BAB II Tinjuan Pustaka 2.1. Motor Bakar 2.1.1. Definisi...
-
Upload
phungtuong -
Category
Documents
-
view
239 -
download
2
Transcript of BAB II Tinjuan Pustaka 2.1. Motor Bakar 2.1.1. Definisi...
5
BAB II
Tinjuan Pustaka 2.1. Motor Bakar 2.1.1. Definisi Motor Bakar
Motor bakar adalah salah satu mesin konversi energi yang banyak
digunakan sebagai pengerak pada alat transportasi maupun peralatan industri.
Motor bakar juga disebut mesin (Engine) yang berfungsi sebagai pembangkit
tenaga. Pada bagian mesin ini terjadi perubahan energi kimia ke energi thermal
menjadi energi mekanik atau energi gerak.
Menurut Subandiro (2009:6) motor bakar atau mesin termasuk mesin
panas (Thermal Engine) karena tenaga gerak yang dihasilkan mengunakan proses
pembakaran. Berikut ini ada dua macam mesin panas yaitu :
1) Mesin Pembakaran Dalam ( Internal Combustion Engine)
Yaitu proses pembakaran berlangsung di dalam motor bakar itu
sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi
sebagai fluida kerja. Dalam kelompok ini terdapat motor bakar torak,
sistem turbin gas dan propulsi pancar gas (Wiranto, 1988:1)
2) Mesin Pembakaran Luar (External Combustion Engine)
Yaitu mesin yang dapat menghasilkan energi dan membangkitkan
panas dilakukan secara terpisah (Subandrio, 2009:6). Contoh mesin
pembakaran luar adalah mesin uap dan turbin uap.
Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis utama yaitu motor bensin
(otto) dan motor diesel. Perbedaan utamanya terletak pada sistem pembakarannya.
Bahan bakar motor bensin dinyalakan oleh loncatan api listrik di antara kedua
elektroda busi. Karena itu motor bensin dinamai juga Spark Ignition Engines.
Sedangkan motor diesel disebut Comperession Ignition Engines karena terjadi
proses pembakaran sendiri terhadap bahan bakar dalam silinder yang bertekanan
dan temperatur yang tinggi.
Berdasarkan prinsip kerja mesin dibedakan menjadi mesin 2 tak (2
langkah) dan mesin 4 tak (4 langkah). Mesin mempunyai proses kerja dinamakan
siklus, yang meliputi proses pemasukan bahan bakar, kompresi, pembakaran,
ekspaansi dan pembuangan gas sisa.
6
Secara umum, kendaraan bermotor menggunakan motor pembakaran
dalam (Internal Combustion Engine), mengingat motor pembakaran jenis dalam
ini mempunyai kelebihan yang banyak dibandingkan dengan motor pembakaran
luar.
Beberapa kelebihan tersebut antara lain :
a. Lebih hemat atau irit dalam pemakaian bahan bakar,
b. Kontruksi mesinnya lebih sederhana dan lebih kecil,
c. Berat tiap satu satuan tenaga mekanisnya lebih kecil.
Pembakaran Udara dan bahan bakar yang dipanaskan akan menghasilkan
pembakaran,sehingga menghasilkan gaya yang diperlukan untuk memutarkan
engine. Udara yang mengandung bahan Oksigen diperlukan untuk membakar
bahan bakar.Sementara bahan bakar menghasilkan gaya. Ketika bahan bakar
dikabutkan di ruang bakar maka bahan bakar akan sangat mudah untuk dinyalakan
dan akan terbakar dengan effisien.Pembakaran dapat terjadi ketika campuran
bahan bakar dan udara dikompresikan sampai dihasilkan panas yang cukup ( 1000
ºC) sehingga dapat menyala tanpa bantuan percikan bunga api (Bruijn, LA de dan
L. Muilwijk, 1979).
Jika dilihat dari bentuk ruang bakarnya, ada tiga jenir motor bakar yang saat
ini sering digunakan, di antaranya adalah :
a. Motor torak
b. Motor rotary
c. Motor jet
Motor torak sendiri ada beberapa type, di antaranya adalah motor bensin,
dan motor diesel. Jika dilihat dari cara kerjanya, ada dua jenis motor, yaitu motor
dua langkah (two stroke), dan motor empat langkah (four stroke).(soemarsono,
B.Sc, 1997).
