Pengaruh Suhu Pirolisis dan Jumlah Katalis Karbon Aktif terhadap Yield dan Kualitas Bahan Bakar Cair dari Limbah Plastik Jenis Polipropilena

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Plastik
Plastik adalah kelompok umum bahan sintetis atau alami, terdiri dari molekul

rantai tinggi yang dimana elemen utamanya adalah karbon. Dalam penggunaan umum
istilah plastik, polimer, dan resin secara kasar setara. Plastik dibuat dari monomer,
yaitu unit molekul berulang dan berupa rantai balok melalui berbagai proses kimia,
seperti [13]:
• Polimerisasi katalitik atau peroksida yang tersusun dari monomer , misalnya
propilena, atau butadiena + stiren (kopolimer);
• Polikondensasi dari monomer berbeda (misalnya asam organik bifunctional
dan alkohol atau amina);
• Poliadisi molekul monomer yang reaktif.
Plastik berdasarkan jenisnya terdiri atas dua yaitu termoplastik dan termoset
plastik, termoplastik adalah plastik yang sudah dibentuk dapat melunak dengan
perlakuan panas dan dapat dibentuk kembali berulang-ulang, sampai kehilangan
penyusunnya, contoh: polietilena, polipropilena, nilon, polikarbonat, dll, yang contoh

penerapannya seperti ember polietilena, cangkir polistirena, tali nilon, dll.
Thermosetting plastik adalah plastik yang sudah dibentuk tidak bisa dilunakkan oleh
perlakuan

panas.

Kelebihan

panas

akan

membuat

penyusun

hangus.

Contoh: fenol formaldehid, urea formaldehid, melamin formaldehid, termosetting
poliester, dll, yang contoh penerapannya seperti : switch listrik, meja sermica, melamin

Cutlery [14].

2.1.1 Daur Ulang Plastik
Konsumsi bahan plastik meningkat dengan pesat karna memiliki banyak
keuntungan dalam penggunaanya diantaranya biaya yang relatif rendah dan daya tahan
yang lama karena memiliki stabilitas kimia yang tinggi dan penguraian yang rendah.
Beberapa plastik yang sering digunakan adalah poliolefin seperti polietilena dan
polipropilena,

yang

memiliki

produksi

besar-besaran

dan

konsumsi

dalam banyak aplikasi seperti kemasan, bangunan, listrik dan elektronik, pertanian,

6
Universitas Sumatera Utara

dan kesehatan. Sebaliknya, sifat ketahanan yang tinggi membuat pembuangan limbah
plastik merupakan masalah lingkungan yang sangat serius sebagai contoh landfill,
menjadi cara pembuangan yang paling sering digunakan. Limbah plastik dapat
diklasifikasikan sebagai limbah plastik industri dan kota menurut asal-usul mereka,
kelompok-kelompok ini memiliki kualitas dan sifat yang berbeda [8].
Plastik adalah polimer non-biodegradable sebagian besar mengandung karbon,
hidrogen, dan beberapa unsur lainnya seperti klorin, nitrogen dan lain lain. Karena
sifat non-biodegradable, sampah plastik memberikan kontribusi yang signifikan
terhadap masalah pengelolaan sampah kota. Produksi plastik secara signifikan tumbuh
dan saat ini produksi plastik lebih dari 200 MT di seluruh dunia setiap tahunnya [2].
Konsumsi per kapita plastik dari beberapa dekade terakhir meningkat dengan cepat,
yang terlihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 : Konsumsi Plastik per Kapita Beberapa Negara Terpilih di Dunia [14].
Negara

Konsumsi Per kapita dalam kg

India (1998)
India (2000)
Vietanam
China
Indonesia
Mexico
Thailand
Malaysia
Eropa Barat
Jepang
Amerika Utara

1,6
4,0
1,5
6,0
8,0

13,0
18,0
22,0
60,0
70,0
78,0

Daur ulang adalah solusi terbaik untuk lingkungan dari industri plastik, yang
dimana dikategorikan menjadi daur ulang primer, sekunder, tersier, dan kuartener.
Daur ulang kimia yaitu konversi limbah plastik menjadi bahan baku atau bahan bakar
telah diakui sebagai pendekatan yang ideal dan secara signifikan dapat mengurangi
biaya pembuangan. Produksi hidrokarbon dari degradasi plastik akan bermanfaat
dimana, cairan mudah disimpan, ditangani dan diangkut [8].
Poliolefin memberikan hasil distilat terbaik karena memiliki rantai lurus dari
struktur hidrokarbon. Polietilena dan polipropilena merupakan bahan yang paling
bagus untuk dijadikan bahan bakar termo sedangkan polietilena tereftalat yang paling
tidak cocok untuk didaur ulang menjadi bahan bakar dan dapat dilihat pada Tabel 2.2.

