Semnas XVIII-Penentuan Lokasi Kantor Perwakilan

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
STUDY EKSPERIMEN PENGARUH PENAMBAHAN SURFAKTAN
TERHADAP CAMPURAN BAHAN BAKAR BIODIESEL DAN
ETHANOL HYDROUS TERHADAP PERFORMA DIESEL ENGINE
Anggra Fiveriati 1) dan Atok Setiawan2)
1) Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS Jalan Arief Rahman Hakim Keputih-Sukolilo, Surabaya, 60111, Indonesia
e-mail: [email protected]
2) Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
ABSTRAK
Biodiesel dan ethanol merupakan energi terbarukan yang ramah lingkungan jika
dibanding dengan bahan bakar diesel (solar), kelemahan biodiesel memiliki titik flash point
yang tinggi sehingga tidak mudah terbakar membuat waktu ignation delay (waktu persiapan
pembakaran) yang lama, Biodiesel dicampurkan dengan ethanol mengakibatkan nilai flash
pointnya menurun. Ethanol hydrous merupakan ethanol yang kadar kemurniannya kurang dari
99%, yang mana memiliki kandungan air yang lebih banyak dibanding ethanol anhydrous.
Pada etahol hydrous kandungan air yang lebih dari 1% membuatnya tidak bisa tercampur
dengan bahan bakar, oleh sebab itu ditambahkan zat tambahan surfaktan agar dapat
tercampur. Surfaktan memiliki kemampuan dapat mengemulsikan air dan minyak serta
menurunkan tegangan permukaan bahan bakar, sehingga bahan bakar dapat lebih homogen
yang menyebabkan bahan bakar teratomisasi menjadi droplet yang lebih kecil. Pada
eksperimen ini terbagi menjadi enam variasi yaitu, variasi 1 bahan bakar diesel (solar), variasi
2 (biodiesel 58%, diesel 30%, etanol hydrous 10% dan surfaktan 2%), variasi 3 (biodiesel
58%, diesel 20%, etanol hydrous 20% dan surfaktan 2 %), variasi 4 (biodiesel 58%, diesel
10%, ethnol hydrous 30% dan surfaktan 2), variasi 5 (diesel 68%, etanol hydrous 30% dan
surfaktan 2%) dan variasi 6 (biodiesel 68%,etanol hydrous 30% dan surfaktan 2%), pengujian
dilakukan di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Jurusan Teknik Mesin FTIITS. Dengan menggunakan generator type LA40AE-S pada konstan speed 1500 RPM dengan
pembebanan lampu. Dari penelitian ini dapat diketahui penambahan etanol hydrous dan
surfaktan dapat mengurangi konsumsi bahan bakar 2%-5%, namun daya yang dihasilkan
menurun 3%-38% dan terjadi penurunan torsi 2%-31%. Jadi dapat disimpulkan penambahan
ethanol dan surfaktan dapat menghemat konsumsi bahan bakar, namun daya yang dihasilkan
kecil kalau dibanding dengan bahan bakar solar 100%.
Kata kunci: Biodiesel, Ethanol Hydrous dan Surfaktan
PENDAHULUAN
Solar merupakan salah satu energi yang tidak dapat diperbarui, salah satu sumber
energi terbarukan yang adalah minyak nabati yang dapat diolah menjadi bahan bakar mesin
diesel, dikenal sebagai biodiesel. Ethanol Hydrous adalah etanol kandungan 96% yang mana
tidak bisa tercampur dengan bahan bakar, dikarenakan kandungan air pada Ethanol Hydrous
lebih dari 1% yaitu 4%, sehingga jika dicampur dengan bahan baka rnakan terjadi sparasi.
Pada pencampuran etanol hydrous pada bahan bakar diesel, biodiesel dengan tambahan
surfaktan, yang mana surfaktan berfungsi untuk membantu pada pencampuran agar tidak
terjadi sparasi dan stabil. Pada campuran ethanol pada biodiesel dapat menurunkan nilai
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-1
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
temperatur flash point biodiesel, yang mana nilai flash point pada biodiesel adalah sangat
tinggi ( ±1700 C), namun jika dicampur dengan ethanol bisa menurun (±160 C) sehingga
sangat mudah untuk terbakar, oleh karena itu bahan bakar ini harus di dalam penyimpanan
yang baik dan aman (Fernando dkk, 2004).
