## INFOMATEK
Volume 20 Nomor 1 Juni 2018

## PEMODELAN REAKTOR ABSORPSI MENGGUNAKAN ABSORBEN LIMBAH LAS KARBID UNTUK MENGOLAH CO 2
Kania Dewi *) , Steffani
Program Studi Teknik Lingkungan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan – Institut Teknologi Bandung
Abstrak :  Model  transfer massa  dalam  reaktor  absorpsi semi  batch untuk mengolah  CO 2 menggunakan  limbah las karbid telah dikembangkan berdasarkan hukum kesetimbangan massa, teori transfer massa dan laju reaksi. Simulasi model reaktor dilakukan dengan solver ODE45 program MATLAB R2009a dengan pendekatan  Metode Runge-Kutta  orde  4.  Asumsi yang  digunakan dalam  pemodelan  ini  adalah  reaktor  bekerja  pada  kondisi steady state ,  kedua  fasa  berada  pada  suhu  25°C,  kecepatan  pengadukan  serta bubbler diabaikan,  dan  orde  reaksi merupakan pseudo orde satu. Model divalidasi dengan menggunakan hasil penelitian laboratorium absorpsi CO 2 oleh  limbah  las  karbid  dalam  reaktor semi  batch dengan  konsentrasi  inlet  sebesar  18%.  Absorpsi  CO 2 oleh limbah  las  karbid  yang  mengandung  Ca(OH) 2 terutama  terjadi  pada liquid-bulk sehingga  perpindahan  massa akan terjadi lebih besar di liquid-bulk dibanding dengan perpindahan massa di gas-liquid film. Model matematis yang  dikembangkan  dengan  solusi  numerik  menggunakan  metode  Runge  Kutta  orde  4  secara  umum  dapat menggambarkan  pola  yang  hampir  sama  dengan  hasil  penelitian  laboratoirum,  walaupun  digunakan  nilai konstanta reaksi hasil penelitian yang jauh lebih lambat daripada nilai konstanta reaksi teoritis.
Kata kunci: absorpsi, karbon dioksida, limbah las karbid, perpindahan massa, reaktor absorpsi semi batch.
I. PENDAHULUAN 1
Pemanasan
global terjadi karena meningkatnya  gas  rumah  kaca  di  atmosfer. Gas  rumah  kaca  dalam  konsentrasi  yang berlebihan  terutama  karbon  dioksida  (CO 2 ), akan  menyerap  dan  memantulkan  kembali gelombang  radiasi  yang  dipancarkan  oleh bumi.  Salah  satu  dampaknya  adalah  naiknya suhu global  yang akan mempengaruhi iklim di bumi. Emisi CO 2 salah satunya dihasilkan dari
*) kaniadewi@ftsl.itb.ac.id
Pertama diterima : 11 Mei 2018 Direvisi : 11 Mei 2018 Disetujui untuk publikasi: 12 Mei 2018
sumber  anthropogenik  terutama  dari  aktivitas manusia  yang  melakukan  pembakaran  bahan bakar fossil .
Penelitian  terkait  pengolahan  CO 2 untuk mengurangi  emisi  telah  banyak  dilakukan diantaranya  menggunakan  metode  absorpsi menggunakan larutan  penyerap seperti amino acid salts (Derk dan Versteeg [1], Oyenekan &
Rochele  [2]),  atau  menggunakan  larutan Ca(OH) 2 (Yagi H., dkk., [3], Sin-Min Sih., dkk.,
[4]).
Penelitian  ini memanfaatkan  (Ca(OH) 2 ),   yang terdapat dalam  dalam limbah las karbid untuk mengolah  CO 2 dalam  suatu  reaktor semi batch .  Reaksi  ini  akan  menghasilkan  produk samping yakni
CaCO 3 (kapur) yang
merupakan
padatan senyawa mineral
karbonat anorganik. Model matematika dikembangkan
berdasarkan
hukum
kesetimbangan  massa  dan  mengadopsi mass transfer  film  theory serta  hukum  Fick  untuk menjelaskan  konsep  difusi  antara  gas  dan cairan.  Untuk  membantu  solusi  numerik  dari model yang dikembangkan, digunakan perangkat lunak komputer MATLAB R2009a.

