Perancangan Proses Pirolisis Sekam Padi Menjadi Silika Pada Skala Medium Untuk Pengembangan Agroindustri.

Abstract

Produksi padi Indonesia pada tahun 201 5 adalah sebesar 75.55 juta ton gabah kering giling (GKG) atau naik 6.64% dari tahun 2014 (BPS 201 5). Kenaikan produksi padi dapat meningkatkan ketersediaan sekam padi. Komposisi sekam padi terhadap bobot awal gabah berkisar 20-30%. Hal ini menunjukan bahwa limbah sekam padi yang dihasilkan oleh Indonesia pada tahun 2015 mencapai 1 5.91 juta ton. Produktivitas padi yang tinggi di Indonesia memberikan peluang untuk memanfaatkan sekam padi menjadi silika. Penelitian proses pembuatan silika dari sekam padi sudah berhasil dilakukan, akan tetapi masih dalam skala labolatorium, sehingga perlu dikembangkan proses pembuatan silika dari sekam padi dalam skala medium sebagai upaya dalam pengembangan agroindustri. Pada penelitian ini dilakukan proses penggandaan skala sebagai upaya pengembangan skala yang lebih besar. Proses peningkatan ke skala medium dilakukan dengan membuat model proses pirolisis pembuatan silika dari sekam padi menggunakan Comsol Multhiphysics software 5.3 melalui beberapa tahapan. Tahap satu pada penelitian ini adalah menganalisis proses pirolisis sekam padi dari hasil Thermogravimetry Analysis (TGA) untuk mendapatkan parameter kinetika reaksinya yaitu k : konstanta kecepatan reaksi, A : faktor frekuensi dan E : energi aktivasi. Tahap dua yaitu membuat model proses pirolisis pembuatan silika dari sekam padi menggunakan Comsol Multhiphysics software 5.3, dengan cara 1) membuat model geometri Furnace dengan ukuran panjang 1.52 m, tinggi 1.71 m, lebar 0.80 m, lebar rak 0.80 m, panjang rak 0.80 m, tinggi rak 0.01 m, tebal sekam 0.02 m, jarak antar rak 0.14 m, tebal dinding kermaik Furnace 0.06 m, tebal kaowool 0.21 m, 2) memasukkan karakteristik material yaitu sekam padi, keramik/alumina, kaowool, karbon dioksida, air dan memasukan nilai kinetika reaksi proses pirolisis dari hasil Thermogravimetry Analysis (TGA), 3) memilih modul-modul physics yang terlibat dalam proses pirolisis yaitu aliran turbulen, aliran panas secara konduksi dan konveksi serta persamaan diferensial biasa (ODE), 4) Melakukan diskretisasi domain/meshing, 5) Melakukan pemilihan dan pengaturan study, 6) Menampilkan hasil simulasi. Model proses pirolisis pembuatan silika dari sekam padi menggunakan Comsol Multhiphysics software dibuat dengan beberapa asumsi pemodelan yaitu proses pirolisis berlangsung pada kondisi isotermal, aliran panas dalam Furnace skala medium terjadi secara konveksi dan konduksi, persamaan empiris hasil analisis TGA pada kondisi steady state dianggap representatif untuk proses pirolisis, aliran dalam reaktor dimodelkan pada kondisi stabil (steady state), persamaan model turbulensi k-ε dianggap berlaku, dimensi alat Furnace sesuai similaritas geometri, bahan-bahan penyusun Furnace sama, komposisi bahan sekam padi sama, tinggi sekam padi dalam Furnace sama. Penelitian tahap tiga yaitu menganalisis hasil simulasi dan validasi. Hasil simulasi model proses pirolisis yang optimum diperoleh dengan laju pemanasan 1.50 oC/menit selama 12 jam untuk menghasilkan rendemen silika 15.40%. Hasil pemodelan kemudian divalidasi dengan melakukan penelitian pada skala medium, rendemen silika yang dihasilkan dari proses pirolisis skala medium adalah sebesar 15.43%, hasil ini mendekati rendemen pada skala laboratorium. Rendemen hasil eksperimen pada skala medium dibandingkan juga dengan nilai rendemen hasil simulasi. Berdasarkan hasil simulasi dan hasil eksperimen menggambarkan bahwa scale-up pada Furnace skala medium adalah valid dengan nilai biasnya 8.65 %. Hasil simulasi rendemen silika setiap rak menunjukan nilai yang tidak jauh berbeda sesuai dengan hasil percobaan pada skala medium. Model proses pirolisis pembuatan silika dari sekam padi pada skala medium dapat digunakan untuk memprediksi proses pirolisis pada skala yang lebih besar dengan pengaturan kondisi operasi laju pemanasan sebagai fungsi dari kenaikan skala melalui persamaan y = 0.0135x + 1.2037 dengan y : laju kenaikan suhu (oC/menit) dan x : massa sekam padi (kg). Computasional Fluid Dynamic (CFD) dalam scale-up dapat membantu mengidentifikasi faktor-faktor yang secara signifikan mempengaruhi hasil estimasi koefisien perpindahan massa pada Furnace skala medium. Silika yang dihasilkan dari proses pirolisis pada skala medium mempunyai bentuk morfologi sangat berpori, dengan luas permukaan yang tinggi, dengan pencucian larutan asam, abu sekam padi pecah menjadi potongan-potongan dan permukaan epidermis luar terkelupas serta beberapa pori-pori besar. Kemurnian silika yang dihasilkan dari proses pirolisis skala medium adalah 63.99 – 82.74 %. Silika lebih didominasi oleh gugus siloksan (Si-O-Si), dibandingkan dengan gugus silanol (Si-OH). Hal tersebut ditunjukkan dengan rendahnya intensitas serapan dari gugus –OH di 3 610 cm-1. Struktur dari silika yang dihasilkan dari proses pirolisis yaitu tetragonal. Sifat listrik silika yang dihasilkan adalah semikonduktor. Proses pirolisis pembuatan silika dari sekam padi pada skala medium dapat dijadikan sumber dalam pengembangan konsep agroindustri silika. Konsep pengembangan agroindustri dilakukan dengan menggunakan pendekatan Bisnis Model Kanvas. Berdasarkan hasil analisis pembuatan silika dari sekam padi menghasilkan kemurnian silika yang tinggi dengan proses produksi melalui proses pirolisis yang layak dikembangkan, produk silika yang dihasilkan secara ekonomi akan menguntungkan. Proses pembuatan silika dari sekam padi layak dikembangkan untuk pengembangan agroindustri silika dari sekam padi.