam reaktor yang menyebabkan tetesan minyak semakin melambat, sehingga
laju perpindahan panas didalam reaktor menjadi melambat dan menyebabkan gas
yang dihasilkan berkurang. Hal inilah yang menjadi faktor utama penyebab
rendemen minyak beragam sesuai dengan pernyataanTrianna dan Rochimoellah
(2002) yang menyatakan nilai kalor merupakan besar energiyang
dapat
dilepaskan oleh suatu bahanbakar. Nilai kalor ini dapat menunjukkankualitas
dari
suatu
bahan
bakar.
Semakinbesar
nilai
kalor
dari
suatu
bahan
bakarberarti ini menunjukkan semakin besarpula energi panas yang dapat
dilepaskanuntuk
melakukan
proses
pembakaranmaupun
pemindahan
kalor.
42
Universitas Sumatera Utara
Suhu
(oC)
Gambar 5. Grafik Peningkatan Suhu
Pada penelitian ini kondensor didesain berbentuk tabung dengan diameter
13 cm dan tinggi 100 cm. Kondensor yang disesain tersebut berisi pipa spiral yang
terbuat dari aluminium dengan dimensi
panjang 252 cm dan jumlah lilitan
sebanyak 51. Kegunaan dari kondensor pada penurunan suhuadalah untuk
mengubah uap menjadi minyak. Air yang digunakan memiliki suhu 25oC, yang
diisi ke dalam kondensor untuk membantu proses penurunan suhu sehingga dapat
mengubah uap menjadi cairan (minyak). Pendinginan merupakan suatu proses
perpindahan panas dari uap yang bersuhu tinggi ke air yang bersuhu rendah.
Sistem pindah panas yang terjadi pada kondensor tersebut dimana uap yang
mengalir dari reaktor memiliki suhu yang berbeda dengan suhu kondensor. Di
dalam kondensor terjadi dua proses perpindahan panas yaitu perpindahan panas
secara konduksi dan secara konveksi. Konduksi panas terjadi ketika uap
memindahkan panasnya ke air melalui perantara dinding kondensor, sedangkan
pindah panas konveksi panas terjadi pada aliran air di kondensor. Hal ini sesuai
dengan pernyataan McCabe et al. (2005) bahwa konveksi paksa adalah
perpindahan panas yang mana dialirannya tersebut berasal dari luar, seperti dari
43
Universitas Sumatera Utara
44
blower atau kran dan pompa. Konveksi paksa dalam pipa merupakan persolaan
perpindahan konveksi untuk aliran dalam atau yang disebut dengan internal flow.
Pada proses pendinginan terjadi dua macam proses perpindahan panas yaitu
perpindahan panas secara konduksi dan perpindahan panas secara konveksi.
Proses pembuatan bahan bakar cair ini, air yang ada didalam kondensor
mengalami kenaikan suhu.Hal tersebut dikarenakan proses perpindahan panas
yang terjadi antara fluida dingin (air) dan fluida panas (uap) yang dihasilkan dari
proses pirolisis.
Tabung destilasi berisi pipa spiral yang terbuat dari aluminium dengan
dimensi panjang 252 cm dengan jumlah lilitan sebanyak 51. Penggunaan pipa
spiral dalam penelitian ini bertujuan untuk mempercepat proses destilasi. Hal ini
sesuai dengan pernyataan Kurniawan, dkk., (2015) yang menyatakan bahwa jenis
pipa spiral membuat laju perpindahan panas pada helical coil lebih besar
disebabkan adanya secondary flowsehingga mempercepat proses destilasi pada
bahan baku. Alasan lain penggunaan pipa spiral adalah mudah disambungkan dan
tidak mudah patah.
Pada proses penggunaan optimasi alat pengolahan limbah polimer secara
bertahap suhu akan naik hingga maksimal 380oC sehingga menguapkan minyak
yang kemudian mengalir melalui pipa penghubung dan mengalami proses
kondensasi atau perubahan fase dari uap menjadi cair saat masuk ke dalam pipa
spiral. Dalam hal ini suhu air kondensor berada pada suhu 25oC-27oC, untuk
menjaga suhu air diberi es batu agar suhu air tidak meningkat. Pada suhu 280oC
menit ke-45 minyak keluar dari keran kondensor yang terhubung dengan pipa
reaktor. Hal sesuai dengan pernyataan Kato et al., (2002) bahwa termoplastik
44
Universitas Sumatera Utara
utama mulai melebur dan mencair antara 70 dan 170°C, tergantung pada jenis
resin, kemurnian bahan dan kehadiran aditif. Termal degradasi polimer terjadi
ketika molekul dipecah oleh depolimerisasi plastik, yang terjadi antara 200°C dan
500°C.
