Electronic Theses and Dissertation

Ketersediaan bahan bakar minyak mentah alam yang telah menjadi energi utama penggerak dunia modern terus mengalami perlambatan dan semakin memperlihatkan kecenderungan pengurangan produksi dalam dekade terakhir. Sumur-sumur minyak dan gas semakin jarang ditemukan. Hal ini menjadikan biodiesel semakin didorong untuk menjadi salah satu alternatif pemenuhan energi di masa depan, mengiringi perkembangan riset di bidang energi angin, matahari, panas bumi, dan gelombang laut. Di antara sekian banyak bahan baku yang pernah diteliti, maka dengan potensi volume produksi yang mencapai dua ton per hektar per tahun menempatkan biji kepayang sebagai salah satu alternatif potensi bahan baku biodiesel lokal yang sangat menjanjikan. Di samping itu, limbah padat cangkang kelapa sawit juga merupakan problematik tersendiri dalam hal pengelolaannya. Bahan ini mudah ditemukan di berbagai penjuru negeri juga sangat mendukung ketersediaan bahan baku untuk kebutuhan produksi katalis. Oleh karena itu, penelitian ini kemudian mencoba meneliti aspek-aspek dalam Produksi Biodiesel dari Minyak Kepayang Menggunakan Katalis Heterogen K2O/Cangkang Sawit dan Uji Kinerja pada Mesin Diesel. Penelitian ini secara khusus terdiri dari tiga tujuan utama yaitu, meneliti efek penggunaan katalis heterogen K2O/PKS-AC terhadap yield dan karakteristik Biodiesel, kemudian menguji kinerja mesin menggunakan bahan bakar biodiesel, diesel konvensional dan campurannya serta yang terakhir melakukan simulasi kinerja mesin menggunakan bahan bakar biodiesel. Dalam aspek produksi dilakukan juga pengembangan katalis untuk pembuatan biodiesel minyak kepayang sekaligus memahami karakteristik dari katalis K2O/PKS-AC dan mempelajari kemampuan katalis dalam produksi biodiesel dari minyak kepayang. Dalam sub penelitian ini digunakan katalis kalium oksida yang ditanamkan ke dalam arang inti hasil pirolisis karbon cangkang sawit, K2O/PKS-AC, sebagai katalis heterogen untuk produksi biodiesel dari Pangium Edule Oil (PEO). Katalis dipreparasi dengan metode impregnasi basah dengan melarutkan K2CO3. Selama reaksi transesterifikasi, massa impregnasi dan waktu reaksi adalah parameter yang paling kritis dan sangat memengaruhi yield biodiesel. Kondisi reaksi optimal untuk transesterifikasi dicapai pada saat katalis K2O/PKS-AC yang diberi 20% massa impregnasi, 5% w/w massa katalis, 9:1 rasio metanol terhadap minyak, suhu reaksi 65 oC dengan waktu reaksi 1,5 jam. Pada kondisi ini, reaksi dapat menghasilkan hasil 96,647% yield. Meneriknya, katalis K2O/PKS-AC dapat mempertahankan aktivitas katalistik yang baik bahkan setelah digunakan empat kali penggunaan (reusabilitas) dengan yield di atas 90% yang menyiratkan potensi penghematan katalis dan biaya produksi biodiesel dapat ditekan melalui penggunaan katalis padat. Penggunaan katalis K2O/PKS-AC juga mampu mengurangi penggunaan alkohol yang rasio yang relatif lebih rendah. Biodiesel yang dihasilkan telah dikarakterisasi, dan menampakkan hasil sifat fisikokimia sesuai dengan SNI 7182-2015. Oleh karena katalis K2O/PKS-AC menunjukkan aktivitas katalistik yang tinggi, ramah lingkungan, dan ekonomis, maka katalis jenis ini dapat dipromosikan sebagai katalis potensial untuk produksi biodiesel pada skala industri. Dalam penelitian ini juga telah dilakukan karakterisasi terhadap katalis padat yang dihasilkan, yakni melalui uji X-Ray Diffraction (XRD). Hasil analisis XRD menunjukkan beberapa fase kristalin terbentuk dan senyawa K2O diketahui terletak pada rentang 2θ 23,16o sampai 49,69o. Hasil analisis Scanning Electron Microscopy (SEM) memperlihatkan bahwa partikel katalis memiliki bentuk tidak beraturan dengan K2O memenuhi pori