## II. METODOLOGI
2.1. Reaktor Semi Batch
Gas  CO 2 di  dalam container bag dengan konsentrasi sebesar 18%
dialirkan menggunakan  pompa  menuju  reaktor  dengan debit inlet gas  CO 2 sebesar  7  liter/menit.  Gas CO 2 kemudian diabsorpsi oleh larutan penyerap  yang  berasal  dari  limbah  las  karbid di  dalam  reaktor  absorpsi semi  batch . Konsentrasi  gas  CO 2 hasil  absorpsi  akan diukur oleh Auto Emission Analyzer .
Rangkaian  reaktor  serta  alur  proses  yang terjadi pada saat menjalankan reaktor ( running) dapat  dilihat  melalui  Gambar  1.
Reaktor semi batch berbentuk silinder dengan diameter 11,5 cm, tinggi 51,8 m, tebal dinding
0,04  cm  dengan  material  terbuat  dari flexy glass.
Gambar 1
Reaktor absorpsi CO 2 dalam reaktor semi batch

## 2.2. Pemodelan Reaktor dan Kondisi Batas
Kondisi  batas  dalam  pemodelan  ini  dapat diuraikan sebagai berikut:
a.  Kondisi  kerja  reaktor  akan  berada  pada keadaan steady state (keadaan tunak) dan reaksi yang terjadi berlangsung sempurna.
b.  Berdasarkan  jumlah  fase  dan  proses reaksi, reaktor merupakan reaktor heterogen,  reaktan  A  berupa  gas  dan reaktan B berupa cairan (liquid).
c.  Kedua  fase  berada  pada  temperatur setimbang (25°C).
d.  Kecepatan pengadukan dan bubbler diabaikan dalam pemodelan reaktor karena merupakan  faktor  utama  yang  memiliki tujuan untuk homogenisasi sehingga larutan dan gas bercampur dengan sempurna di dalam reaktor.
e.  Reaksi  yang  terjadi  merupakan  reaksi irreversible .
f.  Orde  reaksi  merupakan  orde  satu  semu (pseudo orde satu).
Kondisi awal diperlihatkan pada Tabel 1.
Tabel 1 Kondisi Batas Reaktor Variabel Nilai Satuan Keterangan C Bo 1,081 kmol/m 3 Konsentrasi larutan limbah las karbid awal berdasarkan variasi massa V 0,0038 m 3 Volume larutan limbah las karbid dalam reaktor X A0 18 % Fraksi gas CO 2 awal σ 7,7 m 2 /m 3 Interfacial area (luas antarmuka) Zo 9,42 x 10 -7 kmol/s Flowrate molar
gas total ( inlet )

## 2.3. Model Matematik
Model  matematis  absorpsi  gas  CO 2 dalam reaktor semi  batch dengan  absorben  larutan limbah las karbid, dibuat berdasarkan persamaan  kesetimbangan  massa  secara lebih  spesifik  dinyatakan  dalam  persamaan berikut (Ingham & Dunn [5]):
Laju  Akumulasi  =  Laju  Input  Massa –  Laju Output  Massa  +  Laju  Pembentukan  Produk ………………………………………………….(1)
Selanjutnya
persamaan
kesetimbangan massa dapat dituliskan:
…………..……(2)
Fenomena  absorpsi  berdasarkan  film  teori diilustrasikan  pada  Gambar  2.  Perubahan konsentrasi  gas  CO 2 (C alb )  sebagai  gas terabsorpsi serta konsentrasi limbah las karbid
(C Blb )  sebagai absorbent dapat  dinyatakan sebagai berikut (Wongpisan [6]):
Gambar 2 Ilustrasi model film dan flux di dalam reaktor
…………….…(3)
….(4)
Fluks  gas  CO 2 serta  larutan  limbah  las  karbid dapat  dicari  dengan  pendekatan  persamaan Hukum Fick:
………………...……………(5) Fluks  akan  dipengaruhi  oleh  media  kontak antara  gas  CO 2 dengan  larutan  limbah  las karbid sebesar volume terhadap luas antarmuka,  persamaan  dapat  ditulis  sebagai berikut (Danckwert [7]):
………….(6)
………….(7)
Dengan  nilai  M  terletak  antara  0-  ,  namun ketika  M>>1  semua  gas  yang  terlarut  akan bereaksi  di  area  gas-liquid  film  dan  tidak terjadi  difusi  di  zona  yang  tidak  mengalami reaksi  menuju liquid-bulk .  Nilai  konsentrasi gas  CO 2 (X)  di  permukaan  gas-liquid  dapat dicari  dengan  penurunan  persamaan  dengan pendekatan melalui persamaan Henry sebagai berikut:
………………………………………………….(8) Persamaan-persamaan di atas dapat diselesaikan  dengan  data-data  pelengkap seperti  nilai  konstanta  yang  diperoleh  dari hasil  studi  literatur  seperti  diperlihatkan  pada Tabel 2 di bawah ini.