Optimasi alat pengolahan limbah polimer pertanian pada penelitian ini dan
penelitian sebelumnnyamemberikan hasil yang berbeda. Jika dibandingkan
dengan alat yang belum dioptimasi berbeda dengan alat yang sudah dioptimasi.
Dimana kuantitas alat yang sudah dioptimasi lebih tinggi dari alat yang belum
dioptimasi. Hasil dari alat pengolahan limbah polimer pertanian yang
tertinggisebesar 107 ml minyak selama 2 jamdengan rendemen sebesar 16%dari 1
kg plastik (Mandatya, 2015), menurut Cahyono, dkk. (2016), yang memiliki
desain sama seperti optimasi alat pengolahan limbah polimer ini, namun bedanya
terdapat penampungan tar
serta blower(Lampiran 20), menghasilkan volume
minyak yang tertinggi sebesar 440 ml selama 3 jam dengan rendemen 44% dan
menurut Budidan Ismanto (2016), yang memiliki desain (Lampiran 21) seperti
Mandatya (2015) menghasilkan volume minyak yang tertinggi sebesar 700 ml
selama 1,20 jam dengan rendemen sebesar 70% dari 1 kg sedangkan setelah alat
Mandatya (2015) dioptimasi dapat menghasilkan volume minyak sebanyak
240 ml selama 3 jam
dengan rendemen
24%
dari 1 kg plastik jenis
polypropylena.
Sumber panas yang digunakan selama proses pirolisis pada penelitian
Mandatya (2015) memakai cangkang kelapa sawit sebanyak 15 kg dengan nilai
kalor sebesar 16.250 kJ/kg atau 3.881,15 kkal dengan waktu pemakaian selama
2,25 jam, sedangkan pada alat optimasi pengolahan limbah memakai tempurung
45
Universitas Sumatera Utara
46
kelapa sebanyak 15 kg dengan nilai kalor 18.200 kJ/Kg atau 4.349,90 kkal
dengan waktu pemakain selama 3 jam (Tabel 2). Tempurung kelapa dipilih
sebagai bahan bakar pada penelitian ini karena memiliki nilai kalor yang lebih
besar dibandingkan dengan cangkang kelapa sawit, selain itu tempurung kelapa
lebih mudah didapat di daerah perkotaan. Namun, pada alat Cahyono, dkk. (2016)
menggunakan kayu sebagai bahan bakar sebanyak 24 kg dengan nilai kalor
15.000 kJ/Kg atau 3582,68 kkaldalam waktu pembakaran selama 3 jam (Tabel 2)
sertabahan baku label kemasan plastik mineral (HDPE) sebanyak1 kg.
Tabel 2. Perbedaan pemakaian sumber panas pada kedua alat pengolahan limbah
polimer
Karakteristik
Bahan Bakar
Alat (a)
Alat (b)
Alat (c)
Cangkang Kelapa Tempurung Kelapa
Kayu
sawit
Nilai Kalor (kJ/kg)
16.250
18.200
15.000
Jumlah (kg)
16,5
15
24
Minyak yang dihasilkan 53,3
80*
146,6
(ml/jam)
Rendemen
16%
24%
44%
Keterangan:Alat (a) : Alat pengolahan limbah polimer pertanian (Mandatya, 2015);
Alat (b) : Optimasi pengolahan limbah polimer pertanian
Alat (c) : Pirolisis sampah plastik (Cahyono, dkk., 2016)
* : Dengan bahan baku 1 kg.
