PROSES PEMULIHAN SAMPAH PLASTIK MULTILAY
PROSES PEMULIHAN SAMPAH PLASTIK MULTILAYER PADA
VARIASI TEMPERATUR DAN DOSIS KATALIS ZEOLIT ALAM
RECOVERY PROCESS OF MULTILAYER PLASTIC WASTE
THROUGH VARIATION OF TEMPERATURE AND DOSE OF
ZEOLITE CATALYST
1
2
Hamdi Wahyudi , Enri Damanhuri , dan Haryo Satriyo Tomo
3
Program Magister Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha Nomor 10 Bandung 40132
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak: Plastik telah menjadi permasalahan pada manajemen persampahan kota. Presentasi sampah plastik
multilayer cukup tinggi dibandingkan dengan plastik perkotaan yang terbuang ke TPS. Potensi daur ulang
dari sektor informal masih sangat rendah. Plastik multilayer untuk kemasan makanan secara umum terdiri
dari lapisan film LDPE, PP, bahan adhesive, dan aluminium foil. Tujuan dari studi ini untuk mengkonversi
dan menganalisa potens dari sampah plastik multilayer sebagai alternatif energi. Melalui konversi termalpirolisis akan menghasilkan hidrokarbon, gas, dan padatan aluminium sekunder. Proses pirolisis
menggunakan reaktor batch pada rentang temperatur 350 hingga 425 oC selama 60 hingga 120 menit. Hasil
proses ini diperbandingkan dengan proses pirolisis menggunakan penambahan katalis zeolit dengan dosis 5,
10, 15, dan 50% (b/b) plastik multilayer. Berdasarkan analisis statistik, temperatur 400oC dapat digunakan
sebagai proses dengan menggunakan katalis. Hasil pirolisis berdasarkan variasi temperatur dan waktu
menunjukan temperatatur 425o C dan waktu 120 menit memberikan produk liquid dan gas terbesar yaitu
30,2% dan 5,99%. Sedangkan temperatur 350o C menyisakan residu terbanyak hingga 97,34%.
Kata kunci: plastik multilayer, pirolisis, katalis zeolit
Abstract: Plastic has become a issue in municipal waste management. The proportion of multilayer plastic
has high proportion compoared to municipal plastic waste that discarded to TPS. The recovery potential of
multilayer plastic by informal sector is still low. Multilayer plastic for food packaging generally consist of
LDPE film, PP, adhesive, and aluminium foil. The aim of this study is to convert and analyze the potential of
multilayer plastic as alternatif energy. Thermal-pyrolysis conversion using batch reactor will generate
hidrocarbon, gas, dan secondary aluminium solid. The pyrolysis reactor was conducted in the range of
temperature 350 to 425oC for 60 until 120 minutes. The result compared with those obtained in the process
using zeolite catalyst with variation dose 5, 10, 15, and 50% (w/w) of multilayer plastic. Based on statistic
analysis, the temperature 400o C could be used for the catalysed process. The result through temperature and
duration processing time showed 425o C and 120 minutes generated liquid and gas product 30.2 % and
5.99% respectively. While the temperature 350oC generated residue with 97.34%.
Keywords: multilayer plastic, pyrolisis, zeolit catalyst
PENDAHULUAN
Sampah plastik merupakan salah satu pencemar lingkungan di Indonesia.
Permasalahan sampah plastik ini telah menjadi isu nasional bahkan internasional. Sampah
plastik perkotaan cenderung lebih heterogen dan tercampur dengan material lain.
Studi pendahuluan yang dilakukan oleh penulis pada dua TPS di kota Bandung
menemukan sampah plastik untuk kategori kemasan multilayer mencapai 17% dari total
sampah plastik. Plastik multilayer untuk kemasan makanan secara umum terdiri dari
beberapa komponen seperti lapisan film plastik LDPE, PP, bahan adhesive dan juga
aluminium foil. Adanya komponen lapisan plastik LDPE dan PP dimungkinkan sifat
minyak yang dihasilkan juga menyerupai minyak bumi.
5-41
Pirolisis dapat didefinisikan sebagai dekomposisi thermal material organik pada
suasana inert (tanpa kehadiran oksigen) yang akan menyebabkan terbentuknya senyawa
volatil. Pirolisis secara umum dipengaruhi oleh faktor temperatur dan laju kenaikan, waktu
tinggal, komposisi material, dan katalis. Studi yang dilakukan oleh Hartulistiyoso et al
(2014) tentang distribusi temperatur 451, 404, 374, 354, 293 memberikan pengaruh
terhadap laju degradasi.
Analisis TGA pada studi Lopez et al (2011), pada campuran material plastik, plastik
yang didominasi oleh film PE, dimana PE merupakan mayoritas penyusun dari plastik
multilayer menunjukan degradasi dimulai pada temperatur 320o C dan konstan pada
temperatur 510oC. Temperatur pada studi pirolisis memiliki rentang yang berbeda-beda 350
hingga 900o C. Yebi,.dkk (2016) meneliti pirolisis menggunakan campuran material plastik
multilayer dan polystirene mengungkapkan adanya perbedaan selektifitas produk minyak
yang dihasilkan dan proporsi plastik multilayer dapat mempercepat laju kenaikan
temperatur reaksi. Penelitian pirolisis katalitik yang dilakukan oleh Syamsiro et.al (2014),
meneliti pirolisis HDPE dan PP menggunakan katalisator zeolit alam dan Y-zeolit
menunjukan adanya perbedaan produk minyak yang dihasilkan tanpa dan dengan katalis.
Studi literatur Wong et al (2015), pirolisis LDPE pada temperatur 275oC
menghasilkan minyak 48,6%, gas 40,7%, dan char sebesar 10,1% yang dilakukan di
reaktor batch. Proses pirolisis menggunakan katalis zeolit pada temperatur 255oC
menghasilkan minyak sebesar 51,19%, gas 35,88%, dan 12,50 % wax. Jika menggunakan
pirolisis katalitik maka temperatur optimum berkisar 390° C.
METODOLOGI
Pada penelitian proses pemulihan sampah plastik multilayer melalui konversi
termal-katalitik, terdiri dari tiga tahap metodologi yaitu tahap persiapan, tahap , tahap
penelitian, dan tahap analisis dan interpretasi hasil.
