Kinetika Adsorpsi Gas CO2/CH4 dalam Fixed-Bed Adsorben Karbon Berpori Berbahan Dasar Limbah Cangkang Kelapa Sawit: Pengaruh Laju Alir Umpan dan Ukuran Partikel Adsorben

NUR BAYU M N, Dr.-Ing. Teguh Ariyanto, M.Eng., Ph.D.; Ir. Imam Prasetyo, M.Eng., Ph.D.

2021 | Tesis | MAGISTER TEKNIK KIMIA

Karbon dioksida (CO2) merupakan impuritas utama yang terkandung di dalam biogas dan gas alam. Kandungan CO2 yang tinggi menyebabkan rendahnya panas pembakaran, korosif, dan menimbulkan emisi gas rumah kaca secara berlebihan. Oleh karena itu, diperlukan unit purifikasi untuk memisahkan CO2 dari gas alam dan biogas sehingga kualitasnya dapat ditingkatkan. Metode pemisahan gas dengan metode adsorpsi pada kolom fixed-bed dinilai menjanjikan untuk pemisahan CO2/CH4 dibandingkan metode konvensional. Dengan demikian, pengetahuan terkait kinetika pemisahan dan perilaku dinamika pemisahan gas pada kolom fixed-bed dibutuhkan untuk desain proses dan optimisasi sistem adsorpsi. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh laju alir umpan dan ukuran partikel adsorben terhadap kinetika adsorpsi dan kinerja pemisahan gas pada kolom fixed-bed. Karbon berpori dipreparasi dari biochar berbasis cangkang kelapa sawit dan diaktivasi menggunakan steam pada suhu 800 oC. Karbon berpori dikarakterisasi menggunakan N2 sorption, FTIR, dan SEM untuk mempelejari struktur morfologi pori. Selanjutnya, pemisahan gas CO2/CH4 (45/55%) dilakukan di dalam kolom fixed-bed yang berisikan tumpukan karbon berpori berbasis cangkang kelapa sawit. Siklus pemisahan gas dan regenerasi adsorben dijalankan pada tekanan atmosferis, kondisi isothermal pada suhu 30 oC, laju alir umpan yang berbeda (50, 100, 150 mL.min-1), dan ukuran partikel adsorben yang berbeda (376, 771, 1000 mikrometer). Untuk mengevaluasi parameter kinetika gas dan mempelajari perilaku dinamika pemisahan gas pada kolom fixed-bed maka disusun model matematika. Untuk mempelajari kinetika adsorpsi, disusun model matematika dengan mengadopsi model transfer massa linear driving force (LDF). Sebagai pendukung data untuk simulasi model matematika, dilakukan pula percobaan kesetimbangan adsorpsi isotermal gas murni CO2 dan CH4 dengan metode static volume pada suhu 30 oC dan tekanan 0-120 kPa. Selain itu, mekanisme kinetika adsorpsi CO2 pada karbon berpori berbasis cangkang kelapa sawit diinvestigasi menggunakan model difusi intrapartikel dan model difusi film Boyd. Hasil karakterisasi material menunjukkan bahwa karbon berpori berbasis cangkang kelapa sawit yang dipreparasi pada penelitian ini memiliki karakteristik pori yang didominasi oleh mikropori dan banyak mengandung gugus oksigen pada permukaan porinya. Selanjutnya, hasil pemisahan pada kolom fixed-bed menunjukkan bahwa CO2 dapat dipisahkan dari campuran CO2/CH4 menghasilkan CH4 dengan kemurnian tinggi (> 98 %vol) menggunakan karbon berpori berbahan dasar cangkang kelapa sawit. Selain itu, model matematika yang disajikan pada penelitian ini dapat digunakan untuk memprediksi kurva breakthrough. Hasil analisis kinetika gas menunjukkan bahwa kinetika pemisahan CO2/CH4 semakin cepat dengan semakin meningkatnya laju alir umpan dan semakin kecilnya ukuran partikel adsorben. Disisi lain, hasil investigasi mekanisme kinetika adsorpsi menunjukkan bahwa kinetika adsorpsi tidak hanya dikontrol oleh proses difusi intrapartikel tetapi dikontrol juga oleh difusi film eksternal. Terakhir, hasil analisis kinerja pemisahan menunjukkan bahwa laju alir umpan rendah dan ukuran partikel adsorben rendah menghasilkan kapasitas kerja besar. Sementara laju alir umpan besar dan ukuran partikel adsorben rendah menghasilkan efisiensi pemisahan tinggi.

Carbon dioxide (CO2) is the main impurity containing in biogas and natural gas. The high CO2 content causes low combustion heat, corrosive, and causes excessive greenhouse gas emissions. Therefore, a purification unit is needed to separate CO2 from natural gas and biogas so that its quality can be improved. The gas separation method using adsorption method in the fixed-bed column is considered promising for the separation of CO2/CH4 compared to conventional methods. Thus, knowledge regarding separation kinetics and dynamic behavior of gas separation in the fixed-bed column is required for process design and optimization of the adsorption system. This study aims to study the effect of the feed flowrate and the size of the adsorbent particles on the adsorption kinetics and gas separation performance in the fixed-bed column. Porous carbon was prepared from pam kernel shell-based biochar based on oil palm and activated using steam at a temperature of 800 oC. Porous carbon was characterized using N2 sorption, FTIR, and SEM to study its pore morphology. Furthermore, the separation of CO2 / CH4 (45/55%) was carried out in a fixed-bed column containing palm kernel shell-based porous carbon. The separation and regeneration cycles was conducted at atmospheric pressure, isothermal conditions at 30 oC, different feed flow rates (50, 100, and 150 mL.min-1), and different sizes of adsorbent particles (376, 771, and 1000 micrometre). In order to evaluate the gas kinetics parameters and study the dynamic behavior of gas separation in the fixed-bed column, a mathematical model was developed by adopting the linear driving force (LDF) mass transfer model. Furthermore, an experiment of the isothermal adsorption equilibrium of pure gas CO2 and CH4 was carried out using static volume method at 30 oC and 0-120 kPa pressure. On the other hand, the mechanism of CO2 adsorption on palm kernel shell-based porous carbon was investigated using the intraparticle diffusion model and the Boyd film diffusion model. The characterization results showed that the palm kernel shell-based porous carbon prepared in this study had pore characteristics which were dominated by micropores and containing a lot of oxygen groups on the pore surface. Furthermore, the separation results on the fixed-bed column showed that CO2 was separated from the CO2 / CH4 mixture producing CH4 with high purity (> 98% vol) using porous carbon prepared from palm kernel shells. Furthermore, the mathematical model presented in this study can be used to predict the breakthrough curves. The results of the gas kinetics analysis showed that CO2 / CH4 separation kinetics were getting faster with increasing feed flow rate and the smaller the size of the adsorbent particles. On the other hand, the results of the investigation of the adsorption kinetics mechanism showed that the adsorption kinetics were not only controlled by the intraparticle diffusion process but also by external film diffusion at a specific time. Finally, the separation performance analysis showed that lower feed flow rate and smaller adsorbent particle size resulting in high adsorption working capacity. Meanwhile, higher feed flow rate and smaller adsorbent particle size resulting in high efficiency of separation.

Kata Kunci : Kinetika Adsorpsi, Karbon Berpori, Biogas Purifikasi