2.1.2. Motor Empat Langkah
Berbeda dengan motor dua langkah, pada motor empat langkah, setiap
proses akan terjadi pada satu langkah, sehingga untuk melakukan satu kali siklus,
diperlukan empat kali langkah piston bergerak dari TMA menuju ke TMB,
ataupun dari TMB menuju TMA. Perbedaan yang sangat mencolok dari mesin
7
dua langkah adalah, jika pada mesin dua langkah, mekanisme katup dilakukan
sekaligus oleh piston, maka pada motor empat langkah, mekanisme ini dilakukan
oleh sistem katup sendiri (Jogaswara Eka, 2000).
a. Langkah hisap
Langkah hisap dimulai ketika torak atau piston bergerak dari TMA menuju ke
TMB, dengan keadaan katup hisap terbuka. Kevakuman pada ruang silinder
akan menyebabkan masuknya campuran udara dan bahan bakar dari
karburator menuju ke ruang bakar. b. Langkah kompresi
Langkah kompresi terjadi ketika piston bergerak dari TMB menuju ke TMA,
dalam hal ini baik katup in maupun katup ex tertutup, sehingga tekanan di ruang bakar akan menjadi tinggi. Beberapa saat sebelum piston mencapai TMA, campuran udara dan bahan bakar tersebut dinyalakan oleh percikan api dari busi.
c. Langkah usaha
Bahan bakar yang telah dinyalakan tadi, akan meledak dan mendorong piston menuju ke TMB. Tenaga ini yang akan memutar poros engkol yang kemudian dimanfaatkan sebagai penggerak.
d. Langkah buang
Setelah piston berada pada TMB, piston akan bergerak lagi menuju ke TMA, pada hal ini katup buang terbuka, sehingga sisa hasil dari pembakaran akan di buang. Proses tersebut terjadi berulang ulang.
Dari proses pembakaran pada motor 4 langkah, dapat digambarkan dengan
grafik sebagai berikut:
8
Gambar 2.1 Diagram Pembakaran Motor Bensin(Jogaswara Eka, 2000)
Timing pengapian, adalah saat dimana busi memercikkan api untuk menyulut
campuran udara dan bahan bakar.
1. Pembakaran awal, yaitu saat dimana bahan bakar mulai terbakar oleh percikan api dari busi
2. Puncak pembakaran, yaitu kondisi dimana bahan bakar terbakar
pada ledakan maksimalnya. Tenaga ini yang akan digunakan untuk mendorong pistin untuk melakukan langkah usaha.
3. Akhir pembakaran, yaitu kondisi dimana bahan bakar telah
sepenuhnya (seluruhnya) terbakar.
Ignition delay period adalah jeda waktu antara timing pengapian dengan
awal bahan bakar mulai terbakar. Hal-hal yang mempengaruhi ignition delay
diantaranya adalah perbandingan kompresi, temperatur udara yang masuk, jenis
bahan bakar, dan kecepatan mesin. Lamanya ignition delay yang mempengaruhi
puncak pembakaran, yang akibatnya berpengaruh terhadap performa mesin.
Uncontroled combution adalah, pembakaran yang energi hasil pembakarannya
tidak dapat digunakan untuk langkah usaha. Controled combution adalah
pembakaran yang energinya digunakan untuk mendorong piston saat langkah
usaha. Dari diagram pada gambar 1, dapat dilihat perbedaan tekanan ketika
langkah ekspansi tanpa bahan bakar, dan langkah ekspansi dengan proses
pembakaran. Tekanan hasil pembakaran tersebut yang mendorong piston untuk
langkah usaha.(Jogaswara Eka, 2000)
9
2.1.3. Bahan Bakar
Bahan bakar adalah sesuatu yang dapat dibakar, dan dapat menghasilkan
panas untuk dijadikan sumber tenaga. Dalam hal ini bahan bakar memiliki
beberapa bentuk diantara nya adalah (UNEP , 2006)
a. Bahan bakar padat
b. Bahan bakar cair
c. Bahan bakar gas
2.1.3.1. Bahan Bakar Padat
Bahan bakar padat merupakan bahan bakar berbentuk padat, dan
kebanyakan menjadi sumber energi panas. Misalnya kayu dan batubara. Energi
panas yang dihasilkan bisa digunakan untuk memanaskan air menjadi uap untuk
menggerakkan peralatan dan menyediakan energi.