Pemakaian limbah sebagai sumber panas memang lebih efisien jika
ditinjau dari pengolahan limbah, namun kurang efisien jika digunakan untuk
waktu yang sangat lama, karena dalam proses pirolisis dibutuhkan temperatur
yang konstan untuk menghasilkan minyak yang maksimal. Pada penelitian ini
suhu
konstan terjadi pada menit 100-125, yaitu berkisar antara 320oC
(Gambar 5) selama selang waktu ini pula,tetesan minyak yang keluar lebih
banyak, sedangkan pada menit ke 0-100 jumlah tetesan minyak yang dihasilkan
lebih sedikit dan setelah menit ke 125-180 kuantitas minyak tidak beraturan
(Gambar 6). Hal ini sesuai dengan literatur Akbar, dkk., (2013) yang menyatakan
46
Universitas Sumatera Utara
bahwa produk pirolisis selain dipengaruhi oleh suhu dan waktu, juga oleh laju
pemanasan. Waktu berpengaruh pada produk yang akan dihasilkan karena,
semakin lama waktu proses pirolisis berlangsung produk yang dihasilkannya
(residu padat, tar, dan gas) makin naik.Meningkatnya temperatur pirolisis
menyebabkan semakin besar pula unsur- unsur dalam kayu pelawan yang terurai
dan terkondensasikan menjadi asap cair.
Gambar 6. Peningkatan Jumlah Minyak (ml)
Dari penelitian diketahui jarak antar tungku dan reaktor sangat
menentukan jumlah kalor yang sampai ke dalam reaktor. Pada alat pengolahan
limbah polimer terdapat jarak antara tungku dan reaktor sebesar 40 cm.Minyak
yang dihasilkan alat ini sebesar 120 ml/kg (Mandatya, 2015), sedangkan pada alat
yang sudah dioptimasi jarak antara tungku dan reaktor diperkecil menjadi 20 cm.
Minyak yang dihasilkan 240 ml/kg. Perbedaan jarak antara tungku dengan reaktor
menyebabkan perbedaan suhu didalam reaktor. Dengan kata lain, jarak antara
tungku dengan reaktor adalah salah satu faktor yang berkaitan dengan
47
Universitas Sumatera Utara
48
peningkatan suhu didalam reaktor. Hal ini sesuai dengan literatur Rhoshid (2016)
yang menyatakan bahwa temperatur udara pada tungku berpengaruh terhadap
temperatur udara pada reaktor pembakaran gas hasil pirolisis, rata-rata temperatur
pembakaran tertinggi berada pada temperatur udara 30°C sebesar 383,6°C yang
dapat mempengaruhi hasil dari pirolisis. Makadapat disimpulkan bahwa nilai laju
perpindahan panas yang terjadi di dalam kondensor mempengaruhi jumlah
minyak plastik yang dihasilkan (Haryadi, 2015).
Residu dari hasil pirolisis 2 kg limbah plastik pada ketiga ulangan yaitu
sebesar 800gr, 820gr dan 850gr. Residu yang pertama bertekstur agak keras serta
susah dibentuk dan berwarna kuning kehitaman. Residu yang kedua bertektur
lebih lembut dari yang pertama serta bisa dibentuk dan berwarna kuning
kehitaman dan residu yang ketiga bertekstur lembut seperti plastisin yang mudah
dibentuk dan berwarna kehitaman. Hal ini sesuai dengan pernyataan(Meirizia,
dkk., 2012) dikarenakan titik leleh dari plastik PP tersebut adalah 190-200oC
sehingga plastik PP dinyatakan mengalami proses pirolisis yang sempurna. Pada
suhu tersebut plastik berubah wujud menjadi cair dan hanya sebagian kecil yang
berubah wujud menjadi gas, kemudian plastik dalam wujud cair tersebut berubah
bentuk menjadi bentuk yang solid ketika proses pemanasan terhenti.
48
Universitas Sumatera Utara
Kapasitas Efektif Alat
Kapasitas
efektif
alat
menunjukkan
produktivitas
alat
selama
pengoperasian tiap satuan waktu. Kapasitasefektif alat diukur dengan membagi
volume minyak yang dihasilkan terhadap waktu yang dibutuhkan selama
pengoperasian alat merujuk pada Persamaan (21).Pengujian dilakukan sebanyak
tiga kali ulangan untuk masing-masing bahan sebanyak 2 kg dengan waktu 3 jam.
Asap cair hasil pirolisis yaitu minyak, keluar setelah 45 menit dari proses awal
pirolisis. Asap cair yang mengandung minyak akan keluar sedikit demi sedikit
secara berangsur-angsur. Pirolisis dinyatakan selesai apabila asap cair yang keluar
sudah tidak menetes lagi. Asap cair ditampung sementara di gelas ukur.