Anna Lif dkk (2006) meneliti tentang water in diesel emulsi ( emulsi air dalam diesel)
dengan 6 variasi, yaitu : variasi pertama bahan bakar diesel saja, variasi kedua diesel dan
surfaktan 2% (Span 80 dan Tween 80), variasi ketiga diesel ditambah air 5% dan surfaktan
2%, variasi keempat ditambahkan air 10%, variasi kelima ditambah air 15% dan variasi
keenam ditambah air 20%. Didapatkan hasil bawah semakin banyak penambahan air maka
emisi NOx dan PM semakin turun namun nila SFC semakin meningkat sedangkan nilai
BMEPnya semakin turun.
Pengertian Surfaktan
Surfaktan atau senyawa aktif permukaan (surface active agent) merupakan suatu
senyawa kimia yang memiliki kemampuan untuk menurunkan tegangan permukaan,
kemampuan surfaktan untuk menurunkan tegangan permukaan ini berpengaruh besar untuk
menurunkan nilai viskositas bahan bakar sehingga menjadi lebih encer. Struktur surfaktan
terdiri atas bagian ekor yang bersifat hidrofobik dan bagian kepala yang bersifat hidrofilik,
bagian ekor surfaktan lebih suka mengikat minyak sedangkan bagian kepala lebih suka
mengikat air. Bagian kepala (bersifat hidrofilik) dapat bermuatan negatif, positif, atau tidak
bermuatan sedangkan bagian ekornya (bersifat hidrofobik) merupakan rantai hidrokarbon
yang lurus atau bercabang (Hui, 1996).
Gambar 1 Skematik sebuah molekul surfaktan (Mehling et al. 2007)
Surfaktan yang banyak dijual dipasaran adalah jenis surfaktan nonionic yaitu Span 80,
Twen 80 dan Span 60, menurut Holmberg dkk (2003) dan Rosen (1989) bawah campuran dua
jenis surfaktan lebih baik daripada satu jenis surfaktan, campuran Span 80 dan Tween 80
lebih baik karena membuat emulsi lebih stabil, sebab Span 80 bersifat sangat hydrophobic
(suka mengikat minyak) sedangkan Tween 80 bersifat sangat hydrophilic (suka mengikat air)
membuat emulsi lebih baik.
Pengertian Emulsi
Emulsi adalah suatu pencampuran cairan dalam cairan yang lain, yang molekulmolekul kedua cairan tersebut tidak saling berbaur tetapi saling antagonistik, dengan cara
menurunkan tegangan permukaan, dengan membentuk lapisan pelindung yang menyelimuti
droplet terdispersi, sehingga senyawa yang tidak larut akan lebih mudah terdispersi dalam
sistem dan bersifat stabil (Fennema, 1985). Emulsi yang stabil mengacu pada proses
pemisahan yang berjalan lambat sedemikian rupa, sehingga proses itu tidak teramati pada
selang waktu tertentu yang diinginkan (Kemel, 1991). Semakin tinggi viskositas dari suatu
sistem emulsi, semakin rendah laju rata-rata pengendapan yang terjadi, sehingga
mengakibatkan kestabilan semakin tinggi (Suryani et. al, 2000). Viskositas berkaitan erat
dengan tahanan yang dialami molekul untuk mengalir pada sistem cairan. Peran pengemulsi
adalah untuk menurunkan tegangan antarmuka antara fase minyak dan air dengan membentuk
lapisan antarmuka kohesif secara mekanik disekitar droplet fase terdispersi sehingga
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-2
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
membantu dalam fragmentasi droplet selama emulsifikasi dan mencegah terbentuknya
koalesensi (Rousseau 2000), terdapat dua tipe emulsi, yaitu :
a. Water-in-oil (w/o), artinya air terdispersi di dalam minyak
b. Oil-in-water (o/w), artinya minyak terdispersi di dalam air
Gambar 2 Ilustrasi perbedaan emulsi O/W (Oil/Water) dan emulsi W/O (Water/Oil)
METODE
Penelitian ini dilakukan secara eksperimental yang dilaksanakan di laboratorium
Bahan Bakar dan Teknik Pembakaran, Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS. Percobaan dari variasi
1 sampai 6 di tabelkan seperti dibawah ini.