7
Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.2 Pemilihan Plastik [12]

Resin

Kecocokan Sistem Bahan Bakar

Polietilen (PE)
Polipropilena (PP)
Polistiren (PS)

Sangat Baik
Sangat Baik
Sangat Baik (Menghasilkan Minyak yang
baik)

Resin ABS (ABS)
Polivinilclorida (PVC)
Poliuritene (PUR)
Fiber Reinforced Plastics (FRP)

Baik
Tidak cocok, harus dihindari
Tidak cocok, harus dihindari
Terbakar, perlakuan awal digunakan
untuk menghapus serat

PET

Tidak cocok, harus dihindari

Jenis limbah plastik & daur ulangnya, Tabel 2.3 menunjukkan berbagai jenis
limbah plastik dan daur ulangnya, dengan standar tanda daur ulang untuk
mengidentifikasi dengan mudah untuk banyak aplikasi.
Tabel 2.3: Jenis-jenis Limbah Plastik dan Daur Ulang [14]
Lambang

Tipe

Daur

Ulang

Polimer

Deskripsi

Tipe 1

Ya

PET

Polietilen tereftalat
Botol Minuman

Tipe 2

Ya

HDPE

Tipe 3

Ya

V/PVC

High-Density
Polyethylene
Botol deterjen &
minyak
, mainan, wadah
digunakan di luar,
komponen dan
kantong plastik
Vinyl / Polyvinyl
khlorida
Pembungkus makanan,
botol minyak sayuran,
paket blister

atau bagian otomotif.

8
Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.3: Jenis-jenis Limbah Plastik dan Daur Ulang [14] (lanjutan)
Lambang

Tipe

Daur
Ulang

Polimer

Tipe 4

Ya

LDPE

Tipe 5

Ya

PP

Tipe 6

Ya, tapi
tidak
umum

PS

Tipe 7

Beberapa

Deskripsi
Low Density
Polyethylene,
Kantong plastik,
tas pakaian atau
plastik kemasan.
Polipropilena.
Kemasan berpendingin,
beberapa kantong,
sebagian atas botol,
beberapa karpet, dan
beberapa bungkus
makanan.
Polistiren.
Pengepakan daging,
pelindung
packing.
Lainnya. biasanya
yang berlapis atau
dicampur
plastik.

Pengetahuan sifat termal dari berbagai jenis plastik sangat berguna untuk proses
pembuatan serta daur ulang plastik. Sifat-sifat termal yang penting adalah titik lebur
(Tm), temperatur transisi (Tg) dan temperatur dekomposisi. Temperatur transisi adalah
temperatur ketika plastik mengalami perenggangan struktur sehingga terjadi
perubahan dari kondisi kaku menjadi lebih fleksibel. Diatas titik lebur, plastik
mengalami pembesaran volume sehingga molekul bergerak lebih bebas yang ditandai
dengan peningkatan kelenturannya. Temperatur lebur adalah temperatur di mana
plastik mulai melunak dan berubah menjadi cair. Temperatur dekomposisi merupakan
batasan dari proses pencairan. Jika suhu dinaikkan di atas temperatur lebur, plastik
akan mudah mengalir dan struktur akan mengalami dekomposisi. Dekomposisi terjadi
karena energi termal melampaui energi yang mengikat rantai molekul. Secara umum
polimer akan mengalami dekomposisi pada suhu di atas 1,5 kali dari temperatur
transisinya. Data sifat termal yang penting pada proses daur ulang plastik bisa dilihat
pada Tabel 2.4.

9
Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.4 Data Temperatur Transisi dan Temperatur Lebur Plastik [5]
Jenis Bahan

Tm (°C)

Tg (°C )

PP
HDPE
LDPE
PA
PET
ABS
PS
PMMA
PC
PVC

168
134
330
260
250
-

5
-110
-115
50
70
110
90
100
150
90

Temperatur Proses
Maks (°C)
80
82
260
100
100
85
70
85
246
71

Pada penelitian ini, polimer yang digunakan yaitu polipropilena yang berasal
dari plastik bekas kemasan gelas (PBKG). Polipropilena digunakan karena sangat
sesuai untuk dijadikan bahan bakar, dan dari segi harga untuk pemprosesan lebih
murah serta ketersediannya yang cukup melimpah.

2.1.2 Polipropilena
Polipropilena termasuk kelompok plastik termoplastik, kata homopolimer
berarti bahwa materi yang dalam hal ini adalah polipropilena (PP), dibentuk dari
monomer tunggal melalui polimerisasi. Polipropilena termasuk dalam kelompok
kristal dan kristalinitas ini dapat dilihat dalam warna transparan dalam produk yang
dibuat dari polipropilena [15]. Gambar 2.1 menunjukkan rumus struktur polipropilena.

