PENYISIHAN SO2 DARI ALIRAN GAS BUANG MENGGUNAKAN DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE (DBD) YANG DIKOMBINASI DENGAN FOTOLISIS PLASMA

Pada dasarnya hujan asam disebabkan oleh dua polutan udara, yaitu emisi gas Sulfur Dioxide (SO₂) dan Nitrogen Oxides (NO_x) yang keduanya dihasilkan melalui proses pembakaran. Emisi gas SO₂ yang ada di atmosfer berasal dari kejadian alam maupun hasil aktivitas manusia. Untuk sumber SO₂ yang terjadi secara alami biasanya berasal dari letusan gunung berapi ataupun kebakaran hutan, sedangkan salah satu sumber pencemar terbesar yang berasal dari aktivitas manusia adalah dari pembakaran batubara, baik yang digunakan untuk keperluan industri maupun pembangkit tenaga listrik (Erizal, 2007). Minyak bumi mengadung belerang antara 0,1 – 3% dan batubara 0,4 – 5%. Ketika bahan bakar fosil melalui proses pembakaran, belerang tersebut teroksidasi menjadi belerang dioksida (SO₂) dan lepas ke udara. Oksida belerang itu selanjutnya berubah menjadi asam sulfat. (Soemarwoto O, 1992)

Adanya hujan asam dapat menyebabkan pH air turun di bawah normal sehingga ekosistem air terganggu. Kadar sulfur dioksida yang tinggi di udara telah diketahui dapat mengakibatkan kerusakan bangunan. Meskipun kadar SO₂ rendah, kerusakan bangunan dapat masih terjadi. Hal ini dapat diakibatkan adanya peningkatan konsentrasi ozon dan nitrogen di dalam lingkungan perkotaan. Campuran pencemar-pencemar seperti ozon, nitrogen dioksida dan sulfur merusak batu lebih cepat dibandingkan dengan akibat yang ditimbulkan oleh senyawa tersebut secara tunggal.

Emisi gas SO₂ telah lama diketahui dapat memberikan pengaruh yang sangat merugikan pada kesehatan manusia dan lingkungan. Jika gas tersebut terisap dalam konsentrasi yang relatif besar oleh manusia akan menyebabkan terjadinya gangguan pada sistem pernafasan, serta mengganggu sistem kerja jantung. Selain daripada itu, gas SO₂ juga dapat mengakibatkan kerusakan lingkungan. Akumulasi gas SO₂ di udara menimbulkan hujan asam yang dapat merusak kondisi air danau dan air sungai, merusak dedaunan pada tumbuh-tumbuhan, dan produk hasil pertanian. Lebih jauh lagi, pengendapan hujan asam akan mempercepat kerusakan pada dinding gedung dan monumen yang berbahan, seperti batu kapur, batu pualam, dan sebagainya. (Erizal, 2007)

Reaksi pembentukan hujan asam:

• SO₂  +  H₂O      →        H₂SO₃ (asam sulfit)            (1)
• SO₃  +  H₂O      →        H₂SO₃ (asam sulfat)           (2)

Gambar 1. Proses terjadinya hujan asam

Karena keberadaannya yang tergolong berbahaya, maka diberlakukan suatu aturan untuk meminimalisir keberadaan polutan ini di lingkungan. Di Indonesia sendiri nilai baku mutu udara untuk SO₂ adalah 900 𝜇g/Nm³ (Peraturan Pemerintah RI No 41 Tahun 1999), dan 625 µg/Nm³ (EPA).

Secara konvensional, untuk mengatasi masalah pencemaran udara gas SO₂ pada pembangkit listrik pada umumnya dilakukan dengan teknologi kering dan basah, yaitu dengan penyerapan menggunakan kapur atau batu kapur. Walaupun tingkat penyisihan konsentrasi pencemar relatif tinggi, tetapi masih ada masalah dalam penanganan limbahnya (gipsum, air buangan dan katalis), biaya tambahan untuk penanganan pencemar dan ruang yang dibutuhkan relatif besar untuk memenuhi persyaratan dalam proses skala industri sehingga teknologi ini menjadi kurang baik bagi lingkungan maupun secara ekonomi. Salah satu teknologi alternatif untuk mengurangi kandungan SO₂ di udara yang sedang dipelajari dalam satu dekade ini adalah oksidasi SO₂­ menggunakan plasma yang dihasilkan oleh berkas elektron (e-beams). 