Tabel 2 Data Penunjang Model Matematis Reaktor Va- riabel Nilai Satuan Sumber D A 2x10- 9 m 2 /s Frederick & Orville [8] D B 2x10 -9 m 2 /s [8] H A 3.4x 10 -3 kmol/N m Sander [9] k (1-10) x10 -3 m 3 /kmol.s Rochelle [10] kL 2,9x10 -5 m/s Huttenhuis et al. [11] Ea 2,10,100, 1000 - Brunson and Law [12]  M 1 - [7]
Catatan: D = koefisien diffusivitas, H A = konstanta Henry, k = konstanta laju reaksi, Ea = enhancement factor , M = conversion film
Persamaan  di  dalam  model  matematika reaktor  absorpsi  terdiri  dari  dua  jenis,  yaitu persamaan kuadrat serta
persamaan differensial.  Penyelesaian  persamaan  kuadrat dapat  dilakukan  dengan  pendekatan  solusi secara analitik.
Untuk  penyelesaian  persamaan  differensial digunakan pendekatan numerik metode Runge-Kutta  orde  4  yang  langsung  dapat dilakukan  oleh solver ODE45  di library program MATLAB R2009a.  Fungsi diferensial ini memanfaatkan ruang dan kendali algoritma digital,  MATLAB  juga  dapat  mengintegrasikan persamaan  diferensial  dengan  menggunakan teknik  numerik  yang  lebih  umum  diantaranya metode  Runge-Kutta  (Burden  &  Faires  [13]). Algoritma  penyelesaian  persamaan  numerik menggunakan
metode Runge
Kutta
diperlihatkan pada Gambar 3 berikut ini.
Gambar 3 Logika algoritma metode numerik Runge-Kutta orde 4

## III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Absorpsi gas CO 2 secara teoritis dalam reaktor semi  batch skala  laboratorium  berdasarkan pemodelan  dengan  kondisi  batas  yang  telah ditentukan  diperlihatkan  pada  Gambar  4. Gambar  ini  menunjukkan  absorpsi  CO 2 oleh larutan limbah las karbid dalam  rentang waktu 90 menit running reaktor.
Gambar 4 (a). % CO 2 terukur pada k=0,001, (b). % CO 2 terukur pada k=0,005, (c). % CO 2 terukur pada k=0,01
Fase eksponensial terjadi pada rentang waktu 0-50  menit  dengan  laju  berbeda  untuk  setiap variasi  variabel.  Pada  rentang  0-50  menit kondisi  reaktor  masih  berada  pada  kondisi optimum, dan limbah las karbid masih mampu menyerap gas CO 2 secara optimal.
Persentase CO 2 terukur setelah melewati semi batch  reactor pada  waktu  setelah  50  menit mulai  mendekati  nilai  18%.  Hal  ini  berarti bahwa  laju  absorpsi  limbah  las  karbid terhadap  CO 2 mulai  menurun  sehingga apabila  dikaitkan  dengan  konsentrasi  limbah las  karbid,  hal  ini  menandakan  larutan  limbah las karbid sudah berada pada tahap mendekati  jenuh,  sehingga  penyerapan  gas CO 2 semakin menurun.
