Pengurangan NOx melalui Emulsifikasi Minyak/Air

Oksida nitrogen (NO_x) diketahui menimbulkan bahaya langsung bagi kesehatan manusia dan lingkungan. Mesin diesel dan bensin bergerak maupun stasioner berkontribusi besar terhadap emisi NO_x di seluruh dunia. Emulsifikasi bahan bakar dengan air merupakan salah satu cara untuk mengurangi emisi NO_x dari mesin. Emulsifikasi ultrasonik merupakan metode yang efektif untuk menghasilkan emulsi bahan bakar/air dengan ukuran droplet yang halus.

Mobil dan truk, pesawat terbang, generator listrik, forklift, unit pendingin udara, dan ketel uap menghasilkan partikulat (PM) dan NO_x dalam jumlah besar melalui pembakaran produk minyak bumi. NO_x merujuk pada campuran nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO₂) serta N₂O, NO₃, N₂O₄ dan N₂O₅. Nitrogen monoksida dan nitrogen dioksida berkontribusi terhadap pembentukan ozon di dekat permukaan tanah dan kabut asap serta berbahaya bagi lingkungan dan manusia. Peraturan lingkungan menangani emisi polutan udara dengan memperketat batas emisi. Emisi mesin juga mencakup sulfur dioksida (SO₂) akibat adanya senyawa sulfur dalam bahan bakar. Masalah ini dikurangi melalui hidrodesulfurisasi atau desulfurisasi berbantuan ultrasonik.

Pengoperasian dengan Emulsi Bahan Bakar/Air

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak penelitian telah dilakukan mengenai pengaruh air terhadap tingkat emisi NO_x . Berbagai rasio volume bahan bakar:air dari 1:1 hingga 19:1 telah diuji untuk mengetahui sifat pembakarannya. Dalam kebanyakan kasus, surfaktan sebanyak 1 hingga 2 persen volume ditambahkan untuk menstabilkan emulsi.

Latar Belakang Pembakaran

Pembakaran bahan bakar menghasilkan energi termal dan mekanis. Bagian energi mekanis dapat digunakan untuk menggerakkan piston atau turbin untuk menghasilkan tenaga penggerak atau listrik. Pada sebagian besar mesin, energi termal tidak dimanfaatkan. Hal ini menghasilkan efisiensi termodinamika yang lebih rendah.

Sekitar 90% dari NO_x yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar adalah NO. NO terutama terbentuk melalui oksidasi nitrogen atmosfer (N₂). Air yang ditambahkan ke bahan bakar menurunkan suhu pembakaran akibat penguapan air. Ketika air dalam emulsi bahan bakar–air menguap, bahan bakar di sekitarnya juga menguap. Hal ini meningkatkan luas permukaan bahan bakar. Suhu yang lebih rendah dan distribusi bahan bakar yang lebih baik menyebabkan berkurangnya pembentukan NO_x.

Emulsifikasi Ultrasonik

Penambahan air ke dalam pembakaran bahan bakar telah terbukti dalam banyak penelitian dapat menurunkan NO_x yang diemisikan. Air dapat ditambahkan dengan membentuk emulsi bahan bakar/air melalui dua cara:

• tanpa stabilisasi: emulsifikasi air ke dalam bahan bakar secara in-line sebelum injeksi
• dengan stabilisasi: pembuatan emulsi bahan bakar/air yang stabil untuk digunakan sebagai bahan bakar alternatif pengganti langsung

Canfield (1999) merangkum pengurangan NO_x melalui penggunaan air dan bahan tambahan lainnya:

• emulsi tanpa stabilisasi
  • air yang ditambahkan, % volume: 10 hingga 80%
  • NO_x berkurang sebesar: 4 hingga 60%
• emulsi dengan stabilisasi
  • air yang ditambahkan, % volume: 25 hingga 50%
  • NO_x berkurang sebesar: 22 hingga 83%

Emulsi

Emulsi adalah campuran dari cairan yang umumnya tidak saling bercampur (fase), seperti minyak dan air. Selama proses emulsifikasi, fase terdispersi (misalnya air) dimasukkan ke dalam fase cair (misalnya minyak). Dengan menerapkan gaya geser tinggi, ukuran partikel (= ukuran droplet) fase terdispersi diperkecil. Semakin kecil ukuran partikel, semakin stabil emulsi yang dihasilkan. Stabilitas tambahan dapat dicapai dengan menambahkan surfaktan atau penstabil. Klik grafik di atas untuk melihat contoh hasil emulsifikasi ultrasonik 10% air dalam oli motor (Velocite 3, Mobil Oil, Hamburg, Jerman). Penelitian ini dilakukan oleh Behrend dan Schubert (2000).