 Tabel 1. Penanganan Emisi Gas SO₂

Jenis Proses	Kelebihan (Konversi %)	Kelemahan
Flue Gas Desulfurization (FGD)	70-95	Menghasilkan limbah baru, butuh pengolahan limbah sekunder, dan tidak ekonomis.
Biofilter	82,82 - 98,91	Biaya sangat tinggi untuk mengoperasikan teknik, dan pengamatan biomassa.
Plasma yang dihasilkan oleh berkas elektron    (e-beams)	98	Biaya tinggi dan penggunaan X-ray yang berbahaya.

Apa itu Plasma??

Berasal dari bahasa Yunani yaitu plasma, yang berarti “something formed or melded”. Plasma pertama kali diketahui oleh seorang ilmuan Inggris bernama Sir Willian Crookes (1879). Plasma merupakan zat paling umum yang bisa ditemui di alam semesta ini. Petir merupakan bentuk plasma bumi yang terjadi, seperti pada Gambar 2.

Gambar 2. Petir sebagai contoh plasma bumi

Plasma dapat juga dikatakan sebagai atom yang kehilangan elektron karena beberapa atau semua elektron di orbit atom luar terpisah dari atom atau molekulnya. Hasilnya adalah sebuah ion atau elektron yang tidak lagi berikatan satu sama lain. (Eliezer, 2001)

Kemampuan muatan positif dan muatan negatif untuk sedikit berpindah dengan bebas membuat plasma bersifat induktif secara listrik sehingga memberikan respon yang kuat pada bidang elektromagnetik. Oleh karena itu plasma mempunyai sifat tidak sama dengan padatan, cairan atau gas dan di anggap sebagai satu keadaan materi yang berbeda.

Plasma berbentuk gas netral seperti awan, tidak mempunyai bentuk dan volume terbatas, kecuali dalam kotak tertutup, tetapi tidak sama dengan gas. Dalam pengaruh medan magnet, plasma mungkin membentuk struktur seperti kawat pijar, sinar dan lapisan ganda.

Adapun perbandingan plasma dengan ketiga fasa lainnya dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Perbedaan fasa

Parameter	Padat	Cair	Gas	Plasma
Fasa	Memiliki bentuk dan volume tertentu	Bentuk mengikuti wadahnya, memiliki volume tertentu	Bentuk dan volume tidak jelas	Bentuk dan wadah tidak jelas
Partikel pembentuk	Tersusun dalam jarak paling dekat (kompak)	Tersusun dalam jarak agak renggang	Tersusun dengan jarak sangat renggang	Tersusun dari gas-gas yang terionisasi
Kemampuan berpindah	Tidak dapat berpindah dengan bebas	Dapat berpindah dengan bebas	Dapat berpindah dengan bebas	Terbentuk karena adanya perpindahan muatan listrik
Energi pergerakkan	Rendah	Lebih tinggi dari padatan	Tinggi	Sangat tinggi
Perubahan bentuk	Dapat dilakukan secara paksa	Tergantung wadah	Tergantung wadah	Bentuknya tidak jelas
Suhu	< 0oC	0 < T < 100oC	T > 100oC	T > 10000oC

(Sumber: Lieberman dkk., 1994)

Teknologi plasma memiliki beberapa keunggulan, di antaranya dikenal sebagai teknologi yang ramah lingkungan, murah dan mudah dalam pengaplikasiannya, dapat digunakan secara berulang kali (Bismo, 2008) dan waktu yang dibutuhkan relatif singkat (Sugiarto dkk., 2001).

Konsep SO₂ Removal dengan Metode Plasma*)

Penghapusan SO₂ dengan plasma dari pembakaran bahan bakar fosil yang mengandung sulfur bergantung pada dua mekanisme, yaitu direct removal dan chemical removal.

1.  Direct Removal

Yaitu pemisahan SO₂ melalui dampak elektron langsung atau melalui transfer eksitasi dari molekul lainnya, terutama N₂ (A):

e          + SO₂ →  SO       +          O         +          e        (3)

N₂ (A) + SO₂ →  N₂        +          SO       +          O      (4)

SO₂     + O    →  SO₃                                                    (5)

Tidak adanya proses lain mengakibatkan direct removal SO₂ pada udara kering menghasilkan produk SO_x lainnya (SO, SO₃).