Tahap persiapan dimulai dengan studi literatur terkait metode termal pirolisis
secara umum serta penelitian-penelitian terkait pirolisis plastik yang sudah pernah
dipublikasikan sebelumnya. Selanjutnya dilakukan sampling komposisi sampah dan
wawancara dengan pelaku pengelolaan sampah secara non-formal di dua TPS di kota
Bandung yaitu, TPS Sadang Serang dan TPS Taman Sari. Kegiatan ini dilakukan untuk
mengetahui jenis-jenis sampah dan potensi sampah yang tidak tereduksi. Pada tahap
persiapan juga dilakukan persiapan alat dan bahan didalamnya mencakup desain dan
perakitan reaktor. Persiapan operasional dilakukan juga pada tahap ini, seperti analisis
karakteristik awal sampel, pengaturan variasi proses, dan analisis karakteristik dan
preparasi katalis.
Desain Reaktor Pirolisis
Rangkaian reaktor pirolisis ini terdiri dari tiga bagian yaitu, tangki reaktor, sistem
kondensasi, dan sistem penampung produk. Reaktor pirolisis yang digunakan adalah
reaktor sistem batch yang terbuat dari material stainless steel dengan diameter 100 mm dan
tinggi 170 mm, untuk kapasitas maksimal 200 gram. Reaktor menggunakan sistem
pemanas konduksi menggunakan elemen pemanas super kanthal yang menempel pada
badan reaktor dan dilapisi dengan ceramic fiber jacket. Sistem pemanas ini dapat mencapai
panas hingga 700o C dan kecepatan kenaikan temperatur pada sistem reaktor kosong
5-42
berkisar 30-40oC per menit. Sistem kondensasi yang akan digunakan adalah sistem aliran
contraflow secara vertikal dengan laju aliran secara spiral dimana material terbuat dari
gelas tahan panas. Rangkaian alat Gambar 1. dilengkapi dengan dua thermokopel; satu
untuk kontrol elemen pemanas dan untuk kontrol temperatur aktual pada sistem reaktor.
Produk yang akan dihasilkan berupa gas ditampung pada tedlar bag dan produk berupa
cairan ditampung didalam labu pisah.
Karakteristik dan Penentuan Variasi Percobaan
Pengambilan sampel dilakukan dengan sistem grab sampling di dua tempat
pembuangan sampah sementara (TPS) Sadang Serang dan Taman sari. Sampel diambil
sebanyak +- 10 kg untuk jenis plastik multilayer. Selanjutnya dilakukan pre-treatment
seperti pemilahan berdasarkan merek, pencucian, dan pencacahan. Tahap analisis
karakteristik fisik sampah plastik meliputi kadar air pada temperatur 105 oC, kadar volatil,
dan kadar abu pada temperatur 550 oC, dan nilai kalor menggunakan bomb-kalorimeter
dari beberapa jenis merek sampah plastik berdasarkan merek yang dominan pada
kumpulan sampah plastik multilayer.
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk menguji desain reaktor terhadap variasi
reaksi; temperatur dan waktu tinggal yang telah ditentukan sebelumnya berdasarkan studi
literatur. Variasi temperatur, 350, 400, 450, 500, dan 550oC. Variasi waktu tinggal, 60, 90,
dan 120 menit.
Penentuan variasi ini dilakukan berdasarkan jenis sampel plastik berdasarkan
merek dan bentuk fisik. Hasil penelitian pendahuluan di komparasikan dengan hasil analisa
sampel plastik dengan menggunakan metoda analisis Thermogravimetri Analytic (TGA)
untuk melihat temperatur degradasi dari sampel sampah plastik multilayer. Hasil analisis
TGA akan dijadikan acuan untuk mempersempit rentang temperatur proses yang akan
dilakukan pada penelitian utama.
Tahap penelitian langkah kedua yang dilakukan setelah melakukan persiapan
reaktor, sampel dan katalis. Pada proses pirolisis plastik multilayer ini sebanyak 100 gram
sampel dibakar berdasarkan tiga variasi bebas yaitu, temperatur, waktu tinggal, dan dosis
katalis. Proses dilakukan berdasarkan variasi temperatur; 350, 375, 400, 425oC dan variasi
waktu tinggal 60, 90, 120 menit untuk mendapatkan kondisi optimum reaksi. Variasi dosis
katalis 5, 10, 15, dan 50% dilakukan untuk memperbandingkan hasil produk pirolisis
secara termal dan termal-katalitik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi Sampah
Dari hasil data primer didapat, rata-rata komposisi sampah khususnya sampah
plastik untuk TPS Taman Sari dan Sadang Serang mencapai 16,154% dan 16,492 %
berturut-turut dari total keseluruhan total komposisi sampah. Nilai ini cukup besar dari
keseluruhan komposisi karena sampah plastik merupakan sampah yang tidak terdegradasi
dengan cepat dan dapat menimbulkan pencemaran biota air dan lingkungan.
5-43
Untuk plastik PET dan PP (kemasan gelas) yang dikumpulkan oleh pemulung
dalam waktu 4 hari berkisar antara 70 - 100 kg. Kecendrungan ini berdampak pada
komposisi sampah plastik pada TPS. Komposisi sampah plastik multilayer yang digunakan
pada studi ditemukan di TPS Taman sari dan Sadang serang sebesar 29 % dan 17 % dapat
dilihat pada Gambar 2. berikut.
Penelitian Pendahuluan
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk mendapatkan gambaran awal mengenai
proses pirolisis yang akan dilakukan serta untuk mengetahui kendala-kendala yang yang
mungkin akan dihadapi. Pada penelitian pendahuluan dilakukan beberapa hal seperti
penentuan variasi temperatur 350 hingga 550oC dan variasi waktu rentang waktu 30 hingga
120 menit.
Penentuan Variasi Temperatur
Penentuan variasi temperatur dilakukan pada rentang variasi temperatur 350 C
hingga 550 C. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Santoso 2010 dalam Yurianda 2016,
pirolisis yang dilakukan secara batch sampah plastik jenis Polypropylene (PP) dan Low
Density Polyethylene (LDPE) dengan variasi suhu 300°C, 350°C, 400°C, dan 450°C
menghasilkan liquid yield terbanyak saat pirolisis dilakukan pada suhu 450°C.