2.1.3.1.1. Klasifikasi Batubara
Batubara diklasifikasikan menjadi tiga jenis utama yakni antracit,
bituminous, dan lignit, meskipun tidak jelas pembatasan diantaranya.
Pengelompokannya lebih lanjut adalah semiantracit, semi-bituminous, dan sub-
bituminous. Antracit merupakan batubara tertua jika dilihat dari sudut pandang
geologi, yang merupakan batubara keras, tersusun dari komponen utama karbon
dengan sedikit kandungan bahan yang mudah menguap dan hampir tidak berkadar
air. Lignit merupakan batubara termuda dilihat dari pandangan geologi. Batubara
ini merupakan batubara lunak yang tersusun terutama dari bahan yang mudah
menguap dan kandungan air dengan kadar fixed carbon yang rendah. Fixed
carbon merupakan karbon dalam keadaan bebas, tidak bergabung dengan elemen
lain. Bahan yang mudah menguap merupakan bahan batubara yang mudah
terbakar yang menguap apabila batubara dipanaskan. Batubara yang umum
digunakan, contohnya pada industri di India adalah batubara bituminous dan sub-
bituminous.
10
2.1.3.1.2. Sifat fisik dan kimia batubara
Sifat fisik batubara termasuk nilai panas, kadar air, bahan mudah
menguap dan abu. Sifat kimia batubara tergantung dari kandungan berbagai bahan
kimia seperti karbon, hidrogen, oksigen, dan sulfur. Nilai kalor batubara beraneka
ragam dari tambang batubara yang satu ke yang lainnya.
2.1.3.2. Bahan Bakar Cair
Bahan bakar cair adalah bahan bakar yang bentuknya cair (liquid).
Sebagai contoh adalah minyak tungku/ furnace oil dan LSHS (low sulphur heavy
stock) yang digunakan dalam industri. Berbagai sifat bahan bakar cair diberikan
dibawah ini (UNEP, 2006)
2.1.3.2.1. Densitas
Densitas didefinisikan sebagai perbandingan massa bahan bakar terhadap
volum bahan bakar pada suhu acuan 15°C. Densitas diukur dengan suatu alat yang
disebut hydrometer. Pengetahuan mengenai densitas ini berguna untuk
penghitungan kuantitatif dan pengkajian kualitas penyalaan. Satuan densitas
adalah kg/m3.
2.1.3.2.2. Specific Gravity
Didefinisikan sebagai perbandingan berat dari sejumlah volum minyak
bakar terhadap berat air untuk volum yang sama pada suhu tertentu. Densitas
bahan bakar, relatif terhadap air, disebut specific gravity. Specific gravity air
ditentukan sama dengan 1. Karena specific gravity adalah perbandingan, maka
tidak memiliki satuan. Pengukuran specific gravity biasanya dilakukan dengan
hydrometer. Specific gravity digunakan dalam penghitungan yang melibatkan
berat dan volume.
2.1.3.2.3. Viskositas
Viskositas suatu fluida merupakan ukuran resistansi bahan terhadap
aliran. Viskositas tergantung pada suhu dan berkurang dengan naiknya suhu.
Viskositas diukur dengan Stokes / Centistokes. Kadang-kadang viskositas juga
11
diukur dalam Engler, Saybolt atau Redwood. Tiap jenis minyak bakar memiliki
hubungan antara suhu dan viskositas tersendiri. Pengukuran viskositas dilakukan
dengan suatu alat yang disebut Viskometer. Viskositas merupakan sifat yang
sangat penting dalam penyimpanan dan penggunaan bahan bakar minyak.