Gambar 2.1 Rumus Struktur Polipropilena [15]

Konfigurasi polipropilena dapat dibagi menjadi isotaktik, sindiotaktik dan
ataktik. Nama-nama berasal dari bagaimana kelompok CH3 tersusun dalam polimer.
Jika kelompok CH3 terletak pada sisi yang sama maka bahan tersebut jenis isotaktik.
Jika kelompok CH3 berada atau terletak diatas dan bawah dalam penyusunan yang
berlanjut maka sindiotaktik. Jika tidak ada rangka sama sekali maka ataktik.

10
Universitas Sumatera Utara

Mayoritas polipropilena dianggap isotaktik. Tabel 2.5 menunjukkan perbandingan
antara nilai PP yang berbeda konfigurasinya.
Tabel 2.5 Perbandingan Sifat PP [15]
Konfigurasi
Densitas (g/cm3)
Tegangan (MPa)
Ketegangan (%)
Nilai Aliran
lelehan (g/10min)
Keburaman (%)
Kristalinitas (%)
Temperatur Leleh

PPisotaktik
0,903
20-35
100-300
1,8

PPSindotaktik
0,9
2,4
3

PPAtaktik
0,855
2
2000
0,1

85
40-66
163

1,7
30-40
168

18
Amorf
-

Polipropilena memiliki suhu transisi gelas 0° C, semua polipropilena yang
homopolimer menjadi rapuh pada suhu rendah. Titik leleh kristalnya berkisar pada
160-165 °C lebih tinggi dari PE. Oleh karena itu, suhu reaksi yang maksimal juga lebih
tinggi, dengan jangka pendek 140° C dan jangka panjang 100° C. Sifat listrik PP jika
dibandingkan dengan PE, lebih tidak terpengaruh oleh paparan air disebabkan PP
hanya menyerap sedikit air. Karena struktur non-polar, PP secara kimiawi sangat tahan
hingga 120 °C [15].
Polipropilena digunakan dalam berbagai macam aplikasi termasuk kemasan,
pelabelan, tekstil (misalnya, tali, pakaian dalam dan karpet), alat tulis, bagian plastik
seperti gelas minuman dan berbagai jenis kontainer plastik, peralatan laboratorium,
pengeras suara dan komponen otomotif. Gambar 2.2 menunjukkan plastik bekas gelas
kemasan (PBKG).

Gambar 2.2 Plastik Bekas Kemasan Gelas (PBKG) Jenis PP

11
Universitas Sumatera Utara

2.2

Karbon Aktif
Karbon aktif merupakan padatan berpori yang mengandung 85% - 95% karbon.

Bahan-bahan yang mengandung unsur karbon dapat menghasilkan karbon aktif
dengan cara memanaskannya pada suhu tinggi. Pori-pori tersebut dapat dimanfaatkan
sebagai agen penyerap (adsorben). Karbon aktif dengan luas permukaan yang besar
dapat digunakan untuk berbagai aplikasi yaitu sebagai penghilang warna, penghilang
rasa, penghilang bau dan agen pemurni dalam industri makanan. Selain itu juga banyak
digunakan dalam proses pemurnian air baik dalam proses produksi air minum maupun
dalam penanganan limbah [16]
Karbon aktif mempunyai bentuk amorf yang terdiri dari pelat pelat datar dimana
atom - atom karbonnya tersusun dan terikat dalam kisi heksagonal yang secara acak
berorentasi dengan karbon yang tidak terorganisir [17]. Gambar 2.3 menunjukkan
struktur permukaan karbon aktif.

Gambar 2.3 Struktur Permukaan Karbon Aktif [18]
Karbon aktif juga dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis sebagai berikut:


Karbon aktif granular
Jenis ini berbentuk butiran atau pelle, biasanya digunakan untuk proses pada
fluida phase gas, ukuran granular 4 x 8 mesh sampai 10 x 20 mesh.



Karbon aktif powder
Umumnya diproduksi dari bahan kayu dalam bentuk serbuk gergaji, jenis
ini memiliki ukuran rata - rata 15 ηm – 25 ηm.



Karbon aktif moleculer sieves
Merupakan suatu material yang menarik sebagai model karbon aktif sejak
memiliki ukuran mikropori yang seragam dan kecil.

12
Universitas Sumatera Utara



Karbon aktif fiber
Memiliki ukuran yang lebih kecil dari karbon aktif powder. Sebagian besar
karbon aktif fiber memiliki diameter antar 7 ηm – 15 ηm [17].

