ii

ABSTRAK

ADSORPSI SO2 DENGAN ADSORBEN CuO/-Al2O3

DALAM REAKTOR UNGGUN DIAM

Oleh

David Bahrin

NIM: 33012001

(Program Studi Doktor Teknik Kimia)

Mengingat batubara Indonesia memiliki kandungan sulfur berkisar antara 0,1%

s.d 9,8%, pembangkit listrik berbahan bakar batubara memiliki potensi

menghasilkan emisi SO2 di atas baku mutu lingkungan. Desulfurisasi

menggunakan adsorben berbasis oksida logam atau campuran oksida logam

seperti CuO/-Al2O3 berpotensi untuk dikembangkan. Teknik ini memiliki

keunggulan diantaranya penyediaan relatif mudah, kapasitas adsorpsi SO2 yang

cukup besar dan dapat diregenerasi sehingga dapat digunakan berulang kali.

Penyangga yang digunakan adalah penyangga -Al2O3 komersial yang diproduksi

oleh Laboratorium Teknik Reaksi Kimia dan Katalisis, Institut Teknologi

Bandung dengan karakteristik; 1) luas permukaan spesifik 218,43 m2/g, 2)

volume pori 0,46 cm3/g, dan 3) diameter pori 83,33 Å. Tujuan yang ingin dicapai

pada penelitian disertasi ini adalah mendapatkan adsorben CuO/-Al2O3 dengan

karakteristik baik dan performa tinggi untuk adsorpsi SO2 melalui pembuatan dan

karakterisasi adsorben CuO/-Al2O3 pada berbagai konsentrasi logam Cu, evaluasi

uji kinerja adsorben CuO/-Al2O3 dalam aspek pengaruh konsentrasi logam Cu

dan temperatur adsorpsi terhadap kapasitas adsorpsi SO2 dan lama waktu

adsorben CuO/-Al2O3 mencapai kejenuhan (topik-1). Metode penempelan logam

Cu pada penyangga -Al2O3 menggunakan impregnasi kering dan teknik adsorpsi

SO2 menggunakan reaktor unggun diam. Pemilihan reaktor unggun diam lebih

disebabkan karena kemudahan dalam pengoperasiannya.

Uji regenerasi adsorben CuO/-Al2O3 jenuh dilakukan untuk mengembalikan

kemampuannya dalam menjerap SO2 (topik-2). Adsorben CuO/-Al2O3 yang

digunakan adalah adsorben dengan kinerja yang paling baik dari hasil percobaan

topik-1. Regenerasi adsorben CuO/-Al2O3 jenuh menggunakan metode

dekomposisi panas dengan mempertimbangkan tidak perlu biaya tambahan

pembelian zat pereduksi, tidak perlu melakukan oksidasi tembaga setelah

regenerasi. Regenerasi adsorben CuO/-Al2O3 jenuh dilakukan pada temperatur

500, 600 dan 700C, laju alir udara 1, 2 daan 3 mL/detik dengan lama waktu

regenerasi 20, 40 dan 60 menit. Jumlah siklus adsorpsi-regenerasi sepuluh kali.

Karakterisasi adsorben CuO/-Al2O3 meliputi sifat pori dan jenis kristal yang

terbentuk dilakukan pada adsorben yang telah melalui proses adsorpsi-regenerasi

berulang untuk memperkuat analisa pengaruh regenerasi terhadap kinerja

adsorben.

iii

Percobaan topik-1 dan topik-2 menggunakan gas model berupa campuran gas SO2

dan udara bebas uap air dengan konsentrasi antara 4600 s.d 21.000 ppmv atau

13.150 s.d 60.000 mg/Nm3. Laju alir gas umpan 1,4 s.d 1,8 mL/detik atau 84 s.d

108 mL/menit dan jumlah adsorben mula-mula adalah 0,4 g dan 1 g. Pada

percobaan topik-3, konsentrasi SO2 gas model mendekati konsentrasi SO2 nyata

hasil pembakaran batubara dengan kadar sulfur sekitar 1% berat (air dry basis),

yaitu 680 ppmv atau 2500 mg/Nm3. Laju alir gas umpan pada percobaan topik-3

yaitu 1,21 L/menit.

Kinerja adsorben CuO/-Al2O3 dapat dilihat dari progres konsentrasi SO2 dalam

aliran gas keluar reaktor atau kurva breakthorugh. Model dan parameter kinetika

pemodelan yang tepat dapat digunakan untuk memprediksi kurva breaktrough

proses adsorpsi SO2 dengan adsorben CuO/-Al2O3. Tujuan yang ingin dicapai

pada penelitian topik-3 adalah merepresentasikan hasil penelitian adsorpsi SO2

dengan adsorben CuO/-Al2O3 dengan model yang dikembangkan oleh peneliti

sebelumnya dengan kondisi percobaan yang hampir sama namun dengan

konsentrasi SO2 yang jauh lebih rendah dan menggunakan adsorben CuO/-Al2O3

hasil sediaan sendiri. Hasil kajian adalah parameter pemodelan seperti konstanta

kecepatan reaksi keseluruhan (kr), konstanta laju konsumsi CuO (kd), energi

aktivasi (Ea) dan faktor tumbukan (A).