Dari uji ini diketahui laju kenaikan temperatur permenit dari setiap temperatur
proses. Pemanasan yang dilakukan berkisar antara 19 C permenit hingga 29 C permenit.
Semakin besar temperatur proses maka laju kenaikan temperatur juga semakin besar
dengan proses pemanasan secara langsung. Pada Gambar 3. diperbandingkan laju
kenaikan temperatur dari ketiga temperatur proses. Percobaan dengan temperatur 500 C
membutuhkan waktu 16 menit untuk mencapai temperatur proses dengan rata-rata laju
kenaikan temperatur sebesar 29,46 C permenit.
Penentuan Variasi Waktu
Penentuan variasi waktu terkait secara langsung dengan variasi temperatur. Pada uji
awal, proses pirolisis dioperasikan dioperasikan untuk melihat waktu yang dibutuhkan
untuk mencapai temperatur proses dengan kenaikan temperatur secara langsung. Waktu
yang dibutuhkan untuk mencapai proses berkisar antara 15,5 menit hingga 18,5 menit
untuk variasi temperatur 400, 450, dan 500 C. Proses dilakukan selama 60 menit dengan
tetesan pertama untuk temperatur 350 C pada menit ke 20,dan menit ke-14, dan ke- 12
untuk temperatur 450 dan 500 C berturut-turut.
Hasil pengamatan menunjukan selama waktu 60 menit yang ditunjukan pada
Gambar 4. produk minyak yang dihasilkan mencapai 19, 22, dan 22% untuk temperatur
400, 450,dan 500 C secara berturut-turut. Terdapat kenaikan kuantitas produk minyak dan
gas terhadap kenaikan temperatur proses. Perbandingan produk ditampilkan menunjukan
kenaikan produk per fase para perbedaa temperatur proses.
Hasil serupa pada penelitian yang dilakukan oleh Abbas dan Shubar (2008), bahwa
ketika temperatur mencapai 470-495o C , laju pembentukan gas meningkat, sedangkan laju
5-44
pembentukan residu padat (unreacted plastic) semakin menurun. Pengurangan fraksi massa
plastik yang terdekomposisi seiring dengan peningkatan waktu . Pada temperatur sama
waktu , waktu reaksi yang lebih singkat akan menghasilkan produk minyak yang lebih
banyak, sedangkan waktu yang lebih lama menghasilkan produk gas yang lebih banyak
(Taman dkk. dan Walendziewski dalam Abbas dan Shubar, 2008).
Pada proses uji awal produk minyak yang dihasilkan masih sangat sedikit berkisar
antara 3 hingga 5% dari total input. Pada Gambar.4 setelah percobaan berulang dihasilkan
produk minyak yang lebih banyak. Hasil produk diperbandingkan antara variasi temperatur
400, 450, dan 500 C. Terdapat perbedaan dari bentuk fisik produk dari ketiga variasi
temperatur, dimana produk minyak temperatur 400 C berbentuk cairan sementara produk
untuk temperatur 450 dan 500 C cenderung berbentuk tar. Kendala dengan menggunakan
variasi temperatur 450 dan 500 C menyebabkan penyumbatan pada kondensor. Sehingga
untuk percobaan utama dilakukan peninjauan ulang pada variasi temperatur.
Analisis Termal
Analisis termal bertujuan untuk mengidentifikasi laju dekomposisi. Analisis termal
dilakukan dengan metoda TGA dengan hasil berupa termogram yang menunjukan kurva
antara persen masa yang tersisa terhadap suhu. Termogram sampel plastik multilayer pada
Gambar.5 Analisis dilakukan dengan menggunakan 4,8 mg sampel dengan laju kenaikan
temperatur sebesar 15o C permenit hingga temperatur mencapai 500o C.
Kurva berwarna hijau menunjukan persen massa sampel plastik yang tersisa pada
temperatur tertentu. Termogram menunjukan sampel mulai terdegradasi pada temperatur
275o C. Pada temperatur 350 hingga 375o C sampel plastik terlah terdekomposisi sebesar
19%. Setelah temperatur 400o C sampel plastik terdekomposisi secara drastis hingga
temperatur 450o C menghasilkan massa sampel plastik 20,97.
Berdasarkan hasil analisis TGA menunjukan rentang temperatur yang sesuai
digunakan pada proses pirolisis yaitu dari 375 hingga 450 o C. Pada Tabel 1. terlihat
rentang temperatur antara 425 hingga 450o C memberikan nilai dekomposisi yang paling
besar yaitu 23,83% dari total sampel. Pada temperatur batas atas yaitu 500 o C penurunan
berat massa yang terjadi cenderung stagnan mengindikasikan sisa sampel berupa fix
carbon dan aluminium yang tidak terdekomposisi di temperatur 500o C.
Penelitian Utama
Sampel plastik multileyer yang digunakan terdiri dari jenis campuran dai berbagai
merek kemasan. Sampel sebelumnya telah melalui proses pretreatment. Kemudian proses
pemanasan dilakukan dari temperatur kamar hingga temperatur optimal proses yang di
pantau melalui thermocouple yang terhubung secara digital ke komputer. Produk hasil
pirolisis ditimbang beratnya disetiap variasi waktu (60, 90, dan 120 menit). Kesetimbangan
massa dari produk ditetapkan menurut jumlah input dan output serta didasarkan pada 100%
dari jumlah input (Lee, 2012).
Temperatur dan waktu
5-45
Proses pirolisis sampah plastik multilayer dilakukan dengan variasi temperatur 350,
375, 400, dan 425 C. Setiap proses dilakuka dengan prosedur yang sama selama 120 menit.
Proses pemanasan dengan elemen pemanas super kanthal yang di kontrol secara digital
dengan simpanan data berupa data logging.
Gambar 6. menunjukan proses pemanasan secara eksponensial yang dimulai dari
menit ke-5 hingga menit 33 untuk semua variasi temperatur. Terdapat fluktuasi temperatur
setelah mencapai temperatur optimasi reaksi. Rangakaian alat pemanas yang menggunakan
kontaktor sehingga terdapat selisih temperatur antara elemen pemanas dan temperatur
aktual reaktor dengan toleransi selisih hingga +- 10o C
Pengamatan yang dilakukan dari percobaan pendahuluan memperlihatkan bahwa
laju pemanasan yang cepat berbandingan lurus dengan kecepatan dekomposisi material
plastik. Produk yang dihasilkan dengan laju pemanasan cepat memberikan fase cair yang
berbentuk tar sehingga terjadi penyumbatan pada rangkaian kondensor reaktor.