Uji pengaruh variasi bahan bakar dilakukan dengan menggunakan rangkaian peralatan
pengujian sebagai berikut :
Mesin generator
Merk
Tipe
Model
Jumlah silinder
Volume langkah
Max Pwer (KW)
Starting system
Tube capacity
: Yanmar
: Diesel 4 langkah
: LA40AE-S
:1
: 199 cc
: 3,1 KW 3600rpm
: Recoil starter
: 0,8 liter
Pengujian pada beban lampu 500-2500 Watt dengan interval 500 Watt pada kecepatan
konstant yaitu 1500 RPM, dari pengujian didapatkan nilai arus (Ampere), tegangan (Volt),
dan waktu konsumsi bahan bakar (detik). Dimana nilai-nila tersebut digunakan untuk
menghitung nilai torsi (N.m), daya motor (Watt), BMEP (Pa), SFC (Kg/Watt.Jam) dan
efesiensi (%) menggunakan rumus-rumus dibawah ini.
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-3
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
Torsi
Torsi merupakan ukuran kemampuan engine untuk menghasilkan kerja
T=
(N.m)…………………… (1)
Dimana :
Ne
= Daya motor,Watt
n
= putaran motor, rps
Daya Motor (brake horse power)
Ne = V.I
( Watt)…………..
generator
Dimana :
V
I
= Tegangan Listrik (Volt)
= Arus Listrik (Ampere)
gen = Efisiensi Generator (0,55)
Tekanan efektif rata-rata (break mean effectif pressure)
Didefinisikan sebagai tekanan tetap rata-rata teoritis yang bekerja sepanjang volume langkah :
Bmep =
( Pa )……………… (2)
Dimana :
A
= Luas penampang torak, m2
L
= Panjang langkah torak, m
i
= Jumlah silinder
z
= 1 (motor 2 langkah) atau 2 ( motor 4 langkah )
Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Spesific Fuel Consumption)
Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) adalah laju alir massa bahan bakar yang dibutuhkan
oleh motor untuk menghasilkan daya efektif.
Sfc =
(Kg/Watt.jam)…...……..(3)
Dimana :
bb = laju aliran massa bahan bakar, kg
Efisiensi Thermal
Effisiensi thermal ( th ) adalah ukuran besarnya pemanfaatan energi panas dari bahan bakar
untuk diubah menjadi daya efektif oleh motor.
= Ne.s
x 100%.....................(4)
mbb.Q
Dimana :
mbb = massa bahan bakar yang dikonsumsi engine, kg
s
= waktu konsumsi bahan bakar (detik)
Q
= nilai kalor bawah atau Low Heat Value
API
=
- 131,5
NKB = [16280 + 600(API)] 0,55556 [Kkal/kg]
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-4
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bahan bakar di uji propertiesnya seperti di tabelkan dibawah ini. Hasil pengolahan
data yang di dapatkan sebagai berikut
Dari eksperimen di dapatkan nilai arus (amper) dan waktu konsumsi bahan bakar
(detik), dari nilai itu kemudian dihitung dengan rumus-rumus di atas kemudian di jadikan
grafik seperti dibawah ini.
Gambar 1
Gambar 2
Pada gambar 1 adalah grafik beban fungsi daya, gambar 2 adalah grafik beban fungsi
torsi sedangkan gambar 3 adalah grafik beban fungsi tekanan efektif rata-rata (break mean
effectif pressure) yang mana ketiganya memiliki grafik yang hampir sama bentuknya, pada
gambar 1 grafik beban fungsi daya terlihat beban dan daya berbanding lurus, saat beban
semakin besar maka daya yang dihasilkan juga semakin besar, dari rumus daya yaitu
voltase(v) dikali arus(A) untuk nilai voltasenya sama yaitu 220 volt sedangkan nilai
arus(amper) berubah sesuai dengan penambahan beban pada motor diesel. Jika beban naik
maka arus yang dihasilkan semakin bertambah. Dari eksperimen didapatkan untuk variasi 2
sampai 6 daya yang dihasilkan hampir sama namun ada sedikit peningkatan daya dari variasi
3 ke 4 pada beban 2500 watt, untuk variasi 3 pada beban 2500 watt dihasilkan nilai 2,17 KW
sedangkan pada variasi 4 naik sebanyak 0.03% menjadi 2,20 KW. Bahan bakar campuran
(variasi 2-6) jika dibanding variasi 1(solar 100%) mengalami penurunan untuk beban 500 watt
penurunan sebesar 4,37% ≤ 5% sehingga tidak terlihat pada grafik, untuk beban 1000 watt
penurunan 16,1%, untuk 1500 watt daya turun sebesar 26,83%, pada beban 2000 watt daya
pada bahan bakar campuran variasi 2-6 mengalami penurunan sebesar 34,9% sedangkan
penurunan tertinggi terdapat pada beban 2500 watt sebesar 38,8%. Dari eksperimen diatas
didapatkan nilai daya tertinggi yaitu 2,95 KW yang terdapat pada beban tertinggi 2500 watt
pada variasi 1(solar 100%). Energi tertinggi masih terdapat pada solar karena nilai kalor solar
lebih tinggi dari yang lain 9600 Kal/kg.