Tabel 3. Kapasitas efektif alat
Ulangan
Volume (ml)
Waktu (jam)
I
II
III
Rata-rata
435
455
460
450
3
3
3
3
Kapasitas Efektif
Alat (ml/jam)
145
151,66
153,33
150
Tabel 3 menunjukkan nilai kapasitas efektif alat tertinggi pada ulangan
ketiga yaitu 153,33 ml/jam dengan volume minyak 460 ml. Kapasitas efektif ratarata adalah 150 ml/jam. Kapasitas efektif alat dipengaruhi oleh kelayakan alat
besar api yang digunakan dan suhu air kondensor. Besar api yang digunakan
berpengaruh terhadap kenaikan dan penurunan suhu didalam ruang reaktor yang
menyebabkan terjadinya kenaikan/penurunan hasil dari pirolisis yang dilakukan.
Dengan kata lain, semakin besar api maka semakin cepat suhu meningkat
sehingga tetesan minyak semakin cepat. Sedangkan bila api semakin kecil, maka
semakin menurun suhu didalam reaktor yang menyebabkan tetesan minyak
semakin melambat. Pada kondensor harus diperhatikan adalah suhu air, karena
49
Universitas Sumatera Utara
50
pipa yang menghubungkan antara reaktor dan kondensor menghantarkan panas
dari reaktor. Air dalam kondensor diberi es untuk menjaga suhu agar tetap normal
seperti yang dinyatakan oleh McCabe et al. (2005) bahwa proses pindah panas
adalah perpindahan energi antar bidang satu ke bidang yang lain dengan disertai
perubahan temperatur pada dua bidang tersebut. Kondensor memiliki kapasitas
penampungan air sebesar 27 L dan dapat digunakan maksimal 9 jam/hari. Bahan
yang digunakan untuk proses pirolisis dapat diganti sesuai dengan kebutuhan dan
bahan tersebut harus sesuai dengan alat pengolahan limbah.
Pada pengujian di lapangan, perlu diperhatikan penggunaan api, jika
terlalu kecil akan menghambat proses pendidihan plastik dan api akan mati.Jika
terlalu besar tetesan minyak akan semakin meningkat, namun harus dijaga
suhunya agar tetap konstan pada suhu 300-380 oC sehingga proses pirolisis
berjalan dengan baik.
Rendemen
Perhitungan rendemen dilakukan untuk mengetahui seberapa besar minyak
yang dihasilkan oleh alat dalam memproduksi minyak tiap satuan berat bahan
yang diolah, merujuk perhitungan rendemen pada Persamaan 33.Dari tiga ulangan
yang dilakukan, rendemen tertinggi terdapat pada ulangan tiga yaitu 29%,
rendemen terendah pada ulangan pertama yaitu 24 % (dapat dilihat pada Tabel 4).
Hal ini disebabkan oleh api yang terlalu kecil dan tidak konstan kemudian mati
selama beberapa menit karena proses pemasukan bahan bakar tempurung kelapa
yang tidak tepat/ tidak stabil, sehingga menyebabkan proses penguapan dapat
melambat. Rendemen rata-rata dari ketiga ulangan tersebut adalah 26,6%. Hal ini
sesuai dengan pernyataan Akbar, dkk. (2013) yang menyatakan bahwa produk
50
Universitas Sumatera Utara
pirolisis
selain
dipengaruhi
oleh
suhu
dan
waktu,
juga
oleh
laju
pemanasan.Pirolisis adalah suatu proses penguraian bahan kimia yang hanya
menggunakan energi panas. Pirolisis yang menghasilkan karbon disebut dengan
karbonisasi.Pembuatan karbon berpori menyimpulkan bahwa semakin tinggi suhu
pirolisis maka luas permukaan karbon berpori akan semakin besar, semakin
lambat laju pemanasan/ramprate maka luas permukaan karbon berpori akan
semakin besar. Lamanya holding time/thermal soak time (waktu proses pirolisis)
akan berpengaruh pada proses pembentukan dan pemantapan pori.Luas
permukaan
karbon
berpori
merupakan
salah
satu
karakteristik
yang
mempengaruhi besarnya kapasitas adsorpsi dan kemampuan penyerapan adsorbat
(zat yang dijerap), semakin luas permukaan maka makin banyak zat yang
teradsorpsi. Proses yang dapat menghasilkan karbon berpori adalah pirolisis
(Amiruddin, dkk., 2012).