Dari Gambar 7. menunjukan terdapat perbedaan pada produk yang dihasilkan oleh
variasi temperatur dan waktu. Kenaikan temperatur menyebabkan pergeseran produk untuk
fase cair ke arah yang lebih besar secara signifikan. Produk fase gas yang dihasilkan oleh
perbedaan temperatur mengalamai kenaikan dari temperatur 350 hingga 400 C, namun
untuk 400 dan 425 C perbedaan produk gas tidak terlalu signifikan.
Terdapat tren pergeseran konversi produk hasil pirolisis terhadap perbedaan
temperatur dan waktu proses. Produk yang dihasilkan pada temperatur 350o C didominasi
oleh residu padat yaitu hingga 97,34%, sedangkan pada temperatur tertinggi 425o C residu
padat yang dihasilkan 64,13 %. Tren kenaikan produk likuid yang dihasilkan cukup
signifikan dari 0 % menjadi 30,265% pada temperatur tertinggi. Produk gas terdapat tren
peningkatan yang sama untuk perbedaan temperatur tertinggi dan terendah yaitu 1,48%
menjadi 5,995 %
Produk Likuid
Karakteristik produk likuid dari proses pirolisis dan katalitik reformfing sampah
plastik multilayer ditunjukan pada Tabel 4. Hasil yang serupa ditunjukan pada proses
menggunakan katalis dan non-katalis. Adanya katalis memberikan sedikit penurunan pada
nilai pour point . Meskipun nilai ini masih lebih besar dari pada nilai pour point pada
minyak diesel yaitu maksimal 18oC. Hal ini menyebabkan likuid produk pirolisis menjadi
padat pada temperatur rendah. Permasalahan pada likuid dengan pour point tinggi dapat
diatasi dengan pemanasan sebelum digunakan untuk memastikan fluiditas dan menjadi
viskositas minyak (Syamsiro et at., 2014). Nilai kalor dari minyak plastik hampir sama
dengan minyak komersial karena plastik dan minyak komersial sama-sama diproduksi dari
minyak mentah.
Residu Padat
Tabel 3. menunjukan material plastik multilayer memilik kandungan air relatif
sedikit. Proses pemulihan plastik multilayer tidak cukup baik pada temperatur 350 dan
375oC. Nilai senyawa volatil pada kedua temperatur masih tinggi. Nilai senyawa volatil
5-46
meruapakan senyawa yang mudah terbakar dan memberikan sumber energi. Menurut
Gidakaros dkk (2005) bahwa rata-rata nilai senyawa volatil plastik yaitu 94,9%.
Produk gas
Produk gas yang ditampung menggunakan tedlar bag dianalisis menggunakan
instrumen GC yang diperbandingkan dengan sampel standar.
KESIMPULAN
Komposisi sampah plastik multilayer cukup besar dari total sampah plastik pada
TPS Sadang serang dan Taman sari yaitu 17 % dan 29% dari total sampah plastik.
Temperatur dan waktu memberikan pengaruh pada pergeseran produk hasil
pirolisis. Temperatur 425o C memberikan produk cair yang cukup signifikan yaitu
mencapai 30,26 % dan produk gas pada temperatur 400o C dan 425o C cenderung hampir
sama yaitu 5.96% dan 5,99 %. Temperatur yang lebih rendah 350 o C didominasi oleh
produk residu padat yang menunjukan temperatur optimum degradasi plastik multilayer
terjadi diantara 400o C hingga 425o C
Pemulihan aluminium diperoleh dari rentang 3,68 hingga 4,48% dari total residu
padat dan nilai kalor untuk char sebesar 9406,91 kal/g dan 10381,0 kal/g untuk nilai kalor
tar.
Analisis Produk gas dengan instrumen GC terdapat peningkatan konsentrasi CO2
dan CH4 dari proses tanpa katalis sebesar 554.14 dan 552.58 ppm dengan proses
menggunakan katalis sebesar 569.78 dan 574.73 ppm.
Daftar Pustaka
Abbas, A.S dan Shubar, S.D.A. (2008): Pyrolisis of high density polyethylene for the production fuel-like
liquid
hydrocarbon. Iraqi Journal of Chemical and Petroleum, Vol.9, No.1, 23 - 29.
Gidakaros, E., Havas, G., dan Ntzamilis, P. (2005): Municipal solide waste composition determination
supporting the intergrated solid waste management system in the Island
of Crete. Departement
of Environmental Engineering, Technical University of Crete, Grece.
Hartulistiyoso, E., Sigiro, F. A. P. A. G., dan Yulianto, M. (2015): Temperature distribution of the plastics
pyrolysis process to produce fuel at 450, Procedia Environmental Sciences, 28, 234 – 241.
Lee, K.H. (2012): Pyrolysis of waste polystyrene and high-density polyethylene, Korea, Institute of Energy
Research.
López, A., de Marco, I., Caballero, B. M., Laresgoiti, M. F., Adrados, A., dan Torres, A. (2011): Pyrolysis of
municipal plastic wastes II: Influence of raw material composition under catalytic conditions, Waste
Management, 31, 9 – 10.
Sarker, M., dan Rashid, M.M. 2013. Mixture of Waste Plastics to Fuel Production Process Using Catalyst
Percentage Ratio Effect Study. International Journal
of Renewable
Energy
Technology
Research. Vol 1 No 1 , PP: 01-19
Syamsiro, M., Saptoadi, H., Norsujianto, T., Noviasri, P., Cheng, S., Alimuddin, Z., dan Yoshikawa, K.
(2014): Fuel oil production from municipal plastic wastes in sequential pyrolysis and catalytic reforming
reactors, Energy Procedia, 47, 180–188.
Wong, S. L., Ngadi, N., Abdullah, T. A. T., dan Inuwa, I. M. (2015): Current state and future prospects of
plastic waste as source of fuel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 1167–1180.
Yebi, Y., Syamsiah, S., dan Saptoadi, H. (2016): Pirolisis campuran sampah plastik polistirena dengan
sampah plastik berlapisan aluminium foil (Multilayer). Jurnal Sains dan Teknologi Lingkungan, Vol.8,
No.1.