karbon dan hasil ini dikonfirmasi melalui Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy EDX dan ditemukan K2O sebanyak 8,56% pada sampel katalis yang dikarakterisasi. Gas Chromatography Mass Spectrometry (GC-MS) digunakan untuk meneliti kandungan utama dari sampel bahan baku biodiesel. Biodiesel dari reaksi transesterifikasi kemudian dianalisis dan ditemukan secara umum nilai viskositas kinematikanya adalah 4,4 – 5,1 mm2/s (cSt), densitas 851-888 kg/m3, bilangan setana, atau cetane number (CN) sebesar 63,8, dan nilai kalor sebesar 39.449 MJ/Kg. Hasil produksi biodiesel ini kemudian diuji pada mesin diesel dan berhasil bekerja dengan cukup memuaskan baik pada pengujian di generator tenaga listrik berkecepatan tinggi dan juga pada mesin diesel serbaguna. Campuran biodiesel B30 mendominasi sebagian besar parameter dalam analisis kinerja pada generator listrik. Campuran B30 menghasilkan tenaga mesin tertinggi sebesar 0,845 kW pada beban rendah dan mendominasi pada beban yang lebih tinggi dengan konsumsi bahan bakar minimum 1,33 kg/jam, BSFC terendah 0,243 kg/kWh, dan nilai BTE kedua sebesar 21,16%. Namun untuk pengujian pada mesin diesel serbaguna, B20 masih mendominasi hasil, hal ini disebabkan karena mesin diesel tipe ini memiliki putaran yang kurang dari 3000 rpm. Pada bagian ketiga dari penelitian ini, yaitu simulasi menggunakan Diesel RK, hasil perbandingan kinerja pada mesin secara eksperimental dan hasil secara stimulatif memperlihatkan kinerja yang hampir serupa, dan berada pada rentang hasil yang mendekati nilai pada eksperimental. Tentu hal ini mengkonfirmasi dan memberikan peluang untuk bagi peneliti untuk menggunakan pendekatan simulasi sebelum melakukan pendekatan eksperimental yang relatif lebih mahal, dengan catatan parameter mesin dan bahan bakar yang digunakan haruslah mendekati nilai sebenarnya sesuai hasil pengukuran dan uji laboratorium. Sehingga,. secara keseluruhan dapat dikatakan bahwa penelitian ini telah memaparkan hasil yang kompetitif di antara variasi campuran biodiesel biji kepayang dan hasilnya dapat bersaing dengan bahan bakar biodiesel dengan basis campuran minyak kelapa sawit yang saat ini justru lebih dominan dimanfaatkan untuk kebutuhan pangan. Fakta ini dapat mendorong peluang baru untuk meningkatkan dan meningkatkan campuran biodiesel-diesel dari bahan baku alternatif non sawit karena lebih banyak biodiesel yang akan diproduksi berarti lebih banyak bahan baku energi yang dibutuhkan, dan tentu saja lebih disukai dari sumber bahan baku yang ramah lingkungan dan yang berkelanjutan. Eksperimen itu sendiri menggunakan mesin yang tidak sepenuhnya dikembangkan untuk kandungan biodiesel yang lebih tinggi. Dengan demikian, eksperimen ini mendorong prospek peningkatan kinerja mesin diesel dengan peningkatan rasio biodiesel-diesel. Namun demikian, hal ini akan membutuhkan penelitian yang lebih rinci di bidang teknik terutama dalam hal pengembangan mesin yang mampu mengoptimalkan pembakaran bahan bakar dengan kandungan biodiesel lebih tinggi. Perubahan yang sangat kecil pada setiap variabel yang dicatat selama eksperimen dan kondisi operasional menyebabkan perlunya data pada studi yang akan datang di rekam menggunakan metodologi yang lebih canggih. Selain itu, tanaman pangium edule atau kepayang dapat ditumpangsarikan dengan banyak tanaman tropis dapat menjadi alternatif penyediaan bahan baku energi terbarukan. Metode budidaya energi yang lebih modern dan berkelanjutan dengan jenis bahan baku ini harus dipertimbangkan karena menawarkan pendekatan yang lebih baik untuk mengurangi dampak kerugian lingkungan akibat penerapan metode budidaya monokultur, seperti yang dipraktikkan saat ini dalam skema global.