Apabila  polutan  gas  telah  mencapai  batas kelarutan,  maka  tidak  terjadi  perpindahan massa pada antarmuka gas-cair. Pada kondisi ini telah dicapai kesetimbangan dimana jumlah gas  yang  larut  dalam  fasa  cair  sama  dengan jumlah  gas  yang  masuk  dari  fasa  gas  (US EPA [14]).
Penelitian  ini  merupakan  penelitian  terhadap absorpsi  yang  disertai  reaksi  kimia.  Absorpsi yang  diikuti  dengan  reaksi  kimia  dalam  fase cair  digunakan  untuk  melarutkan  gas  dari campuran  gas.  Reaksi  di  dalam  fase  cair mengakibatkan  turunnya partial  pressure , yang  menyebabkan  meningkatnya  d riving force yang memicu perpindahan massa.
Dalam  pemodelan  ini,  konstanta  laju  reaksi merupakan  variabel  yang  berubah.  Hasil simulasi  dengan  menggunakan  konstanta  laju reaksi teoritis diperlihatkan pada  Gambar 5.
Melalui gambar tersebut dapat dilihat pengaruh  konstanta  laju  reaksi  terhadap waktu  absorpsi,  dimana  waktu  absorpsi  akan semakin  singkat  pada  konstanta  laju  reaksi yang  lebih  besar.  Hal  ni  dapat  dikaitkan dengan  peninjauan  langkah  terjadinya  reaksi melalui  jumlah  energi  kedua  partikel,  berasal dari energi kinetik (energi translasi) dan energi potensial  (energi  elektron,  vibrasi,  dan  rotasi) nilainya  konstan  sepanjang  terjadinya  reaksi. Untuk  terjadinya  suatu  reaksi,  jumlah  energi itu  harus  lebih  besar  dari  energi  potensial teraktivasi/Ea.
Gambar 5
Profil kosentrasi CO 2 terabsorpsi berdasarkan konstanta laju reaksi teoritis
Reaksi akan terjadi apabila jumlah energi lebih besar dari energi potensial teraktivasi/Ea yang dapat  dilihat  melalui  ilustrasi  mekanisme reaksi antara CO 2 dengan  Ca(OH) 2 .  Ca(OH) 2 akan terurai menjadi Ca 2+ serta OH - , CO 2 yang berkontak  dengan  air  akan  membentuk  asam karbonat  yang  seterusnya  akan  terdisosiasi
menjadi  CO 3 2- serta  H + .  Pada  saat  tahap  ini, untuk  dapat  terjadi  reaksi  kedudukan  kedua partikel  harus  sangat  dekat.  Karena  sewaktu partikel  berdekatan  akan  terjadi  kenaikan energi  potensial,  energi  yang  terbentuk  akan digunakan untuk bertumbukan.
Apabila  dianalogikan  terhadap  konstanta  laju reaksi,  semakin  besar  konstanta  laju  reaksi maka  kecepatan  laju  reaksi  akan  semakin besar  pula.  Kecepatan  laju  reaksi  akan mempengaruhi  energi  kinetik  yang  juga meningkatkan  energi  potensial,  sehingga tumbukan  molekul  akan  lebih  sering  terjadi dan mengakibatkan peningkatan energi aktivasi  yang  menyebabkan  terjadinya  reaksi antara  CO 2 dengan  larutan  limbah  las  karbid (Ca(OH) 2 ) secara cepat .
Selanjutnya
validasi hasil pemodelan dilakukan dengan membandingkan hasil
Model  dengan  hasil  penelitian  laboratorium (Grau & Puigjaner [15]).