Tabel 4. Rendemen Minyak
Ulangan
Berat Minyak (gr)
I
480
II
540
III
580
Rata-rata
450
Rendemen Minyak (%)
24
27
29
26,6
Rendemen minyak plastik hasil pirolisis yang diperoleh pada penelitian ini
lebih besar dibanding penelitian sebelumnnya dimana hasil rendemen tertinggi
pada penelitian sebelumnnya berkisar 16% Mandatya (2015), Sedangkan pada
penelitian ini diperoleh rendemen berkisar 24-29%. Namun menurut Cahyono,
dkk. (2016),rata-rata
rendemen yang diperoleh dari pirolisis sampah plastik
berkisar 36-44% dan menurut Budidan Ismanto (2016), pengolahan sampah
plastik jenis PP, PET dan PE Menjadi Bahan Bakar Minyak mempunyai rata-rata
rendemen sebesar 70%. Pada penelitian ini rendemen yang dihasilkan masih
51
Universitas Sumatera Utara
52
rendah dari rendemen alat-alat yang sudah ada. Hal ini dikarenakan oleh beberapa
faktor seperti faktor suhu lingkungan, bahan bakar dan bahan baku yang berbeda.
Dimana suhu lingkungan yang tidak stabil dapat mempengaruhi kinerja alat,
bahan bakar yang berbeda juga mempengaruhinya karena alat yang mencapai
rendemen tertinggi tersebut memakai kompor gas serta bahan baku polypropilena
yang digunakan yang memiliki kandungan minyak yang lebih banyak.
52
Universitas Sumatera Utara
Analisis Ekonomi
Analisis ekonomi digunakan untuk menentukan besarnya biaya yang harus
dikeluarkan saat produksi menggunakan alat ini. Dari analisis ekonomi dapat
diketahui seberapa besar biaya produksi sehingga keuntungan alat dapat
diperhitungkan.
Tabel 5. Analisis Ekonomi
Tahun
BT
(Rp/tahun)
1
1.380.600
2
1.446.084
3
1.514.187
4
1.585.073
5
1.658.743
BTT
(Rp/jam)
1.811,66
1.811,66
1.811,66
1.811,66
1.811,66
BP
(Rp/Kg)
15.758,81
15.953,75
16.156,48
16.367,50
16.568,94
Dari Tabel 5 dan Lampiran 8 dapat dilihat hasil analisis ekonomi yang
dilakukan diperoleh biaya untuk menghasilkan minyak plastik berbeda tiap
tahun,yaitu sebesarRp 15.758,81/ml pada tahun pertama, Rp 15.953,75/ml pada
tahun kedua, Rp 16.156,48/ml pada tahun ketiga, Rp 16.367,50/ml pada tahun
keempat, Rp 16.568,94/ml pada tahun ke lima. Hal ini disebabkan perbedaan
nilai biaya penyusutan tiap tahunnya sehingga mengakibatkan biaya tetap alat
tiap tahunnya berbeda juga.
Biaya untuk menghasilkan minyak plastik merupakan biaya yang harus
dikeluarkan untuk setiap proses pirolisis, dimana biaya proses pirolisis ini sudah
mencakup biaya modal, biaya perbaikan, biaya operator, sehingga dengan
mengetahui biaya proses pirolisis yang harus dikeluarkan maka kita dapat
menentukan berapa biaya (upah) yang akan dibayarkan oleh konsumen untuk
setiap kali proses pirolisis dalam proses pirolisis per ml.
53
Universitas Sumatera Utara
54
Break Event Point (BEP)
Menurut Purnomo (2004), analisis titik impas umumnya berhubungan
dengan penentuan tingkat produksi minyak untuk menjamin agar kegiatan usaha
yang dilakukan dapat membiayai sendiri, selanjutnya dapat berkembang sendiri.
Serta memperoleh keuntungan dan tidak menderita rugi. Dalam analisis ini,
keuntungan awal dianggap sama dengan nol. Dari perhitungan yang dilakukan
(Lampiran 9), alat pengolahan limbah polimer pertanian ini akan menghasilkan
break event point jika menghasilkan minyak sebesar 200,149ml/tahun (Persamaan
27).
