PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

unCOBA AW AL PENURUNAN SOx DAN NOx PADA GASBUANG MENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON

Budi Setiawan, Farida Emawati, SumaryadiPustek Akselerator dan Proses Bahan, BATAN Yogyakarta

ABSTRAK

UJI COBA AWAL PENURUNAN SOx DAN NOx PADA GAS BUANGMENGGUNAKAN MESIN BERKAS ELEKTRON. Telah dilakukan uji coba penurunankandungan SOx dan NOx pada gas buang kendaraan bennotor. Uji coba inidimaksudkan untuk mempelajari kemungkinan penurunan gas pencemar SOx danNOx pada gas buang PL TU Batubara. Aliran gas dilewatkan Mesin Berkas E1ektronpada daya 300 KeV dan variasi arus 1, 1,25, 1,4, 1,75 mA. Dengan menambah aliranNH3, diketahui adanya penurunan N02 sampai 100% dan S02 terlihat kecenderunganmenurun. Serla diketahui tanpa aliran NH3 maka akan terjadi kenaikan gas N02 5-8kali

ABSTRACT

PRELIMINARY TEST DECREASING SOx AND NOx IN VEHICLE EXHAUST GASEMISSION. The test was conducted to study the decrease of emsission gas SOx andNOx in Coal Powered Electrocity Generaor Gas. The flow of the gas goes through inElectron Beam Machine in 300 KeV and current variance of 1, 1.25, 1.4, and 1.75 mA.By adding NH3, there is a decrease of N02 up to 100% and tend that S02 alsodecrease. It is also known that without NH3 there is increase of N02 up to 5-9 times

PENDAHULUAN

Pembangunan dan pertumbuhan ekonomi yangdemikian pesat akan mengakibatkanpeningkatan kegiatan di sektor industri dantransportasi yang akan membawa dampak negatifterhadap penurunan kualitas udara, dan tentu sajaberlawanan atau bertentangan dengan UU Nomor23 Tahun 1997 tentang pengelolaan LingkunganHidup yang tertuang dalam pasal 1 ayat 7 yangberbunyi : Pelestarian daya dukung lingkunganhidup adalah rangkaian upaya untuk melindungikemampuan lingkungan hidup terhadap tekananperubahan danJatau dampak negatif yangditimbulkan oleh suatu kegiatan, agar tetap mampumendukung perikehidupan manusia dan makhlukhidup lain. Berdasarkan dan UU tersebutpembangunan dan pertumbuhan ekonomi sertakemajuan industri otomotif membawa dampaknegatif yang demikian besar yang tidak mampuuntuk mendukung perikehidupan manusia danmakhluk hidup lainnya.

Pencemaran udara sangat berdampakterhadap kesehatan manusia, melalui kontak dengankulit, mata dan dapat masuk kedalam tubuh melalui

sistem pemafasan dan hal ini jelas akan sangatmengancam kesehatan manusia. Akibat yangditimbulkan dan pencemaran udara tersebut antaralain adalah kita akan terserang pusing, sakit kepala,daya tangkap melemah (akibat CO), radang saluranpemafasan (akibat S02), iritasi mata, mal fungsipada paru - paru (akibat N02) dan berbagaipenyakit lain dari buangan yang beredar diatasudaranya. (3)

Mengingat bahaya akan pencemaran udarayang diakibatkan oleh emisi gas buang tersebutmaka diperlukan penanganan untuk mengurangijumlah kadar polutan yang ada di udara. Adapundiantaranya yang merupakan penangannya yaitu :diversifikasi energi, penggunaan bahan bakar tanpatimbal dan aplikasi teknologi dsb. Upaya lain untukmeminimalisasikan S02 dan NOx pada emisi gasbuang kendaraan bermotor adalah denganmenggunakan suatu alat yang disebut dengan MBE(Mesin Berkas Elektron) yang terdapat di BATAN.Teknologi plasma non termal yang bekerja padatemperatur rendah (non equilibrium) telah mulaidiketahui pada tahun 70-an. Pada teknologi ini kitadapat menciptakan elektron berenergi tinggi yang

Budi Setiawan, dkk. ISSN 1410 - 8178 125

PRO SIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses Bahan

Yogyakarta, 28 Agustus 2008

Setelah keluar dari sumber elektron, berkas elektron

dilewatkan melalui tabung pemereepat untuk

dinaikkan energinya hingga meneapai energi yangdiinginkan.