Kata kunci: biodiesel, pangium edule methyl ester, katalis heterogen, K2O/PKS-AC, campuran bahan bakar, biodiesel kepayang, kinerja mesin

The availability of natural crude oil, which has become the main energy driving the modern world, continues to experience a slowdown and increasingly shows a tendency to reduce production in the last decade. Oil and gas wells are becoming increasingly rare, which makes biodiesel increasingly encouraged to become an alternative for energy fulfillment in the future, following the development of research in the fields of wind, solar, geothermal, and ocean wave energy. Among the many raw materials that have been studied, with a potential production volume of up to two tons per hectare per year, it places kepayang or Pangium Edule seeds as a promising alternative potential for local biodiesel raw materials. In addition, solid waste of oil palm shells is a particular problem in terms of management. This material is easy to find in various parts of the country and greatly supports the availability of raw materials for catalyst production. Therefore, this study tried to examine aspects of Biodiesel Production from Kepayang Oil Using Heterogeneous K2O/Palm Shell Catalysts and Performance Tests on Diesel Engines. This research specifically consists of three main objectives, namely, (i) to examine the effect of using heterogeneous K2O/PKS-AC catalysts on the yield and characteristics of biodiesel; (ii) to test the performance of engines using biodiesel, conventional diesel, and their mixtures, and (iii) to simulate engine performance using diesel-biodiesel fuel. In the production aspect, the development of a catalyst for the manufacture of kepayang oil biodiesel is also carried out, understanding the characteristics of the K2O/PKS-AC catalyst and studying the catalyst's ability to produce biodiesel from kepayang oil. In this sub-study, a potassium oxide catalyst is embedded into the core of activated carbon resulting from the pyrolysis of palm shell carbon, K2O/PKS-AC, as a heterogeneous catalyst to produce biodiesel from Pangium Edule Oil (PEO). The catalyst was prepared by the wet impregnation method by dissolving K2CO3. During the transesterification reaction, impregnation mass and reaction time are the most critical parameters and greatly affect biodiesel yield. Optimal reaction conditions for transesterification were achieved when K2O/PKS-AC catalyst was given 20% impregnation mass, 5% w/w mass of catalyst, 9 : 1 ratio of methanol to oil, reaction temperature of 65 oC with a reaction time of 1.5 hours. In this condition, the reaction can produce a 96.647% yield. Interestingly, the K2O/PKS-AC catalyst can maintain good catalytic activity even after four uses (reusability) with yields above 90%, which implies solid catalysts can reduce the potential for catalyst savings and biodiesel production costs. The use of a K2O/PKS-AC catalyst is also able to reduce the use of alcohol which has a relatively lower ratio. The biodiesel produced has been characterized and shows the results of physicochemical properties following SNI 7182-2015. Because the K2O/PKS-AC catalyst shows high catalytic activity, is environmentally friendly, and is economical, this type of catalyst can be promoted as a potential catalyst for biodiesel production on an industrial scale. In this study, a characterization of the resulting solid catalyst has also been carried out, namely through the X-Ray Diffraction (XRD) test. The results of XRD analysis showed that several crystalline phases were formed, and K2O compounds were known to be in the range of 2θ 23.16o to 49.69o. The Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis showed that the catalyst particles had an irregular shape, with K2O filling the carbon pores. This result was confirmed through Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy EDX and found 8.56% K2O in the characterized catalyst samples. Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) was used to examine the main content of biodiesel feedstock samples. Biodiesel from the transesterification was then analyzed, where kinematic viscosity value ranged between 4.4 – 5.1 mm2/s (cSt), the density of 851 – 888 kg/m3, cetane number (CN) of 63.8, and the calorific value of 39,449 MJ/Kg. The results of this biodiesel production were tested on diesel engines and worked quite satisfactorily in tests on high-speed electric power generators and multipurpose diesel engines. The biodiesel blend B30 dominates most of the parameters in the performance analysis of the power generator. The B30 mixture produces the highest engine power of 0.845 kW at low loads and dominates at higher loads with a minimum fuel consumption of 1.33 kg/hour, the lowest BSFC of 0.243 kg/kWh, and a second BTE value of 21.16%. However, for testing on multipurpose diesel engines, B20 still dominates the results since this type of diesel engine rotates less than 3000 rpm. The third part of this research compares the engine's performance experimentally and in simulation. It shows almost similar performance and is in the range of results close to the experimental values. Thus, it confirms and provides an opportunity for researchers to use a simulation approach before carrying out an experimental approach which is relatively more expensive, provided that the engine and fuel parameters used must be close to the actual values according to the results of measurements and laboratory tests. Consequently, this study has presented competitive results among variations of kepayang seed biodiesel blends. The results can compete with biodiesel fuel based on a mixture of palm oil which is currently supplied more for food industry demand. This fact can encourage new opportunities to increase and improve biodiesel-diesel blends from non-palm alternative feedstocks because more biodiesel to be produced means more energy feedstocks are required. Subsequently, feedstock from environmentally friendly and sustainable raw material sources is preferred. The experiment used an engine that was not fully developed for the higher biodiesel content. Thus, this experiment encourages the prospect of increasing diesel engine performance by increasing the biodiesel-diesel ratio. However, this will require more detailed research in engineering, especially in terms of developing engines capable of optimizing the combustion of fuels with higher biodiesel content. Small digit changes in each variable were recorded during the experiment due to operating conditions suggesting that the data should be recorded using more sophisticated methodologies. In addition, the pangium edule or kepayang plants can be intercropped with many tropical plants, which can be an alternative to supplying renewable energy raw materials. More modern and sustainable energy cultivation methods with this type of raw material should be considered because they offer a better approach to reducing the impact of environmental losses due to the application of monoculture cultivation methods, as is currently practiced in a global scheme. Keywords: biodiesel, pangium edule methyl ester, heterogeneous catalyst, K2O/PKS-AC, biodiesel blend, Pangium edule biodiesel, engine performance