Net Present Value (NPV)
NPV adalah kriteria yang digunakan untuk mengukur suatu alat layak atau
tidak untuk diusahakan. Dari perhitungan yang telah dilakukan (Lampiran 10)
diperoleh nilai NPV dengan suku bunga 4,75 % adalah Rp 52.550.069,87. Hal ini
berarti usaha ini layak dijalankan karena nilai NPV lebih besar daripada nol
(Rp 52.550.069,87 > 0). Hal ini sesuai dengan pernyataan Giatman (2006) yang
menyatakan bahwa kriteria NPV, yaitu jika NPV > 0, berarti usaha tersebut
menguntungkan dan layak untuk dikembangkan. NPV < 0, berarti sampai dengan t
tahun
investasi
proyek
tidak
menguntungkan
dan
tidak
layak
untuk
dilaksanakan(Persamaan 28).
Internal Rate of Return (IRR)
Internal Rate of Return (IRR) digunakan untuk memperkirakan kelayakan lama
(umur) pemilikan suatu alat atau mesin pada tingkat keuntungan tertentu. Dari
perhitungan yang dilakukan (Lampiran 11) diperoleh nilai IRR yaitu 26,5 %
54
Universitas Sumatera Utara
(Persamaan 29), artinya usaha pengolahan limbahuntuk menghasilkan bahan
bakar minyak masih layak untuk dijalankan jika peminjaman modal di bank pada
suku bunga di bawah 26,5 %. Semakin tinggi bunga pinjaman di bank, maka
keuntungan yang diperoleh akan semakin kecil.
55
Universitas Sumatera Utara
56
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
1. Optimasi yang dilakukan pada alat pengolahan limbah polimer terdapat pada
ruang pembakaran, reaktor serta kondensor.
2. Alat yang belum dioptimasi memiliki ruang pembakaran memiliki desain
berbentuk persegi panjang dengan tinggi 50 cm, lebar 50 cm, dan tinggi 50
cm, ruang reaktor memiliki desain berbentuk persegi panjang dengan tinggi
50 cm, lebar 50 cm dan tinggi 40 cm, dan ruang kondensor memiliki
panjang pipa 100 cm dengan diameter 10 cm.
3. Alat yang sudah dioptimasi memiliki ruang pembakaran berbentuk persegi
panjang dengan tinggi 20 cm dan lebar 50 cm dan panjang 50 cm, ruang
reaktor diameter 50 cm dan tinggi 30 cm dan ruang kondensor terdapat pipa
berbentuk spiral sebanyak 51 lilitan dengan panjang 252 cm dan diameter
pipa 1,27 cm serta tinggi kondensor 100 cm.
4. Kapasitasefektif alat tertinggi adalah pada ulangan ketiga yaitu 153,33 ml/jam
dengan volume minyak 460 ml. Kapasitas efektif rata-rata adalah
150
ml/jam.
5. Rendemen tertinggi pada alat yang sudah dioptimasi terdapat pada ulangan
ketiga yaitu sebesar 29% dan rendemen terendah pada ulangan pertama
yaitu 24 %,sedangkan pada alat sebelumnya memiliki rendemen sebesar 16
%.
56
Universitas Sumatera Utara
6. Biaya untuk proses menghasilkan minyak plastik sebesar Rp 15.758,81/ml
pada tahun pertama, Rp 15.953,75/ml pada tahun kedua, Rp 16.156,48/ml
pada tahun ketiga, Rp 16.367,50/ml pada tahun keempat, Rp 16.568,94/ml
pada tahun ke lima.
7. Nilai Break Event Point (BEP) dari tahun pertama sampai tahun ke lima adalah
200,149ml/tahun.
8. Nilai Net Present Value (NPV) 4,75 % sebesar Rp 52.550.069,87, alat
dinyatakan layak untuk digunakan.Nilai Internal Rate of Return (IRR)
adalah 26,5 %.
Saran
1. Diharapkan pada penelitian selanjutnya menggunakan kompor gas untuk
pembakaran selanjutnya agar suhu tidak turun naik, melainkan konstan.
2. Dan bila ingin menggunakan bahan bakar dari limbah pertanian, sebaiknya bisa
menjaga api agar tidak terlalu nyala sehingga sampai ke tutup reaktor dan
mampu menjaga api agar tetap hidup karena bila tidak maka suhu akan
turun dan kuantitas minyak tidak maksimal.
57
Universitas Sumatera Utara