5-47
VARIASI TEMPERATUR DAN DOSIS KATALIS ZEOLIT ALAM
RECOVERY PROCESS OF MULTILAYER PLASTIC WASTE
THROUGH VARIATION OF TEMPERATURE AND DOSE OF
ZEOLITE CATALYST
1
2
Hamdi Wahyudi , Enri Damanhuri , dan Haryo Satriyo Tomo
3
Program Magister Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha Nomor 10 Bandung 40132
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak: Plastik telah menjadi permasalahan pada manajemen persampahan kota. Presentasi sampah plastik
multilayer cukup tinggi dibandingkan dengan plastik perkotaan yang terbuang ke TPS. Potensi daur ulang
dari sektor informal masih sangat rendah. Plastik multilayer untuk kemasan makanan secara umum terdiri
dari lapisan film LDPE, PP, bahan adhesive, dan aluminium foil. Tujuan dari studi ini untuk mengkonversi
dan menganalisa potens dari sampah plastik multilayer sebagai alternatif energi. Melalui konversi termalpirolisis akan menghasilkan hidrokarbon, gas, dan padatan aluminium sekunder. Proses pirolisis
menggunakan reaktor batch pada rentang temperatur 350 hingga 425 oC selama 60 hingga 120 menit. Hasil
proses ini diperbandingkan dengan proses pirolisis menggunakan penambahan katalis zeolit dengan dosis 5,
10, 15, dan 50% (b/b) plastik multilayer. Berdasarkan analisis statistik, temperatur 400oC dapat digunakan
sebagai proses dengan menggunakan katalis. Hasil pirolisis berdasarkan variasi temperatur dan waktu
menunjukan temperatatur 425o C dan waktu 120 menit memberikan produk liquid dan gas terbesar yaitu
30,2% dan 5,99%. Sedangkan temperatur 350o C menyisakan residu terbanyak hingga 97,34%.
Kata kunci: plastik multilayer, pirolisis, katalis zeolit
Abstract: Plastic has become a issue in municipal waste management. The proportion of multilayer plastic
has high proportion compoared to municipal plastic waste that discarded to TPS. The recovery potential of
multilayer plastic by informal sector is still low. Multilayer plastic for food packaging generally consist of
LDPE film, PP, adhesive, and aluminium foil. The aim of this study is to convert and analyze the potential of
multilayer plastic as alternatif energy. Thermal-pyrolysis conversion using batch reactor will generate
hidrocarbon, gas, dan secondary aluminium solid. The pyrolysis reactor was conducted in the range of
temperature 350 to 425oC for 60 until 120 minutes. The result compared with those obtained in the process
using zeolite catalyst with variation dose 5, 10, 15, and 50% (w/w) of multilayer plastic. Based on statistic
analysis, the temperature 400o C could be used for the catalysed process. The result through temperature and
duration processing time showed 425o C and 120 minutes generated liquid and gas product 30.2 % and
5.99% respectively. While the temperature 350oC generated residue with 97.34%.
Keywords: multilayer plastic, pyrolisis, zeolit catalyst
PENDAHULUAN
Sampah plastik merupakan salah satu pencemar lingkungan di Indonesia.
Permasalahan sampah plastik ini telah menjadi isu nasional bahkan internasional. Sampah
plastik perkotaan cenderung lebih heterogen dan tercampur dengan material lain.
Studi pendahuluan yang dilakukan oleh penulis pada dua TPS di kota Bandung
menemukan sampah plastik untuk kategori kemasan multilayer mencapai 17% dari total
sampah plastik. Plastik multilayer untuk kemasan makanan secara umum terdiri dari
beberapa komponen seperti lapisan film plastik LDPE, PP, bahan adhesive dan juga
aluminium foil. Adanya komponen lapisan plastik LDPE dan PP dimungkinkan sifat
minyak yang dihasilkan juga menyerupai minyak bumi.
5-41
Pirolisis dapat didefinisikan sebagai dekomposisi thermal material organik pada
suasana inert (tanpa kehadiran oksigen) yang akan menyebabkan terbentuknya senyawa
volatil. Pirolisis secara umum dipengaruhi oleh faktor temperatur dan laju kenaikan, waktu
tinggal, komposisi material, dan katalis. Studi yang dilakukan oleh Hartulistiyoso et al
(2014) tentang distribusi temperatur 451, 404, 374, 354, 293 memberikan pengaruh
terhadap laju degradasi.
Analisis TGA pada studi Lopez et al (2011), pada campuran material plastik, plastik
yang didominasi oleh film PE, dimana PE merupakan mayoritas penyusun dari plastik
multilayer menunjukan degradasi dimulai pada temperatur 320o C dan konstan pada
temperatur 510oC. Temperatur pada studi pirolisis memiliki rentang yang berbeda-beda 350
hingga 900o C. Yebi,.dkk (2016) meneliti pirolisis menggunakan campuran material plastik
multilayer dan polystirene mengungkapkan adanya perbedaan selektifitas produk minyak
yang dihasilkan dan proporsi plastik multilayer dapat mempercepat laju kenaikan
temperatur reaksi. Penelitian pirolisis katalitik yang dilakukan oleh Syamsiro et.al (2014),
meneliti pirolisis HDPE dan PP menggunakan katalisator zeolit alam dan Y-zeolit
menunjukan adanya perbedaan produk minyak yang dihasilkan tanpa dan dengan katalis.
Studi literatur Wong et al (2015), pirolisis LDPE pada temperatur 275oC
menghasilkan minyak 48,6%, gas 40,7%, dan char sebesar 10,1% yang dilakukan di
reaktor batch. Proses pirolisis menggunakan katalis zeolit pada temperatur 255oC
menghasilkan minyak sebesar 51,19%, gas 35,88%, dan 12,50 % wax. Jika menggunakan
pirolisis katalitik maka temperatur optimum berkisar 390° C.
METODOLOGI
Pada penelitian proses pemulihan sampah plastik multilayer melalui konversi
termal-katalitik, terdiri dari tiga tahap metodologi yaitu tahap persiapan, tahap , tahap
penelitian, dan tahap analisis dan interpretasi hasil.