Gambar 2. Prinsip dari pembersihan gas denganMBE

H,SO• ..!!!:!.1- (N"'),$O.No,. - HNO, ..!!!:!.1- NH,NO,He! NH.CIDioxin ' ~o",poud

e. Generator Coekeroft Walton

Gambar I. Komponen utama mesin Mesin BerkasElektron

Hal ini dilakukan dengan eara memasangtegangan listrik pada elektroda-elektroda tabungpemereepat. Agar berkas elektron dapat mengenaiseluruh permukaan bahan yang diiradiasi, makaberkas elektron setelah keluar dari tabung

pemereepat disken menggunakan sistem pemayar(scanning system). Material yang diiradiasidilewatkan di bawahjendela MBE.

Adapun mekanisme dari prinsippembersihan gas dengan E-Beam adalah :

bersumber dari sumber listrik tegangan tinggi.Teknologi plasma non termal dibedakan menjadidua kelompok dasar yaitu elektron beam irradiationatau lebih dikenal sebagai Mesin Berkas Elektron(MBE) dan electrical corona discharge.(4)

Oengan MBE tersebut dapur gas buang darikendaraan bermotor (knalpot) dialirkan dengansuatu media yang berupa selang ke MBE,selanjutnya dilakukan uji laboratorium untukmengetahui seberapa besar pengaruh MBE tersebutterhadap penurunan emisi gas buang dari kendaraanbermotor tersebut yang berupa S02 dan N02•

Ini merupakan studi rekayasa untuk sepedamotor yang mempunyai debit gas buang 10,159L/menit dan suhu 70-89 °C dan nantinya akandigunakan untuk aplikasi pada gas eerobongindustri.

Mesin Berkas Elektron (MBE)

Mesin Berkas Elektron merupakan hasil

usulan suatu program litbang raneang bangun olehpara peneliti bidang akselerator di BA TAN padatahun 1998. dan pada tahun 2003 mesin tersebuttelah selesai kontruksinya.

Teknologi MBE adalah teknologi nukliryang banyak dimanfaatkan di bidang industri untukproses radiasi berbagai prod uk industri. Oi negaramaju pemanfaatan MBE untuk kepentingan industrisudah lama digunakan begitu juga dalam bidanglingkungan dan kedokteran.

Adapun dalam bidang industri antara laindigunakan untuk:I. Proses pembuatan isolasi kabel tahan suhu

tinggi dan euaea.2. Proses vulkanisasi permukaan ban mobil.3. Sterilisasi minuman dan makanan.

4. Proses pelapisan bahan kemasan jenis plastik,metal dan pelapisan kayu lapis.

Oalam bidang lingkungan antara laindigunakan untuk pengolahan limbah polusi industrigas S02 dan N02. Dan dalam bidang kedokterandigunakan untuk sterilisasi peralatan medis.

Komponen utama Mesin Berkas Elektron(MBE)

Mesin Berkas Elektron (MBE umumnya

terdiri dari komponen - komponen utama yangberupa :I. Sumber elektron (gambar I.a)2. Tabung pemereepat (gambar I.b)3. Generator tegangan tinggi (gambar I.e)

4. Sistem pemayar dan vakum (gambar I.d)5. Serta instrumentasi dan kendali (gambar I.e)

Prinsip kerja Mesin Berkas Elektron (MBE)Berkas elektron di dalam Mesin Berkas

Elektron dihasilkan oleh sumber elektron seeara

emisi termionik pada mamen yang dipanaskan.