Viskositas mempengaruhi derajat pemanasan awal yang diperlukan untuk
handling, penyimpanan dan atomisasi yang memuaskan. Jika minyak terlalu
kental,maka akan menyulitkan dalam pemompaan, sulit untuk menyalakan
burner, dan sulit dialirkan. Atomisasi yang jelek akan mengakibatkan terjadinya
pembentukan endapan karbon pada ujung burner atau pada dinding-dinding. Oleh
karena itu pemanasan awal penting untuk atomisasi yang tepat (UNEP, 2006)
2.1.3.2.4. Titik Nyala
Titik nyala suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar
dapat dipanaskan sehingga uap mengeluarkan nyala sebentar bila dilewatkan suatu
nyala api.
2.1.3.2.5. Titik Tuang
Titik tuang suatu bahan bakar adalah suhu terendah dimana bahan bakar
akan tertuang atau mengalir bila didinginkan dibawah kondisi yang sudah
ditentukan. Ini merupakan indikasi yang sangat kasar untuk suhu terendah dimana
bahan bakar minyak siap untuk dipompakan.
2.1.3.2.6. Panas Jenis
Panas jenis adalah jumlah Kkal yang diperlukan untuk menaikan suhu 1
kg minyak sebesar 1oC. Satuan panas jenis adalah Kkal/kgoc. Besarnya bervariasi
mulai dari 0,22 hingga 0,28, tergantung pada specific gravity minyak. Panas jenis
menentukan berapa banyak steam atau energi listrik yang digunakan untuk
memanaskan minyak ke suhu yang dikehendaki. Minyak ringan memiliki panas
jenis yang rendah, sedangkan minyak yang lebih berat memiliki panas jenis yang
lebih tinggi.
12
2.1.3.2.7. Nilai Kalor
Nilai kalor merupakan ukuran panas atau energi yang dihasilkan., dan
diukur sebagai nilai kalor kotor/ gross calorific value atau nilai kalor netto/ nett
calorific value. Perbedaannya ditentukan oleh panas laten kondensasi dari uap air
yang dihasilkan selama proses pembakaran. Nilai kalor kotor/. gross calorific
value (GCV) mengasumsikan seluruh uap yang dihasilkan selama proses
pembakaran sepenuhnya terembunkan/terkondensasikan. Nilai kalor netto (NCV)
mengasumsikan air yang keluar dengan produk pengembunan tidak seluruhnya
terembunkan. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai kalor netto.
2.1.3.2.8. Premium
Bensin adalah campuran alkana yang mengandung C6–C8. Bensin dari
hasil penyulingan minyak bumi tidak begitu banyak jumlahnya (25-45%). Untuk
memenuhi kebutuhan akan bensin, salah satu cara yang dilakukan adalah
memproduksinya melalui proses pemecahan yang disebut ”cracking” yaitu proses
pemecahan hidrokarbon tinggi pada suhu dan tekanan tinggi dengan bantuan
katalis (pemercepat reaksi) menjadi hidrokarbon rendah (sebagai alkana dan
alkena rendah). Bensin yang diperoleh dengan cara ini mutunya lebih baik dari
bensin hasil penyulingan minyak bumi. Biasanya fraksiminyak bumi yang diolah
lebih lanjut dengan cara tersebut adalah fraksi C15–C18. Mutu bensin ditentukan
oleh mudah-tidaknya bensin itu mengalami ketukan (knocking). Bensin yang
bermutu adalah bensin yang sukar mengalami ‘knocking’, atau dengan kata lain,
bensin bermutu adalah bensin beranti-ketuk tinggi. Ketukan akan berkurang oleh
bertambahnya cabang dan rantai pada alkana. Mutu bensin terusdikembangkan
agar bersifat tidak boros pada saat proses pembakaran dalam mesin kendaraan.
Bensin yang hanya mengandung senyawa n-oktana memberikan jumlah ketukan
paling tinggi (anti-ketuk paling rendah), sedangkan senyawa 2,2,4-trimetil pentana
(merupakan turunan oktana) memberikan jumlah ketukan paling rendah (sebagai
bensin beranti-ketuk paling tinggi).