Tahap persiapan dimulai dengan studi literatur terkait metode termal pirolisis
secara umum serta penelitian-penelitian terkait pirolisis plastik yang sudah pernah
dipublikasikan sebelumnya. Selanjutnya dilakukan sampling komposisi sampah dan
wawancara dengan pelaku pengelolaan sampah secara non-formal di dua TPS di kota
Bandung yaitu, TPS Sadang Serang dan TPS Taman Sari. Kegiatan ini dilakukan untuk
mengetahui jenis-jenis sampah dan potensi sampah yang tidak tereduksi. Pada tahap
persiapan juga dilakukan persiapan alat dan bahan didalamnya mencakup desain dan
perakitan reaktor. Persiapan operasional dilakukan juga pada tahap ini, seperti analisis
karakteristik awal sampel, pengaturan variasi proses, dan analisis karakteristik dan
preparasi katalis.
Desain Reaktor Pirolisis
Rangkaian reaktor pirolisis ini terdiri dari tiga bagian yaitu, tangki reaktor, sistem
kondensasi, dan sistem penampung produk. Reaktor pirolisis yang digunakan adalah
reaktor sistem batch yang terbuat dari material stainless steel dengan diameter 100 mm dan
tinggi 170 mm, untuk kapasitas maksimal 200 gram. Reaktor menggunakan sistem
pemanas konduksi menggunakan elemen pemanas super kanthal yang menempel pada
badan reaktor dan dilapisi dengan ceramic fiber jacket. Sistem pemanas ini dapat mencapai
panas hingga 700o C dan kecepatan kenaikan temperatur pada sistem reaktor kosong
5-42
berkisar 30-40oC per menit. Sistem kondensasi yang akan digunakan adalah sistem aliran
contraflow secara vertikal dengan laju aliran secara spiral dimana material terbuat dari
gelas tahan panas. Rangkaian alat Gambar 1. dilengkapi dengan dua thermokopel; satu
untuk kontrol elemen pemanas dan untuk kontrol temperatur aktual pada sistem reaktor.
Produk yang akan dihasilkan berupa gas ditampung pada tedlar bag dan produk berupa
cairan ditampung didalam labu pisah.
Karakteristik dan Penentuan Variasi Percobaan
Pengambilan sampel dilakukan dengan sistem grab sampling di dua tempat
pembuangan sampah sementara (TPS) Sadang Serang dan Taman sari. Sampel diambil
sebanyak +- 10 kg untuk jenis plastik multilayer. Selanjutnya dilakukan pre-treatment
seperti pemilahan berdasarkan merek, pencucian, dan pencacahan. Tahap analisis
karakteristik fisik sampah plastik meliputi kadar air pada temperatur 105 oC, kadar volatil,
dan kadar abu pada temperatur 550 oC, dan nilai kalor menggunakan bomb-kalorimeter
dari beberapa jenis merek sampah plastik berdasarkan merek yang dominan pada
kumpulan sampah plastik multilayer.
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk menguji desain reaktor terhadap variasi
reaksi; temperatur dan waktu tinggal yang telah ditentukan sebelumnya berdasarkan studi
literatur. Variasi temperatur, 350, 400, 450, 500, dan 550oC. Variasi waktu tinggal, 60, 90,
dan 120 menit.
Penentuan variasi ini dilakukan berdasarkan jenis sampel plastik berdasarkan
merek dan bentuk fisik. Hasil penelitian pendahuluan di komparasikan dengan hasil analisa
sampel plastik dengan menggunakan metoda analisis Thermogravimetri Analytic (TGA)
untuk melihat temperatur degradasi dari sampel sampah plastik multilayer. Hasil analisis
TGA akan dijadikan acuan untuk mempersempit rentang temperatur proses yang akan
dilakukan pada penelitian utama.
Tahap penelitian langkah kedua yang dilakukan setelah melakukan persiapan
reaktor, sampel dan katalis. Pada proses pirolisis plastik multilayer ini sebanyak 100 gram
sampel dibakar berdasarkan tiga variasi bebas yaitu, temperatur, waktu tinggal, dan dosis
katalis. Proses dilakukan berdasarkan variasi temperatur; 350, 375, 400, 425oC dan variasi
waktu tinggal 60, 90, 120 menit untuk mendapatkan kondisi optimum reaksi. Variasi dosis
katalis 5, 10, 15, dan 50% dilakukan untuk memperbandingkan hasil produk pirolisis
secara termal dan termal-katalitik.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi Sampah
Dari hasil data primer didapat, rata-rata komposisi sampah khususnya sampah
plastik untuk TPS Taman Sari dan Sadang Serang mencapai 16,154% dan 16,492 %
berturut-turut dari total keseluruhan total komposisi sampah. Nilai ini cukup besar dari
keseluruhan komposisi karena sampah plastik merupakan sampah yang tidak terdegradasi
dengan cepat dan dapat menimbulkan pencemaran biota air dan lingkungan.
5-43
Untuk plastik PET dan PP (kemasan gelas) yang dikumpulkan oleh pemulung
dalam waktu 4 hari berkisar antara 70 - 100 kg. Kecendrungan ini berdampak pada
komposisi sampah plastik pada TPS. Komposisi sampah plastik multilayer yang digunakan
pada studi ditemukan di TPS Taman sari dan Sadang serang sebesar 29 % dan 17 % dapat
dilihat pada Gambar 2. berikut.
Penelitian Pendahuluan
Penelitian pendahuluan dilakukan untuk mendapatkan gambaran awal mengenai
proses pirolisis yang akan dilakukan serta untuk mengetahui kendala-kendala yang yang
mungkin akan dihadapi. Pada penelitian pendahuluan dilakukan beberapa hal seperti
penentuan variasi temperatur 350 hingga 550oC dan variasi waktu rentang waktu 30 hingga
120 menit.
Penentuan Variasi Temperatur
Penentuan variasi temperatur dilakukan pada rentang variasi temperatur 350 C
hingga 550 C. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Santoso 2010 dalam Yurianda 2016,
pirolisis yang dilakukan secara batch sampah plastik jenis Polypropylene (PP) dan Low
Density Polyethylene (LDPE) dengan variasi suhu 300°C, 350°C, 400°C, dan 450°C
menghasilkan liquid yield terbanyak saat pirolisis dilakukan pada suhu 450°C.
Dari uji ini diketahui laju kenaikan temperatur permenit dari setiap temperatur
proses. Pemanasan yang dilakukan berkisar antara 19 C permenit hingga 29 C permenit.