a. Sumber elektron

e. Meja kendali

b. Tabung pemereepat danTegangan terisolir

d. Sistem Vakum

126 ISSN 1410 - 8178 Budi Setiawan, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

Dan adapun mekanisme dari reaksi elektronadalah sebagai berikut :

Gambar 3. Mekanisme reaksi dan akibat dariproses neraca elektron

Dari Gambar 2 dan 3 dapat kita Jihat bahwaperubahan dari reaksi kimia yang terjadi akibatadanya proses neraca elektron atau E -beamProcess adalah dalam waktu yang sangat singkat.

Gambar 4. Kotak reaktor pemaparan radiasielektron

Pada penelitian ini sumber gas buangdiambilkan dari sepeda motor. Pengukurankonsentrasi menggunakan Gas A]ert Detector yangmampu mengukur sampai konsentrasi ppm. Adapunruang lingkup penelitian meJiputi pengukuran gasbuang setelah melewati MBE dan pengaruh gasNH3 pada reaksi yang terjadi pada reaktor MBEterhadap gas buang, pada variasi tegangan dan arusdari MBE.

TAT A KERJA

Bahan

Larutan NH40H dan Gas buang kendaraanbermotor.

Alat

Seperangkat Mesin Berkas Elektron(MBE), Gas Alert Detector (SOz dan NOz) sertaPeralatan Laboratorium.

Cara Kerja

I. Disiapkan rangkaian aliran gas buang dariknalpot sepeda motor menuju kotak reaktor gas

yang dikenai paparan MBE dan sambungannyake detektor.

2. MBE dioperasikan sesuai arus dan teganganyang diinginkan, 1, ],25, 1,4,],75 mA dan 300KY.

3. Motor dihidupkan, alirkan gas buang menujuMBE serta output menuju detektor.

4. Diukur konsentrasi kandungan SOz dan NOz.5. Disiapkan aliran uap NH40H, dengan

memanaskan NH40H serta mengalirkan kesaluran gas buang menuju reaktor MBE.

6. Diukur konsentrasi kandungan S02 dan NOz.7. Percobaan diulang untuk arus 1, 1,25, 1,4,1,75

mA dan daya 300 KeY.

Gambar 5. Detektor Gas S02 / NOz

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari pengukuran kontrol yaitu pengukurankandungan SOz dan N02 dan hasil buang tanpaperlakuan menunjukkan konsentasi S02 tak terukur(over load) dan NOz 0,7 ppm.

Hasil peneJitian yang dilakukan pada emisigas buang kendaraan bermotor terhadap parameterS02 dan N02 melalui MBE tanpa NH3 denganvariasi arus (i) : 1 mA. 1,25 mA, 1,4 mA, 1,75 mAdan daya (D) : 300 KeY dapat disajikan pada TabelI berikut.

Tabel 1. Hasil penelitian parameter S02 dan N02melalui MBE tanpa NH3 dengan variasiarus (i) : 1 mA. 1,25 mA, 1,4 mA, 1,75mA dan daya (D): 300 KeY

Ulangan Kadar SOz dalam ppm1 mA

1,25 mA1,4mA1,75mA1

OLOLOLOL2

OLOLOLOL3

OLOLOLOLKadar N02 dalam ppmI

3,75,54,75,62

3,95,44,75,53

3,85,64,65,5

Dari hasil proses reaksi pada Tabel !. dapatdilihat bahwa SOz tidak dapat diamati adanya

Budi Setiawan, dkk. ISSN 1410 - 8178 127

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologi Akselerator don Proses BahanVogvakarta, 29 Agustus 2009

perubahan secara nyata, dikarenakan kisarandetektor maksimum ]00 ppm. Tetapi sesungguhnyaS02 sudah bereaksi dengan NH) membentuk(NH4hS04, tidak terlihatnya lebih dikarenakankemampuan detektor.