Penelitian  dilakukan  sebanyak  dua  kali dengan kondisi sebagai berikut:
1.  Massa limbah las karbid adalah 320 gram
2.  Volume pelarut adalah 4 liter
3.  Volume  larutan  limbah  las  karbid  dalam reaktor adalah 3,8 liter
4.  Suhu 25°C dan tekanan standar 1 atm Pada penelitian (1) dan (2) terdapat perbedaan  kondisi  saat running reaktor,  pada
running  (1)  larutan  limbah  las  karbid  dalam keadaan  tidak  jernih  (hanya  dekantasi), sehingga  masih  terdapat suspended  solid (padatan Ca(OH) 2 ). Sedangkan running ke (2),
larutan  limbah  las  karbid  yang  digunakan dalam keadaan jernih (dilakukan penyaringan), sehingga tidak terdapat suspended solid .
Hal  ini  berpengaruh  terhadap  kemampuan penyerapan  terhadap  gas  CO 2 oleh  larutan limbah  las  karbid.  Padatan  Ca(OH) 2 yang terdapat dalam larutan mempengaruhi absorpsi,  dimana  padatan  akan  berikatan dengan  gas  CO 2 yang  akan  meningkatkan konsentrasi  CO 2 terabsorpsi.  Melalui  Gambar
6  dapat  dilihat  %  CO 2 terukur  (sisa  CO 2 yang tidak  terserap)  dengan  kondisi  larutan  jernih (2)  akan  lebih  besar  dibandingkan  larutan tidak jernih (1).
Gambar 6
Perbandingan hasil laboratorium (1) dan hasil laboratorium (2)
Berdasarkan  hasil  penelitian  laboratorium terhadap  absorpsi  CO 2 dengan  absorben limbah las karbid di dalam reaktor semi batch, maka  dapat  diketahui  konstanta  laju  reaksi penelitian.
Nilai konstanta laju hasil penelitian (1) sebesar 0,0000410568  (1/s)  serta  nilai  konstanta  laju reaksi
hasil
penelitian (2) sebesar 0,0000337927 (1/s). Nilai konstanta laju reaksi pemodelan  yang  terletak  dalam  rentang 0.001-0.01 jauh lebih besar dibandingkan nilai konstanta  hasil  penelitian  laboratorium.  Hasil validasi  menunjukkan  bahwa  laju  reaksi  hasil penelitian  laboratorium  jauh  lebih  lambat dibandingkan
dengan
hasil
simulasi
pemodelan.
Apabila nilai konstanta hasil penelitian laboratorium digunakan untuk simulasi melalui MATLAB  maka  didapatkan  hasil  seperti  pada Gambar  7  dan  Gambar  8 dibawah  ini.
Gambar 7 Perbandingan hasil simulasi pemodelan dengan hasil laboratorium (1)
Simulasi  dengan  menggunakan  konstanta reaksi  penelitian  (1)  sebesar  0,0000410568 untuk  t  sampai  80  menit,  memberikan  pola yang  mendekati  hasil  laboratorium.  Dengan menggunakan konstanta 0,0000410568 dibutuhkan  waktu  yang  lebih  singkat  untuk absorpsi terhadap CO 2 dibandingkan menggunakan
konstanta reaksi hasil penelitian  (2)  sebesar  0,0000337927,  dimana simulasi berjalan selama t sampai 100 menit.

## Gambar 8
Perbandingan hasil simulasi pemodelan dengan hasil laboratorium (2)
Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  model dapat    mendekati  pola  hasil  percobaan laboratorium.
Dengan menggunakan konstanta    0,0000337927  dibutuhkan  waktu yang lebih lama untuk absorpsi terhadap CO 2 .

## V. KESIMPULAN
Model  simulasi  dalam  penelitian  ini  dapat digunakan untuk memprediksi dinamika proses  dan  kerja  reaktor semi  batch .  Limbah
karbid  yang  mengandung  Ca(OH) 2 melalui proses  karbonasi  mineral  dalam  reaktor semi batch ini dapat dimanfaatkan sebagai alternatif untuk mengurangi emisi CO 2 .