a. Sifat-sifat yang dimiliki bensin adalah (TOYOTA, 1982):
• Mudah menguap pada temperatur normal
• Tidak berwarna, tembus pandang, dan berbau
13
• Mempunyai titik nyala rendah (-10°C sampai –15°C)
• Mempunyai berat jenis yang rendah (0,6 – 0,78)
• Dapat melarutkan oli dan karet
• Menghasilkan jumlah panas yang besar (9.500 – 10.500 kcal/kg)
• Sedikit meninggalkan carbon setelah dibakar
b. Syarat-syarat bensin
Kualitas berikut ini diperlukan oleh bensin untuk memberikan kerja
mesin yang maksimal :
• Mudah terbakar
• Mudah menguap
• Tidak beroksidasi dan bersifat pembersih
Angka oktan pada Bensin adalah suatu bilangan yang menunjukkan
kemampuan bertahan terhadap gejala knocking. Makin besar angka
oktannyamakin besar pula kemampuan bertahan Bensin terhadap gejala
knocking .Dengan kata lain, makin tinggi nilai angka oktan makin kurang
kemungkinan bensin dengan angka oktan tinggi dapat digunakan pada motor.
Bensin yang mempunyai perbandingan kompresi yang tinggi pula. Jadi Bensin
denganangka oktan tinggi tidak menguntungkan jika di pakai pada motor
Bensindengan berkompresi rendah. Oleh sebab itu, dari tahun ke tahun
perbandingankompresi mesin bertambah besar, ini sejalan dengan meningkatnya
nilai oktanbahan bakar yang dapat dibuat (Obert, 1973, Taylor, 1961).
Perbandingan kompresi yang sesuai untuk suatu bahan bakar sangat tergantung
padakombinasi antara design dan faktor operasi mesin. Hal ini hanya
dapatditentukan dengan suatu percobaan untuk tipe mesin tertentu dan tipe
pemakaian (Taylor, 1961). Berarti tidak mudah memastikan
perbandingankompresi maksimum, kecuali untuk mesin tertentu dengan kondisi
operasi yangtertentu pula. Jika perbandingan kompresi jauh di bawah keadaan
yang dapatmenimbulkan detonasi, maka daya mesin dengan bahan bakar bernilai
oktan 65dan nilai oktan 85 besarnya hampir sama (Obert, 1973).
14
Spesifikasi premium dapat dilihat pada tabel dibawah ini : Tabel 2.1. Karakteristik Premium(Obert, 1973).
2.1.3.3. Bahan Bakar Gas
Bahan bakar gas merupakan bahan bakar yang sangat memuaskan sebab
hanya memerlukan sedikit handling dan sistim burner nya sangat sederhana dan
hampir bebas perawatan. Gas dikirimkan melalui jaringan pipa distribusi sehingga
cocok untuk wilayah yang berpopulasi tinggi atau padat industri. Walau begitu,
banyak pemakai perorangan yang besar memiliki penyimpan gas, bahkan
beberapa diantara mereka memproduksi gasnya sendiri (UNEP, 2006: 9-11).
2.1.3.3.1. Jenis-jenis bahan bakar gas
Berikut adalah daftar jenis-jenis bahan bakar gas:
a. Bahan bakar yang secara alami didapatkan dari alam:
i. Gas alam
ii. Metan dari penambangan batubara
b. Bahan bakar gas yang terbuat dari bahan bakar padat
15
i. Gas yang terbentuk dari batubara
ii. Gas yang terbentuk dari limbah dan biomasa
iii. Dari proses industri lainnya (gas blast furnace)
c. Gas yang terbuat dari minyak bumi
i. Gas Petroleum cair (LPG)
ii. Gas hasil penyulingan
iii. Gas dari gasifikasi minyak
d. Gas-gas dari proses fermentasi
Bahan bakar bentuk gas yang biasa digunakan adalah gas petroleum cair
(LPG), gas alam, gas hasil produksi, gas blast furnace, gas dari pembuatan kokas,
dll. Nilai panas bahan bakar gas dinyatakan dalam Kilokalori per normal meter
kubik (Kkal/Nm3) ditentukan pada suhu normal (20o C) dan tekanan normal (760
mm Hg.