Ket : OL = Over Load

Pembentukan Radikal (6)

Energi berkas elektron yang diserap olehkomponen gas tergantung pada fraksi elektronnya.Hampir semua energi diserap oleh komponen utamaseperti N2, CO2, H20 dan O2. Fraksi elektron darikomponen diperlihatkan pada tabel 2

Tabel 2. Konsentrasi komponen gas dan fraksielektronnya dalam gas buang

Jenis Gas Konsentrasi GaFraksi elektron

N2

70,5%69,1%O2

5,3%5,9%H2O

12,0%8,4%CO2

10,6%16,3%NO

198 ppm208 ppmS02

704 ppm1576 ppm

Reaksi Awallonisasi dan eksitasi, yang memproduksi

ion, elektron, dan radikal.

Gambar 6. Mekanisme Reaksi lonosasi danEksitasi

lonisasi : Materi mengandung atom, atomterdiri dari inti dan elektron.

Radiasi adalah gelombang elektromagnetikatau berkas yang bergerak cepat dan mempunyaicukup energi untuk melepaskan elektron darimateri, karena tubrukan dengan materi. Jika energitransfer lebih besar dari energi ikat, maka elektronakan terlepas, elektron terlepas menyebabkanionisasi materi dan menghasilkan ion positif.

Eksitasi : Jika energi transfer pada orbitalelektron lebih keci] dari yang diperlukan untukprose ionisasi, elektron akan naik mengumpuldibagian lebih atas menyebabkan keadaan reaktif"Excited state".

Oleh karena itu gas buang akan mengalamireaksi sebagai berikut :

N2 ---hv -+N/ + e'N2 ---hv -+N + N

Kumpulan ion-ion menguraikan H20melalui transfer reaksi untuk menghasilkan radikalOH*

N2+ + nH20 -+N2+. (H20)n-+H)O. (H20)n'2 + OH* + N2

Elektron - elektron akan bereaksi terutamadengan O2 untuk menghasilkan O2' dan kumpulanionnya.

e' + O2 + M -+02' + Mlon-ion positif dan negatif saling

menetralisir untuk kemudian membentuk radikalH02*. Sepasang ion akan menghasilkan satu OH'dan satu radikal H02*. Radikal- radikal awal yangdihasilkan OH*, H02*, N*, 0* dan H*.

Efek iradiasi multipelHN02, N02, dan H02N02 diproduksi

sebagai hasil antara selama iradiasi. Hasil antaramemegang peranan penting pada hasil akhir untukmenghasilkan HNO) atau NH4NO). H02N02 teruraimenghasilkan N02 dan H20. Kenaikan kandunganN02 pada percobaan ini (tanpa NH3) bisa difahamijustru karena N2 dan NO yang reaksi radikal danefek radiasi multi pel menghasilkan N02.

Pada percobaan dengan mengalirkan uapNH40H dihasilkan data seperti pada Tabel 3.

Tabel3. Hasil pengukuran parameter S02 danN02 melalui MBE dengan NH3 denganvariasi arus (i) : 1 mA. 1,25 mA, 1,4 mA,1,75 mA dan daya(D): 300 KeY

Ulangan Kadar S02 dalam p pmImA

1,25mA1,4mA1,75 mA1

OLOLOLOL2

OLOLOLOL3

OLOLOLOL

UlanganKadar N02 dalam ppm

1

6,22,700

26,12,600

36,13,400

Ket : OL = Over Load (status over load tercapaidalam waktu lebih lama)

Dari hasil yang terbaca pada Tabel 3.terlihat bahwa kadar S02 tetap tidak terbaca, sertaketerangan "Iebih lama" adalah menunjukkan angkapada layar detektor untuk mencapai status OLdibutuhkan waktu yang lebih lama dibandingkanpada percobaan tanpa aliran NH40H. Hak inimenunjukkan terjadinya perubahan kandungan S02karena adanya NH40H, menjadi (NH4hS04'