Konsentrasi logam Cu berpengaruh signifikan terhadap perubahan sifat pori (luas

permukaan spesifik dan volume pori) adsorben CuO/-Al2O3. Kapasitas adsorpsi

SO2 adsorben jenuh meningkat hingga konsentrasi logam Cu 8%-berat adsorben,

dan kapasitas adsorpsi SO2 cenderung turun pada konsentrasi logam Cu lebih dari

8%-berat adsorben. Temperatur adsorpsi berpengaruh nyata terhadap kapasitas

adsorpsi adsorben. Lama waktu adsorben mencapai kejenuhan meningkat dengan

meningkatnya temperatur adsorpsi dan cenderung sama pada berbagai konsentrasi

logam Cu.

Regenerasi dengan dekomposisi panas secara nyata dapat meregenerasi adsorben

8Cu bekas pakai. Regenerasi adsorben 8Cu bekas pakai pada temperatur

regenerasi 600C menghasilkan adsorben dengan kemampuan adsorpsi SO2 rata-

rata paling tinggi hingga siklus adsorpsi-regenerasi kesepuluh. Regenerasi

adsorben dengan dekomposisi panas terutama pada temperatur 500C tidak dapat

mengembalikan sifat pori adsorben seperti adsorben segar yang mengindikasikan

masih terdapat senyawa CuSO4 maupun Al2(SO4)3 belum terdekomposisi.

Senyawa Al2(SO4)3 terbentuk pada adsorben 8Cu yang diregenerasi pada

temperatur 500C pada siklus adsorpsi-regenerasi sepuluh kali. Regenerasi

adsorben pada temperatur 700C hingga siklus adsorpsi-regenerasi sepuluh kali

berpengaruh nyata terhadap perubahan sifat pori adsorben 8Cu yang

mengindikasikan terjadinya perubahan struktur adsorben.

Model CA,o

CA,i= exp [−

V

Qkr exp(−kdt)] dengan parameter kinetika pemodelan

kr = 27.862 exp(−20,33

RT) dan kd = 0,024 exp(−

6,64

RT) adalah sesuai untuk

menggambarkan kurva breakthrough adsorpsi SO2 dengan adsorben CuO/-Al2O3

iv

dalam reaktor unggun diam. Validasi model dan parameter kinetika pemodelan

pada percobaan dengan jumlah adsorben yang lain (2 dan 4 gram) memberikan

hasil yang cukup memuaskan. Model dan parameter kinetika pemodelan tersebut

dapat dipakai untuk memprediksi kurva breakthrough adsorpsi SO2 dengan

adsorben CuO/-Al2O3 dalam reaktor unggun diam pada konsentrasi SO2 dalam

umpan rendah yaitu 2500 mg/Nm3 (860 ppm) dengan catatan bahwa jenis

adsorben, kondisi proses seperti temperatur dan tekanan sama.

Kata kunci: adsorpsi SO2, adsorben CuO/-Al2O3, karakterisasi adsorben,

parameter pemodelan, reaktor unggun diam, regenerasi, validasi

v

vi

ABSTRACT

SO2 ADSORPTION USING CuO/-Al2O3 ADSORBENT

IN FIXED BED REACTOR

By

David Bahrin

NIM: 33012001

(Doctoral Program in Chemical Engineering)

As the Indonesian coal contains sulphur in the range of 0.1% to 9.8%, the coal

powered steam power plant may potentially emit SO2 above the allowed threshold

limit. Desulphurization using metal oxide based adsorbent or a mixture of metal

oxide like CuO/-Al2O3 has the potential for development. This technique is

advantageous due to the relative ease in production, large SO2 adsorption

capacity and the regenerability that allows for multiple usage. The support

material used is the commercial -Al2O3 support produced by the Laboratorium

Teknik Reaksi Kimia dan Katalisis, Institut Teknologi Bandung with the following

parameters; 1) specific surface area of 218.43 m2/g, 2) pore volume of 0.46 cm

3/g,

and 3) pore diameter of 83.33 Å. The target in this research dissertation is to

obtain CuO/-Al2O3 adsorbent with good characteristics and high performance in

SO2 adsorption through the manufacture and characterization of CuO/-Al2O3

adsorbent at several Cu concentration, evaluating the CuO/-Al2O3 adsorbent

performance with change in Cu metal concentration and the process temperature

with the SO2 adsorption capacity and the adsorption time of the CuO/-Al2O3

adsorbent to achieve saturated condition (Topic-1). The Cu metal was deposited

on -Al2O3 support using dry impregnation method and the SO2 adsorption was

performed on fixed bed reactor. Fixed bed reactor configuration was chosen due

to ease of operation.