2.1.3.3.2. Sifat-sifat bahan bakar gas
Karena hampir semua peralatan pembakaran gas tidak dapat
menggunakan kadungan panas dari uap air, maka perhatian terhadap nilai kalor
kotor (GCV) menjadi kurang. Bahan bakar harus dibandingkan berdasarkan nilai
kalor netto (NCV). Hal ini benar terutama untuk gas alam, dimana kadungan
hidrogen akan meningkat tinggi karena adanya reaksi pembentukan air selama
pembakaran. Sifat-sifat fisik dan kimia berbagai bahan bakar gas diberikan dalam
Tabel 2.2. (UNEP, 2006)
Tabel 2.2. Sifat-sifat Fisik dan Kimia Berbagai Bahan Bakar Gas
(UNEP, 2006)
Bahan Bakar Gas Gas Alam Propan Butan
Masa Jenis Relatif 0,6 1,52 1,96
Nilai Kalor (Kkal/Nm3) 9350 22200 28500
Perbandingan Udara/Bahan Bakar (m3 10 25 32
Udara terhadap m3 Bahan Bakar)
Suhu Nyala Api (OC) 1954 1967 1973
Kecepatan Nyala Api (m/s) 0,290 0,460 0,870
16
2.1.3.3.3. LPG (Liquefied Petroleum Gas)
LPG terdiri dari campuran utama propan dan Butan dengan sedikit
persentase hidrokarbon tidak jenuh (propilen dan butilene) dan beberapa fraksi C2
yang lebih ringan dan C5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG
adalah propan (C3H8), Propilen (C3H6), normal dan iso-butan (C4H10) dan Butilen
(C4H8). LPG merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas
pada tekanan atmosfir, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu
normal, dengan tekanan yang cukup besar. Walaupun digunakan sebagai gas,
namun untuk kenyamanan dan kemudahannya, disimpan dan ditransport dalam
bentuk cair dengan tekanan tertentu. LPG cair, jika menguap membentuk gas
dengan volum sekitar 250 kali. Uap LPG lebih berat dari udara: butan beratnya
sekitar dua kali berat udara dan propan sekitar satu setengah kali berat udara.
Sehingga, uap dapat mengalir didekat permukaan tanah dan turun hingga ke
tingkat yang paling rendah dari lingkungan dan dapat terbakar pada jarak tertentu
dari sumber kebocoran. Pada udara yang tenang, uap akan tersebar secara
perlahan.
Lolosnya gas cair walaupun dalam jumlah sedikit, dapat meningkatkan
campuran perbandingan volum uap/udara sehingga dapat menyebabkan bahaya.
Untuk membantu pendeteksian kebocoran ke atmosfir, LPG biasanya ditambah
bahan yang berbau. Harus tersedia ventilasi yang memadai didekat permukaan
tanah pada tempat penyimpanan LPG. Karena alasan di atas, sebaiknya tidak
menyimpan silinder LPG di gudang bawah tanah atau lantai bawah tanah yang
tidak memiliki ventilasi udara.( UNEP, 2006).
2.1.3.3.4. Gas alam
Metan merupakan kandungan utama gas alam yang mencapai jumlah
sekitar 95% dari volum total. Komponen lainnya adalah: Etan, Propan, Pentan,
Nitrogen, Karbon Dioksida, dan gas gas lainnya dalam jumlah kecil. Sulfur
dalam jumlah yang sangat sedikit juga ada. Karena metan merupakan komponen
terbesar dari gas alam, biasanya sifat metan digunakan untuk membandingkan
sifat-sifat gas alam terhadap bahan bakar lainnya. Gas alam merupakan bahan
bakar dengan nilai kalor tinggi yang tidak memerlukan fasilitas penyimpanan.
17
Gas ini bercampur dengan udara dan tidak menghasilkan asap atau jelaga. Gas ini
tidak juga mengandung sulfur, lebih ringan dari udara dan menyebar ke udara
dengan mudahnya jika terjadi kebocoran. Perbandingan kadar karbon dalam
minyak bakar, batubara dan gas diberikan dalam tabel dibawah.