Transfer massa pada gas-liquid film lebih kecil daripada  dalam  liquid  bulk,  terutama  karena peristiwa  penyerapan  terjadi  dalam liquid-bulk sehingga  transfer  massa  akan  terjadi  lebih besar.  Model  yang  dikembangkan  secara umum  dapat  menggambarkan  pola  yang hampir sama dengan hasil penelitian, walaupun  digunakan  nilai    konstanta  reaksi hasil  penelitian  yang  jauh  lebih  lambat  dari nilai konstanta teoritis.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Derk  V.H.,  Versteeg  G.,  Brilman D.W.F.,  dan  Hogendoorn  K., “Kinetic study  of  CO 2 with  various  amino  acid salts  in  aqueous  solution ”,  Chemical
Engineering Science, 2009.
[2] Oyenekan B.A & Rochele  G.T.,
“Alternative  stripper  configurations  for CO 2 capture  by  aqueous  amines ”;
American Institute of Chemical Engineering- AIChE Journal, 2007.
[3]  Yagi  H.,  Okamoto  K.,  Naka  K.,  Hikita H.,  “ Chemical  Absorption  of  CO 2 and
SO 2 into  Ca(OH) 2 Slurry,  Chemical Engineering  Communications ,  Volume
26, pp. 1-9 ,1984.
[4]  Sin- Min  Shih,  Ch’un-Sung  Ho,  Yeun- Sheng Song, and Jyh-Ping Lin,
“ Kinetics  of  Reaction  of  Ca(OH) 2 with CO 2 at  Low  Temperature ”,  Industrial  &
Engineering  Chemistry  Research,  pp. 1316-1322, 1999.
[5]  Ingham  J.  dan  Dunn  I.,  “ Chemical Engineering  Dynamics-Modelling  with PC Simulation ”, New York, 1994.
[6]  Wongpisan,  K.  2002.  “ Interactions  of Mixing  and  Mass  Transfer  in  Gas- Liquid  Reactors ”.  The  Journal  of
KMITNB, Vol 14., pp 20-26, 2004.
[7]  Danckwerts, P. V., “ Gas-Liquid Reactions ”,  McGraw-Hill.  Inc.,  New York, 1970.
[8]  Frederick  C.  TSE  &  Orville  C.  Sandall, “ Diffusion  Coefficients  for  Oxygen  and
Carbon  Dioxide  in  Water  at  25 o C  by
Unsteady  State  Desorption  from  A Quiescent Liquid ”, Chemical
Engineering  Communications,  2007,
pp. 147-153.
[9]  Sander  R.,  “ Compilation  of  Henry’s
Law  Constants  for  Inorganic  and Organic Species of Potential Importance in Environmental Chemistry ”,  Air  Chemistry  Department,
Max-Planck  Institute  of  Chemistry, 1999.
[10]  Rochelle,  Gary,  “ CO 2 Capture  by
Aqueous Absorption / Stripping

## Opportunities  for  Better  Technology ”.
University  of  Texas:  Department  of Chemical Engineering, 2001.
[11]  Huttenhuis,  P.J.G.  E.P.  van  Elk,  G.F. Versteeg.  2009.  “ Mass  transfer  in  a small  scale  post-combustion  flue  gas absorber,  experiment  and  modelling ”.
Energy  Procedia  1,  pp.  1131 –1138,
2009.
[12]  Brunson,  R  M  Wellek,  R,  F.  H.  Law, “ Enhancement Factors
for Gas Absorption with Second Order Irreversible  Chemical  Reaction ”,  The Canadian Journal of Chemical
Engineering,  Vol.  56.  pp.  181-186,
1978.
[13]  Burden  R. and Faires J. D,  “ Numerical
Analysis 8th edition ”. Thomson Brools/Cole, USA, 2004
[14]  Environmental Protection Agency,
“ Module 4: Liquid Characteristics – Gas
Absorption ”, US EPA, 2010.
[15]  Grau,  M  D  dan  Puigjaner  L.,  “ Batch and  Semi  batch  Reactors  Modelling and  Validation  Based  On  On-Line  pH Measurement ”,  Chem.  Eng.  Com . 2000. Vol. 17, pp. 49-65, 2000.