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-5
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
Pada gambar 2 grafik beban fungsi torsi semakin besar beban maka semakin tinggi
nilai torsi, beban berbanding lurus dengan torsi, nilai torsi didapatkan dari hasil pembagian
daya dibagi dengan rps karena pada percobaan ini memakai kecepatan konstan maka nilai
rpsnya juga konstan, maka nilai pembaginya juga konstan. Jadi dapat disimpulkan semakin
tinggi daya yang didapatkan maka torsi yang dihasilkan juga semakin tinggi, sedangkan pada
grafik diatas untuk bahan bakar campuran variasi 2-6 didapatkan hasil yang rata-rata sama,
namun ada sedikit perbedaan yaitu variasi 3 dan 4 beban 2500 watt pada variasi 3 nilai torsi
sebesar 86,93 N.m untuk variasi 4 sebesar 88,00 N.m jadi terdapat peningkatan sebesar
1,07%. Pada eksperimen variasi bahan bakar campuran (variasi 2-6) jika dibandingkan
dengan variasi 1 (solar 100%) terdapat penurunan, saat beban 500 watt penurunan sebesar
2,15% karena ≤ 5% maka pada grafik tidak terlihat secara jelas, saat beban 1000 watt maka
penurunan sebesar 6,5%, saat beban 1500 watt torsi pada bahan bakar campuran(variasi 2-6)
turun 10.73%, jika beban ditambahkan menjadi 2000 watt torsi turun menjadi 14% dan jika
beban motor 2500 watt maka torsi turun sebesar 31,12% jika dibandingkan dengan variasi 1.
Nilai torsi tertinggi terdapat variasi standart (variasi 1) yaitu sebesar 118,05 N.m pada beban
2500 watt karena pada variasi dan beban ini daya yang dihasilkan juga besar. Dapat
disimpulkan jika beban motor ditambahkan semakin banyak maka penurunan torsi juga
semakin besar.
Pada grafik beban fungsi tekanan
rata-rata (gamabar 3) dapat
dilihat baik variasi 1-6 memiliki
bentuk yang hampir sama, beban
berbanding lurus dengan tekanan
jika dilihat dari rumus tekanan
yaitu kerja persiklus (bhp.z)
dibagi dengan volume langkah
torak (A.L.n.i). Jadi dapat
disimpulkan daya berbanding
lurus dengan tekanan, semakin
tinggi daya yang dihasilkan maka
tekanan yang dihasilkan juga
semakin
besar.
Dalam
eksperimen ini untuk bahan
bakar campuran variasi 2-6 hampir sama, seperti pada pembahasan sebelumnya terjadi sedikit
perbedaan pada variasi 3 dan variasi 4 pada beban 2500 watt, saat beban 2500 watt pada
variasi 3 tekanannya adalah 124,18 Kpa sedangkan pada variasi 4 tekanan 125,71 Kpa, terjadi
peningkatan sebesar 0.9%. Pada eksperimen variasi bahan bakar campuran (variasi 2-6)
terjadi penurunan tekanan beban 500 watt terjadi penurunan sebesar 3,1% ≤ 5% sehingga
pada grafik tidak terlihat, namun saat beban dinaikkan 1000 watt terjadi penurunan 9,2%, saat
beban naik 1500 watt terjadi penurunan tekanan sebesar 15,3%, beban 2000 watt penurunan
tekanan 19,9% dan penurunan terbesar terdapat pada beban 2500 watt yaitu sebesar 44,5%.
Jadi semakin besar beban yang ditambahkan maka tekanan semakin menurun pada bahan
bakar campuran (variasi 2-6).