The regenerability test of the saturated CuO/-Al2O3 adsorbent was performed to

restore the SO2 adsorbing capability of the adsorbent (Topic-2). CuO/-Al2O3

adsorbent used correspond to the adsorbent with the best performance according

to the experimental results from Topic-1. The regeneration method of saturated

CuO/-Al2O3 adsorbent used was the thermal decomposition method as this

method does not necessitates the extra cost incurred in the purchase of reductant

and this method also does not necessitates Cu oxidation after regeneration. The

regeneration of CuO/-Al2O3 adsorbent was performed at 500, 600 and 700C,

with air flowrate of 1, 2 and 3 mL/s with the regeneration time of 20, 40 and 60

minutes. The adsorption-regeneration cycle repeated for 10 times. The

characterization of CuO/-Al2O3 adsorbent used involves pore characteristics and

crystal types formed on the adsorbent that has went through the repeated process

of adsorption-regeneration with the aim of strengthening the analysis of the effect

of regeneration on adsorbent performance.

vii

Experiments in the topic-1 and topic-2 used model gas in the form of SO2 gas

mixture and moisture-free air with concentrations of 4600 s.d 21,000 ppmv or

13,150 s.d 60,000 mg/Nm3. The feed gas flow rate of 1.4 s.d 1.8 mL/sec or 84 s.d

108 mL/min and the amount of the initial adsorbent was 0.4 g and 1 g. In

experimental topic-3, SO2 concentration of model gas near SO2 concentration

real from coal combustion with sulfur content of about 1% weight (air dry base),

that is 680 ppmv or 2500 mg/Nm3. The feed gas flow rate on experiment in topic-3

is 1.21 L/min.

Performance of the CuO/-Al2O3 adsorbent was examined from the SO2

concentration progress in the reactor outlet gas or the breakthrough curve. The

appropriate model and kinetic parameters can be applied to predict the

breakthrough curve in the SO2 adsorption process using the CuO/-Al2O3

adsorbent. The target of this research (topic-3) is to interpret the experimental

result obtained from SO2 adsorption using CuO/-Al2O3 adsorbent using the

model developed by previous researcher in which the experimental condition was

similar but the SO2 concentration was much lower. The result of the study are the

parameters of the model such as the overall reaction rate constant (kr), CuO

consumption rate constant (kd), activation energy (Ea) and collision factor (A).

Copper metal concentration significantly affects the pore structure (specific

surface area and pore volume) of the CuO/-Al2O3 adsorbent. The adsorption

capacity of SO2 during saturation increases with the Cu metal concentration up to

Cu metal concentration of 8%, and the adsorption capacity of the SO2 adsorbed

falls when the Cu metal concentration is more than 8%w of the adsorbent. The

process temperature affects the adsorption capacity of the adsorbent. The length

of time required for the adsorbent to achieve saturated condition increases with

increase in the process temperature and tends to be the same at varying Cu

concentration.

Regeneration with thermal decomposition can significantly regenerate the

saturated CuO/-Al2O3 adsorbent. Regeneration of the saturated CuO/-Al2O3

adsorbent at temperature of 600C results in the highest avarage adsorption

capacity up to the 10th adsorption-regeneration cycle. The SO2 adsorption

capacity of the used adsorbent at all temperature tends to decrease up to the 10th

adsorption-regeneration cycle with the largest drop on the adsorbent that was

regenerated at 500C. The adsorbent regeneration by thermal decomposition

especially at regeneration temperature of 500C cannot restore the pore structure

of the used adsorbent to initial condition and this indicates the presence of CuSO4

compounds or Al2(SO4)3 compounds that has yet to be decomposed. Al2(SO4)3

compounds formed on the 8Cu adsorbent regenerated at 500C on the

adsorption-regeneration cycle of about 10 times, The regeneration of adsorbent at

700C up to the adsorption-regeneration cycle of 10 times affects the change in

pore structure of the 8 Cu adsorbent and this indicates that there was change in

the adsorbent pore structure.

viii

The model 𝐶𝐴,𝑜

𝐶𝐴,𝑖= 𝑒𝑥𝑝 [−

𝑉

𝑄𝑘𝑟 𝑒𝑥𝑝(−𝑘𝑑𝑡)] with 𝑘𝑟 = 27.862 𝑒𝑥𝑝(−

20,33

𝑅𝑇) and

𝑘𝑑 = 0,024 𝑒𝑥𝑝(−6,64

𝑅𝑇) is suitable to depict breakthrough curve of SO2

adsorption using the CuO/-Al2O3 adsorbent in fixed bed reactor. Validation of

the model and kinetic modeling parameters at the experiments with the other sum

of adsorbents (2 and 4 grams) give yield satisfactory results. The model and

kinetic modeling parameters mentioned can be used to predict the breakthrough

curve of the SO2 adsorption using CuO/-Al2O3 adsorbent in a fixed bed reactor at

lower SO2 concentration in the feed that is 2500 mg/Nm3 (860 ppm) when the type

of adsorbent, operating condition such as the temperature and pressure are the

same.

Keywords: SO2 adsorption, CuO/-Al2O3 adsorbent, adsorbent characterization,

modelling parameters, fixed bed reactor, regeneration, validation

LEMBAR PENGESAHAN