Untuk gas N02 terlihat fenomena yangmenarik dan terlihat secara jelas pengaruh aruslistrik. Pada kondisi I mA terbaca konsentrasi 6,2ppm hal ini menunjukkan kenaikan dibanding tanpaaliran NH40H. Pengaruh besarnya arus listrik akanmenyebabkan jumlah dosis radiasi yang berbeda,

12& ISSN 1410 - 8178 Budi Setiawan, dkk

PROSIDING SEMINARPENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR

Pusat Teknologl Akselerator don Proses BahanYogyakarta, 28 Agustus 2008

sehingga mekanisme akan berbeda pula.Mekanisme reaksi yang terjadi sangat rumit dankompleks seperti pada Gambar 7.(5)

Dari mekanisme lintasan reaksi bahwa hasil

akhir yang diharapkan adalah terbentuknya(NH4hS04 dan NH4N03, sehingga hal itu akansangat mengurangi sifat polutif gas buang. Tetapiapabila dosis radiasi e1ektron atau penambahanNH3 yang tidak tepat, maka bisa saja mekanismereaksi tidak sampai tuntas, tetapi berhenti pada

reaksi antara. Hal ini jUr,a bisa terjadi karena waktutinggal yang tidak tepat. 4)

Gambar 7. Mekanisme reaksi S02 dan N02

menjadi (NH4hS04 dan NH4N03

KESIMPULAN

Dengan dosis radiasi elektron yang tepat,serta adanya uap/gas NH3 maka Nox akan berubahmenjadi NH4N03

Tanpa adanya gas NH3 maka justru akanterjadi peningkatan N02, dikarenakan perubahandari N2 dan NO menjadi N02

Dikarenakan detektor S02 yang batasdeteksinya terbatas, maka perubahan kandunganS02 tidak teramati secara nyata, meskipun terlihatadanya kecenderungan penurunan S02.

Perlu dilakukan penelitian lebih lanjutuntuk mengetahui dosis radiasi elektron yangdibutuhkan.

Perlu dicari detektor yang memenuhikisaran deteksi kandungan gas pada gas buang.

PUSTAKA

] . ANONIM, Mesin Berkas Elektron, LeafletBA TAN, Jogjakarta, 2005

2. ANONIM, National Cource on Electron BeamMachine Technology, BAT AN, Jogjakarta, 2005

3. Fardiaz, G.H., Polusi Air dan Udara, Kanisius,Yogyakarta, ] 992

4. JANG, G.H, et aI., Development of 0.5 MwattScale DeSOx - De NOx System Using PulsedCorona Discharge. Enviromental TechnologyRes. Departement R&D Centre, Hnjung,PO.Box 77 Changwon, Kyugman, South Korea

5. S. TURHAN, et ai, Technical and Economicalof Sox and NOx Removal from Flue Gas byElectron Beam Irradiation. ANRT Ankara,2004

6. SUHARTINI, MERI., Iradiasi MBE untukPengolahan Gas Buang Dari Pembakaran BatuBara, BAT AN Accelerator School (BAS),PT APB BAT AN Yogyakarta, 2006

TANYA JAWAB

Sri Sukmajaya:~ Aplikasi untuk PL TU batubara, riset dengan gas

buang motor apa sinkron rantai karbonnya?Bagaimana pula dengan sulfur content antaracokes dan bensin?

Budi Setiawan:~ Keluaran gas buang antarajelas beda tapi ada

kesamaanjenis unsure yaitu SOx dan NOx. iniyang kita coba turunkan dengan paparanelectron dari MBE di PTAPB-BATAN.

Tri Suyatno:~ Apakah MBE mampu mereduksi gas buang

CO2? Kalau bisa bagaimana reaksinya?

Budi Setiawan:~ Untuk CO2 tidak bisa karena ikatan CO2 yang

stabil tetapi sangat dimungkinkan untukmerubah CO (beracun) menjadi CO2.

Budi Setiawan, dkk, ISSN 1410 - 8178 129