Ultrasonik

Saat cairan disonikasi pada intensitas tinggi, gelombang suara yang merambat ke dalam media cair menghasilkan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaksi) secara bergantian, dengan laju yang bergantung pada frekuensi. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi membentuk gelembung vakum kecil atau rongga dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume yang membuatnya tidak dapat lagi menyerap energi, gelembung tersebut runtuh dengan hebat selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Selama implosi, suhu yang sangat tinggi (sekitar 5.000K) dan tekanan yang sangat tinggi (sekitar 2.000atm) tercapai secara lokal. Implosi gelembung kavitasi juga menghasilkan semburan cairan dengan kecepatan hingga 280m/s.

Ultrasonik telah terbukti menghasilkan emulsi yang sangat homogen berupa air dalam minyak (w/o) dan minyak dalam air (o/w) melalui gaya geser kavitasi yang tinggi. Karena parameter sonikasi ultrasonik dapat dikendalikan dengan baik, ukuran dan distribusi partikel dapat diatur dan direproduksi dengan baik. Biasanya, ultrasonik diterapkan dalam reaktor sel alir. Oleh karena itu, emulsi dapat dibuat secara kontinu dalam jalur proses. Karena alasan ini, sonikasi ultrasonik dapat digunakan untuk membuat emulsi dengan maupun tanpa stabilisasi.

Tabel di bawah menunjukkan kapasitas pemrosesan secara umum untuk berbagai tingkat daya ultrasonik.

Penghilangan Gas dan Busa secara Ultrasonik

Ultrasonik juga membantu mengurangi jumlah gelembung udara dalam campuran emulsi. Gambar di sebelah kanan menunjukkan efek sonikasi ultrasonik terhadap kandungan gelembung (gambar perkembangan dengan interval 5 detik dari kiri ke kanan). Karena variasi kandungan gelembung menyebabkan fluktuasi waktu injeksi, penghilangan gas, deaerasi, dan penghilangan busa melalui sonikasi ultrasonik meningkatkan kinerja mesin.

Peralatan Proses Ultrasonik

Hielscher adalah pemasok terkemuka perangkat ultrasonik berkapasitas tinggi di seluruh dunia. Karena Hielscher membuat prosesor ultrasonik dengan daya hingga 16kW per perangkat, maka tidak ada batasan ukuran pabrik atau kapasitas pemrosesan. Gabungan beberapa sistem 16kW digunakan untuk memproduksi bahan bakar pengganti langsung dalam volume besar. Pemrosesan bahan bakar industri tidak membutuhkan banyak energi ultrasonik. Kebutuhan energi aktual dapat ditentukan menggunakan prosesor ultrasonik 1kW pada skala meja laboratorium. Semua hasil dari uji skala meja laboratorium tersebut dapat ditingkatkan skalanya dengan mudah.

Biaya Sonikasi Ultrasonik

Sonikasi ultrasonik merupakan teknologi pemrosesan yang efektif. Biaya pemrosesan ultrasonik terutama berasal dari investasi
untuk perangkat ultrasonik, biaya utilitas, dan pemeliharaan. Keunggulan efisiensi energi (lihat grafik) perangkat ultrasonik Hielscher membantu mengurangi biaya utilitas.

Literatur

Behrend, O., Schubert, H. (2000): Influence of continuous phase viscosity on emulsification by ultrasound, in: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85.

Canfield, A., C. (1999): Pengaruh Pembakaran Emulsi Diesel-Air pada Mesin Diesel NO_x Emisi, dalam: Tesis Master disajikan ke sekolah pascasarjana University of Florida, 1999.