Semakin besar temperatur proses maka laju kenaikan temperatur juga semakin besar
dengan proses pemanasan secara langsung. Pada Gambar 3. diperbandingkan laju
kenaikan temperatur dari ketiga temperatur proses. Percobaan dengan temperatur 500 C
membutuhkan waktu 16 menit untuk mencapai temperatur proses dengan rata-rata laju
kenaikan temperatur sebesar 29,46 C permenit.
Penentuan Variasi Waktu
Penentuan variasi waktu terkait secara langsung dengan variasi temperatur. Pada uji
awal, proses pirolisis dioperasikan dioperasikan untuk melihat waktu yang dibutuhkan
untuk mencapai temperatur proses dengan kenaikan temperatur secara langsung. Waktu
yang dibutuhkan untuk mencapai proses berkisar antara 15,5 menit hingga 18,5 menit
untuk variasi temperatur 400, 450, dan 500 C. Proses dilakukan selama 60 menit dengan
tetesan pertama untuk temperatur 350 C pada menit ke 20,dan menit ke-14, dan ke- 12
untuk temperatur 450 dan 500 C berturut-turut.
Hasil pengamatan menunjukan selama waktu 60 menit yang ditunjukan pada
Gambar 4. produk minyak yang dihasilkan mencapai 19, 22, dan 22% untuk temperatur
400, 450,dan 500 C secara berturut-turut. Terdapat kenaikan kuantitas produk minyak dan
gas terhadap kenaikan temperatur proses. Perbandingan produk ditampilkan menunjukan
kenaikan produk per fase para perbedaa temperatur proses.
Hasil serupa pada penelitian yang dilakukan oleh Abbas dan Shubar (2008), bahwa
ketika temperatur mencapai 470-495o C , laju pembentukan gas meningkat, sedangkan laju
5-44
pembentukan residu padat (unreacted plastic) semakin menurun. Pengurangan fraksi massa
plastik yang terdekomposisi seiring dengan peningkatan waktu . Pada temperatur sama
waktu , waktu reaksi yang lebih singkat akan menghasilkan produk minyak yang lebih
banyak, sedangkan waktu yang lebih lama menghasilkan produk gas yang lebih banyak
(Taman dkk. dan Walendziewski dalam Abbas dan Shubar, 2008).
Pada proses uji awal produk minyak yang dihasilkan masih sangat sedikit berkisar
antara 3 hingga 5% dari total input. Pada Gambar.4 setelah percobaan berulang dihasilkan
produk minyak yang lebih banyak. Hasil produk diperbandingkan antara variasi temperatur
400, 450, dan 500 C. Terdapat perbedaan dari bentuk fisik produk dari ketiga variasi
temperatur, dimana produk minyak temperatur 400 C berbentuk cairan sementara produk
untuk temperatur 450 dan 500 C cenderung berbentuk tar. Kendala dengan menggunakan
variasi temperatur 450 dan 500 C menyebabkan penyumbatan pada kondensor. Sehingga
untuk percobaan utama dilakukan peninjauan ulang pada variasi temperatur.
Analisis Termal
Analisis termal bertujuan untuk mengidentifikasi laju dekomposisi. Analisis termal
dilakukan dengan metoda TGA dengan hasil berupa termogram yang menunjukan kurva
antara persen masa yang tersisa terhadap suhu. Termogram sampel plastik multilayer pada
Gambar.5 Analisis dilakukan dengan menggunakan 4,8 mg sampel dengan laju kenaikan
temperatur sebesar 15o C permenit hingga temperatur mencapai 500o C.
Kurva berwarna hijau menunjukan persen massa sampel plastik yang tersisa pada
temperatur tertentu. Termogram menunjukan sampel mulai terdegradasi pada temperatur
275o C. Pada temperatur 350 hingga 375o C sampel plastik terlah terdekomposisi sebesar
19%. Setelah temperatur 400o C sampel plastik terdekomposisi secara drastis hingga
temperatur 450o C menghasilkan massa sampel plastik 20,97.
Berdasarkan hasil analisis TGA menunjukan rentang temperatur yang sesuai
digunakan pada proses pirolisis yaitu dari 375 hingga 450 o C. Pada Tabel 1. terlihat
rentang temperatur antara 425 hingga 450o C memberikan nilai dekomposisi yang paling
besar yaitu 23,83% dari total sampel. Pada temperatur batas atas yaitu 500 o C penurunan
berat massa yang terjadi cenderung stagnan mengindikasikan sisa sampel berupa fix
carbon dan aluminium yang tidak terdekomposisi di temperatur 500o C.
Penelitian Utama
Sampel plastik multileyer yang digunakan terdiri dari jenis campuran dai berbagai
merek kemasan. Sampel sebelumnya telah melalui proses pretreatment. Kemudian proses
pemanasan dilakukan dari temperatur kamar hingga temperatur optimal proses yang di
pantau melalui thermocouple yang terhubung secara digital ke komputer. Produk hasil
pirolisis ditimbang beratnya disetiap variasi waktu (60, 90, dan 120 menit). Kesetimbangan
massa dari produk ditetapkan menurut jumlah input dan output serta didasarkan pada 100%
dari jumlah input (Lee, 2012).
Temperatur dan waktu
5-45
Proses pirolisis sampah plastik multilayer dilakukan dengan variasi temperatur 350,
375, 400, dan 425 C. Setiap proses dilakuka dengan prosedur yang sama selama 120 menit.
Proses pemanasan dengan elemen pemanas super kanthal yang di kontrol secara digital
dengan simpanan data berupa data logging.
Gambar 6. menunjukan proses pemanasan secara eksponensial yang dimulai dari
menit ke-5 hingga menit 33 untuk semua variasi temperatur. Terdapat fluktuasi temperatur
setelah mencapai temperatur optimasi reaksi. Rangakaian alat pemanas yang menggunakan
kontaktor sehingga terdapat selisih temperatur antara elemen pemanas dan temperatur
aktual reaktor dengan toleransi selisih hingga +- 10o C
Pengamatan yang dilakukan dari percobaan pendahuluan memperlihatkan bahwa
laju pemanasan yang cepat berbandingan lurus dengan kecepatan dekomposisi material
plastik. Produk yang dihasilkan dengan laju pemanasan cepat memberikan fase cair yang
berbentuk tar sehingga terjadi penyumbatan pada rangkaian kondensor reaktor.