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-6
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
Gambar 4
Gambar 5
Untuk grafik (gambar.4) beban fungsi konsumsi bahan bakar spesifik (Spesific Fuel
Consumption) baik variasi 1 sampai 6 memiliki bentuk yang hampir sama semakin besar
beban yang ditambahkan maka kebutuhan bahan bakar yang diperlukan semakin sedikit, pada
variasi 2 smapai 5 kebutuhan bahan bakar rata-rata menurun sebesar 2%-5% ini disebabkan
karena pada variasi ini nilai tegangan permukaan semakin turun maka droplet droplet yang
terbentuk semakin halus sehingga viskositas bahan bakar menurun menyebabkan bahan bakar
lebih encer, ini membuat bahan bakar saat disemprotkan keruang bakar mudah menyebar dan
terbakar, sedangkan pada variasi 6 pada saat beban setelah 1500 watt konsumsi bahan bakar
meningkat karena pada campuran ini bodiesel yang digunakan lebih besar sehingga lebih
kental viskositasnya membuat bahan bakar ini lebih lama terbakar menyebabkan konsumsi
bahan bakar semakin meningkat, untuk nilai flash point pada bahan bakar ini jika
dibandingkan variasi 2-5 lebih tinggi.
Gambar 5 grafik beban fungsi efisiensi, efesiensi meningkat bersama dengan nilai
beban semakin tinggi beban maka efesiensi semakin tinggi juga, untuk variasi 2 sampai 5
meningkat jika dibandingkan dengan variasi 1, namun untuk variasi 6 saat beban 1500 waat
mengalami penurunan, dari rumus efisiensi (persamaan.4) dapat dilihat efisiensi berbanding
lurus dengan daya dan waktu konsumsi bahan bakar, semakin tinggi nilai daya dan semakin
lama waktu konsumsi bahan bakar maka nilai efisiensi semakin meningkat.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Penambahan surfaktan pada bahan bakar dapat menurunkan tegangan permukaan,
karena tegangan permukaan itu turun sehingga bahan bakar menjadi droplet-droplet
yang kecil menyebabkan bahan bakar tersebut lebih encer, karena itu pada saat bahan
bakar disemprotkan ke ruang bakar maka bahan bakar lebih mudah menyebar.
2. Biodiesel memiliki nilai flash point yang tinggi sehingga lebih sulit terbakar dengan
penambahan ethanol pada bahan bakar dapat menurunkan nilai flash point sehingga
bahan bakar campuran lebih mudah terbakar.
3. Nilai kalor yang dihasilkan bahan bakar campuran lebih rendah sehingga daya, torsi
dan tekanan menurun namun untuk konsumsi bahan bakar menjadi menurun sehingga
campuran etanol, biodiesel dan surfaktan lebih hemat bahan bakar jka dibanding solar
100%.
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-7
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 01 Februari 2014
Untuk memperbaiki hasil penelitian ini, maka sarannya adalah:
1. Untuk eksperimen selanjutnya variasi campuran surfaktan lebih di variasikan agar
dapat diketahui seberapa besar pengaruh penambahan surfaktan terhadap performa
mesin
2. Untuk lebih mengetahui seberapa baiknya campuran itu maka sebaiknya ditambahkan
pengujian emisi, agar dapat diketahui seberapa baiknya campuran bahan bakar ini
terhadap lingkungan
DAFTAR PUSTAKA
Hui, Y. H. (1996), Bailey’s Industrial Oil and Fat Products , Fifth Edition, Second Volume.
Jhon Wiley & Sons Inc., New York.
Holmberg K , B. Jönsson, B. Kronberg and B. Lindman. (2003), Surfactants and Polymers in
Aqueous Solution (2nd ed.), Chichester, Wiley, New York, p. 461.
Kannan, G.R and Anand, R. (2011), “Experiment investigation on diesel engine with diestrol
water micro emulsions,” International Journal of Energy, Vol 36, p. 1680-1687.
Kamel BS. (1991), Emulsifier, van Nostrand Reinhoi, New York.
Lif Anna and Holmberg K (2006), “Water in diesel emulsions and related systems,”
International Journal of Advances in Colloid and Interface Science, p.231-239.
Rousseau D. (2000), ”Fat crystals and emulsion stability a review,” International Jurnal of
Food Research International, Vol.33, p. 3-14.
Rosen MJ. (1989), “Surfactants and Interfacial Phenomena, New York, Wiley Interscience,
p.326.
Suryani A, I. Sailah dan E. Hambali. (2000), Teknologi Emulsi, Jurusan Teknologi Industri
Pertanian, FATETA, IPB , Bogor.
ISBN : 978-602-97491-9-9
A-27-8