2. Chemical Removal

Yaitu penghapusan yang didasarkan pengubahan secara kimia SO₂ menjadi spesi yang lebih mudah dihapus dari aliran gas. Di dalam aliran moist gas, chemical removal didasarkan pada generasi OH-radikal yang  berturut-turut mengoksidasi SO₂ menjadi asam sulfat, H₂SO₄.

OH      +          SO₂     →           HSO₃      k_4a   = 7,4 x 10^-l2 cm³ s^-1         (6a)

OH      +          HSO₃  →            H₂SO₄    k_4b    = 9,8 x 10^-12 cm³ s^-1        (6b)

Dengan k_i menunjukkan koefisien laju untuk mengindikasi proses pada suhu gas 300 K. Karena tekanan kesetimbangan uap H₂SO₄ rendah, molekul H₂SO₄ akan mengembun dari aliran gas sehingga mengakibatkan pembentukan tetesan. Tetesan ini kemudian dapat dihapus dengan pemisahan partikel dan penghapusan perangkat (misalnya fabric filters atau debu elektrostatis).

Gambar 3. Skema penyisihan SO₂ langsung dan kimia dalam aliran gas secara. Penghapusan

        secara kimia dioptimasi dengan pembangkitan (generasi) OH (Chang dkk., 1991)

Sumber OH adalah reaksi abstraksi hidrogen dari H₂O oleh atom O(¹D):

Namun biaya yang tinggi serta potensi bahaya dari X-ray mengakibatkan proses ini tidak layak secara ekonomis untuk menyisihkan SO₂ dan NO dari aliran gas. (Jordan, 1988)

Produksi OH-radikal tunggal memerlukan setidaknya 15,5 eV (potensial ionisasi N₂). Dalam perangkat dielectric discharge seperti DBD, OH dominan diproduksi melalui saluran neutral ditunjukkan dalam persamaan (7).

         

Kombinasi dengan Plasma Photolysis (CPP) *)

CPP dengan menggunakan pencahayaan UV merupakan salah satu alternatif yang dapat melengkapi kelemahan pada DBD. Pada kombinasi ini, DBD dalam aliran buang berfungsi untuk menghasilkan O₃ serta fase gas radikal seperti OH, HO₂ dan O. Tingkat pembangkitan O₃ bergantung pada daya yang di-supply ke dalam aliran gas, komposisi aliran gas (konsentrasi O₂ dan H₂O), dan temperatur aliran gas. (Carlins, 1982)

Penyerapan radiasi UV oleh O₃ di stratosfer membatasi fluks radiasi UV ke dalam troposfer (Finlayson-Pitts dan Pitts 1986).  Fotolisis O₃ dalam produksi O(¹D) terjadi pada panjang gelombang radiasi kurang dari 310 nm, yield quantum yang dihasilkan > 0,9 (Fairchild dan Lee 1978) seperti yang dijelaskan pada persamaan (7).        

Produk absorpti cross section dan yield O(¹D) maksimal dekat pada 254 nm. Setelah diproduksi oleh fotolisis O₃, O(¹D) kemudian dapat bereaksi dengan gas H₂O dalam aliran gas untuk membentuk tambahan radikal OH. (Baulch et al. 1982)

O₃        +          hv (ʎ < 310 nm)          →        O(¹D) +          O₂    (9)

Reaksi yang terjadi dalam DBD dan CPP ʎ = 254 nm

HO₂      +          hv            →  OH      +      O      (10)

H₂O₂    +          hv           →  2OH                     (11)

O(¹D)  +          H₂O_(g)     →  2OH                     (12)

Keberadaan O₂ dan H₂O dalam aliran gas buang dapat membantu meningkatkan kosentrasi OH-radikal. (Chang dkk., 1991)

Tambahan radikal OH yang dihasilkan oleh fotolisis UV dari O₃ kemudian dapat bereaksi dengan SO₂ dan NO_x dalam aliran gas (Calvert dan Stockwell 1984). Oleh karena itu, DBD dan CPP untuk aliran gas dapat meningkatkan efisiensi penyisihan SO₂ dibandingkan dengan menggunakan DBD tunggal.

*) direview dari:

Chang, Moo Been, Jeanne H. Balbach, Mark J. Rood, Mark J. Kushner. (1991). Removal of SO₂ from Gas Streams using A Dielectric Barrier Discharge And Combined Plasma Photolysis. Received 8 November 1990, accepted for publication 15 January 1991.