Selain sebagai adsorben, karbon aktif juga merupakan katalis yang paling baik
untuk degradasi bahan polietilena (PE) dan menghasilkan komponen aromatik yang
tinggi. Berdasarkan penelitian terdahulu diperoleh bahwa plastik jenis PE dapat diolah
menjadi bahan bakar cair dengan metode pirolisis. Karbon aktif adalah katalis yang
efisien untuk jenis degradasi dan dapat menghasilkan jumlah senyawa aromatik yang
lebih tinggi. Karbon aktif dipilih karena menunjukkan sifat mekanik yang tinggi, tahan
panas, murah dan sebagai katalis terbaik untuk degradasi katalitik limbah PE dimana
suhu optimum untuk reaksi katalitik adalah 450 °C [9].
Karbon aktif saat ini digunakan dalam berbagai aplikasi yang pengembangannya
berputar pada struktur dari pori, seperti pengolahan dan pemurnian, pemulihan produk,
dan peningkatan kemampuan katalitik zat lain, dengan cara menambah antarmuka
antara katalis dan substrat di daerah fisik yang lebih luas. Karbon aktif juga
menunjukkan hasil yang baik sebagai katalis yang dalam reaksi yang melibatkan
hidrogen, karbon, dan kombinasinya (termasuk dekomposisi dari rantai pendek
hidrokarbon seperti metana), yang menunjukkan bahwa hal itu mungkin memiliki
landasan digunakan sebagai katalis dalam pirolisis plastik [11].

2.3

Proses Pirolisis
Pirolisis yaitu pemanasan dalam kondisi bebas oksigen, mengurai senyawa

organik dari suatu bahan menjadi produk cair dan gas dengan melepaskan ikatan
bahan-bahan anorganik yang terikat [19]. Proses pirolisis dapat disebut juga dengan
proses perengkahan atau cracking. Cracking adalah proses pemecahan rantai polimer
menjadi senyawa dengan berat molekul yang lebih rendah. Hasil dari proses cracking
plastik ini dapat digunakan sebagai bahan kimia atau bahan bakar. Ada tiga macam
proses cracking yaitu hidro cracking, thermal cracking dan catalytic cracking [2].
Konversi limbah plastik menjadi bahan bakar memiliki beberapa keuntungan,
dan merupakan salah satu alternatif utama untuk pengolahan limbah plastik, karena
metode landfill dan insenerasi memiliki berbagai dampak terhadap lingkungan seperti

13
Universitas Sumatera Utara

polusi udara serta pencemaran tanah. Dalam pirolisis, bahan polimer dipanaskan
sampai suhu tinggi, sehingga struktur makromolekul mereka dipecah menjadi molekul
yang lebih kecil dan spektrum yang luas dari hidrokarbon yang terbentuk, produk
pirolisis dapat dibagi menjadi fraksi gas, fraksi cair yang terdiri dari parafin, olefin,
naftena dan aromatik (Pona), dan residu padat [14].

2.3.1 Thermal Cracking
Pirolisis, disebut juga thermolisis (Yunani: pur = api, termos = hangat; luo =
melonggarkan), adalah proses dekomposisi kimia dan termal, umumnya mengarah ke
molekul yang lebih kecil. Thermolisis adalah istilah yang lebih tepat daripada pirolisis
karena api menunjukkan adanya oksigen. Disebagian besar proses pirolisis udara
dihilangkan untuk alasan keamanan, kualitas produk, dan yield. Pirolisis dapat
dilakukan pada berbagai suhu, waktu reaksi, tekanan, dan dengan adanya atau tidak
adanya gas atau cairan, dan katalis reaktif. Pirolisis plastik dapat di proses pada suhu
rendah ( 600 ºC) dan umumnya
dilakukan pada tekanan atmosfer [13].
Keuntungan dari proses pirolisis/thermal cracking adalah [8]:
a)

Volume sampah berkurang secara signifikan ( PP > PE. Plastik dengan struktur polisiklik mempunyai hasil cairan
dan padatan yang lebih banyak dibandingkan plastik yang mempunyai struktur
poliolefinik [13].

22
Universitas Sumatera Utara

2.5

Standarisasi Diesel
Indonesia menghasilkan dua jenis bahan bakar diesel yaitu. Diesel 48 (Solar)

dan Diesel 51 (Pertamina Dex). Seperti dapat dilihat pada Tabel 2.7 merupakan sifat
bahan bakar diesel komersial sesuai peraturan pemerintah Indonesia.
Tabel 2.7 Sifat Bahan Bakar Diesel Komersial [29]
Properties
Cetane number
Density @ 15°C
Kinematic
viscosity @ 40°C
Flash point
Pour point
Water content
Sulfur content
Ash content

units

g/cm
cSt

Diesel 48 (Solar)

3

°C
°C
mg/kg
%wt
%wt

48
0,815-0,870
2,0-5,0

Diesel 51
(Pertamina Dex)
51
0,820-0,860
2,0-4,5

min 60
max 18
max 500
max 0,35
max 0,01

min 55
max 18
max 500
max 0,05
max 0,01

23
Universitas Sumatera Utara