Dari Gambar 7. menunjukan terdapat perbedaan pada produk yang dihasilkan oleh
variasi temperatur dan waktu. Kenaikan temperatur menyebabkan pergeseran produk untuk
fase cair ke arah yang lebih besar secara signifikan. Produk fase gas yang dihasilkan oleh
perbedaan temperatur mengalamai kenaikan dari temperatur 350 hingga 400 C, namun
untuk 400 dan 425 C perbedaan produk gas tidak terlalu signifikan.
Terdapat tren pergeseran konversi produk hasil pirolisis terhadap perbedaan
temperatur dan waktu proses. Produk yang dihasilkan pada temperatur 350o C didominasi
oleh residu padat yaitu hingga 97,34%, sedangkan pada temperatur tertinggi 425o C residu
padat yang dihasilkan 64,13 %. Tren kenaikan produk likuid yang dihasilkan cukup
signifikan dari 0 % menjadi 30,265% pada temperatur tertinggi. Produk gas terdapat tren
peningkatan yang sama untuk perbedaan temperatur tertinggi dan terendah yaitu 1,48%
menjadi 5,995 %
Produk Likuid
Karakteristik produk likuid dari proses pirolisis dan katalitik reformfing sampah
plastik multilayer ditunjukan pada Tabel 4. Hasil yang serupa ditunjukan pada proses
menggunakan katalis dan non-katalis. Adanya katalis memberikan sedikit penurunan pada
nilai pour point . Meskipun nilai ini masih lebih besar dari pada nilai pour point pada
minyak diesel yaitu maksimal 18oC. Hal ini menyebabkan likuid produk pirolisis menjadi
padat pada temperatur rendah. Permasalahan pada likuid dengan pour point tinggi dapat
diatasi dengan pemanasan sebelum digunakan untuk memastikan fluiditas dan menjadi
viskositas minyak (Syamsiro et at., 2014). Nilai kalor dari minyak plastik hampir sama
dengan minyak komersial karena plastik dan minyak komersial sama-sama diproduksi dari
minyak mentah.
Residu Padat
Tabel 3. menunjukan material plastik multilayer memilik kandungan air relatif
sedikit. Proses pemulihan plastik multilayer tidak cukup baik pada temperatur 350 dan
375oC. Nilai senyawa volatil pada kedua temperatur masih tinggi. Nilai senyawa volatil
5-46
meruapakan senyawa yang mudah terbakar dan memberikan sumber energi. Menurut
Gidakaros dkk (2005) bahwa rata-rata nilai senyawa volatil plastik yaitu 94,9%.
Produk gas
Produk gas yang ditampung menggunakan tedlar bag dianalisis menggunakan
instrumen GC yang diperbandingkan dengan sampel standar.
KESIMPULAN
Komposisi sampah plastik multilayer cukup besar dari total sampah plastik pada
TPS Sadang serang dan Taman sari yaitu 17 % dan 29% dari total sampah plastik.
Temperatur dan waktu memberikan pengaruh pada pergeseran produk hasil
pirolisis. Temperatur 425o C memberikan produk cair yang cukup signifikan yaitu
mencapai 30,26 % dan produk gas pada temperatur 400o C dan 425o C cenderung hampir
sama yaitu 5.96% dan 5,99 %. Temperatur yang lebih rendah 350 o C didominasi oleh
produk residu padat yang menunjukan temperatur optimum degradasi plastik multilayer
terjadi diantara 400o C hingga 425o C
Pemulihan aluminium diperoleh dari rentang 3,68 hingga 4,48% dari total residu
padat dan nilai kalor untuk char sebesar 9406,91 kal/g dan 10381,0 kal/g untuk nilai kalor
tar.
Analisis Produk gas dengan instrumen GC terdapat peningkatan konsentrasi CO2
dan CH4 dari proses tanpa katalis sebesar 554.14 dan 552.58 ppm dengan proses
menggunakan katalis sebesar 569.78 dan 574.73 ppm.
Daftar Pustaka
Abbas, A.S dan Shubar, S.D.A. (2008): Pyrolisis of high density polyethylene for the production fuel-like
liquid
hydrocarbon. Iraqi Journal of Chemical and Petroleum, Vol.9, No.1, 23 - 29.
Gidakaros, E., Havas, G., dan Ntzamilis, P. (2005): Municipal solide waste composition determination
supporting the intergrated solid waste management system in the Island
of Crete. Departement
of Environmental Engineering, Technical University of Crete, Grece.
Hartulistiyoso, E., Sigiro, F. A. P. A. G., dan Yulianto, M. (2015): Temperature distribution of the plastics
pyrolysis process to produce fuel at 450, Procedia Environmental Sciences, 28, 234 – 241.
Lee, K.H. (2012): Pyrolysis of waste polystyrene and high-density polyethylene, Korea, Institute of Energy
Research.
López, A., de Marco, I., Caballero, B. M., Laresgoiti, M. F., Adrados, A., dan Torres, A. (2011): Pyrolysis of
municipal plastic wastes II: Influence of raw material composition under catalytic conditions, Waste
Management, 31, 9 – 10.
Sarker, M., dan Rashid, M.M. 2013. Mixture of Waste Plastics to Fuel Production Process Using Catalyst
Percentage Ratio Effect Study. International Journal
of Renewable
Energy
Technology
Research. Vol 1 No 1 , PP: 01-19
Syamsiro, M., Saptoadi, H., Norsujianto, T., Noviasri, P., Cheng, S., Alimuddin, Z., dan Yoshikawa, K.
(2014): Fuel oil production from municipal plastic wastes in sequential pyrolysis and catalytic reforming
reactors, Energy Procedia, 47, 180–188.
Wong, S. L., Ngadi, N., Abdullah, T. A. T., dan Inuwa, I. M. (2015): Current state and future prospects of
plastic waste as source of fuel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 1167–1180.
Yebi, Y., Syamsiah, S., dan Saptoadi, H. (2016): Pirolisis campuran sampah plastik polistirena dengan
sampah plastik berlapisan aluminium foil (Multilayer). Jurnal Sains dan Teknologi Lingkungan, Vol.8,
No.1.
5-47