Tabel 2.3. Perbandingan Komposisi Kimia Berbagai Bahan Bakar (%) (UNEP: 2006)
Bahan Bakar Batubara Gas Alam
Minyak
Karbon 84 41,11 74
Hidrogen 12 2,76 25
Sulfur 3 0,41 -
Oksigen 1 9,89 < 1
Nitrogen < 1 1,22 0,75
Abu < 1 38,63 -
Air < 1 5,98 -
2.1.3.3.5. Hidrogen
Hidrogen adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki
simbol H dan nomor atom 1. Hidrogen dalam bahasa latin yaitu hydrogenium dan
dari bahasa yunani hidrogen berasal dari kata hydro yang berarti air dan genes
yang berarti membentuk air. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak
berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan
merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa
atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen dapat
membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai
dalam air dan senyawa-senyawa organik. Isotop hidrogen yang paling banyak
dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton
tunggal dan tanpa neutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif
(kation) ataupun negatif (anion). Hidrogen sangat penting dalam reaksi asam
basa yang mana banyak reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul
terlarut. Oleh karena hidrogen merupakan satu-satunya atom netral
yang persamaan Schrödingernya dapat diselesaikan secara analitik, kajian pada
18
energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam
perkembangan mekanika kuantum (Achmad, Hiskia. 2001). Sifat kimia dan fisika hydrogen
a. Sifat fisika
- Titik lebur : -259,140C
- Titik didih : -252,87 0C
- Warna : tidak berwarna
- Bau : tidak berbau
- Densitas : 0,08988 g/cm3 pada 293 K
- Kapasitas panas : 14,304 J/gK
b. Sifat kimia
- Panas Fusi : 0,117 kJ/mol H2
- Energi ionisasi 1 : 1312 kJmol
- Afinitas electron : 72,7711 kJ/mol
- Panas atomisasi : 218 kJ/mol
- Panas penguapan : 0,904 kJ/mol H2
- Jumlah kulit : 1
- Biloks minimum : -1
- Elektronegatifitas : 2,18 (skala Pauli)
- Konfigurasi electron : 1s1
- Biloks maksimum : 1
- Volume polarisasi : 0,7 Å3
- Struktur : hcp (hexagonal close packed) (padatan H2)
- Jari-jari atom : 25 pm
- Konduktifitas termal : 0,1805 W/mK
- Berat atom : 1,0079
- Potensial ionisasi : 13,5984 eV
Kelarutan dan karakteristik hidrogen dengan berbagai macam logam
merupakan subyek yang sangat penting dalam bidang metalurgi
(karena perapuhan hidrogen dapat terjadi pada kebanyakan logam) dan dalam riset
pengembangan cara yang aman untuk meyimpan hidrogen sebagai bahan
bakar. Hidrogen sangatlah larut dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam
19
tanah nadir dan logam transisi dan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun
logam amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam disebabkan oleh distorsi setempat
ataupun ketidakmurnian dalam kekisi hablur logam. Gas hidrogen sangat mudah
terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4% H2 di udara bebas.
Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol. Hidrogen terbakar menurut
persamaan kimia:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol) (Achmad, Hiskia. 2001)
Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen
meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada temperatur
560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan
gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh
karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara
visual. Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung
menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen
lebih ringan dari ledakan hidrokarbon. H2 bereaksi secara langsung dengan unsur-
unsur oksidator lainnya. Ia bereaksi dengan spontan dan hebat pada suhu kamar
dengan klorindan fluorin, menghasilkan hidrogen halida berupa hidrogen
klorida dan hidrogen fluorida. (Achmad, Hiskia. 2001). H2 adalah salah satu hasil produk dari beberapa enis fermentasi anaerobik
dan dihasilkan pula pada beberapa mikroorganisme, biasanya melalui reaksi yang
di katalisasikan dengan enzim hidrogenase yang mengandung besi atau nikel.
Enzim-enzim ini mengkatalisasikan reaksi redoks reversibel antara H2 dengan
komponen dua proton dan dua elektronnya. Gas hidrogen dihasilkan pada transfer
reduktor ekuivalen yang dihasilkan selama fermentasi piruvat menjadi air.
Pemisahan air, yang mana air terurai menjadi komponen proton, elektron, dan
oksigen, terjadi pada reaksi cahaya pada proses fotosintesis. percobaan
memodifikasi gen ganggang dan mengubahnya menjadi bioreaktor.
Ganggang Chlamydomonasreinhardtii dan cyanobacteria memiliki tahap kedua,
yaitu reaksi gelap, yang mana proton dan elektron direduksi menjadi gas H2 oleh
hidrogenase tertentu di kloroplasnya. Beberapa usaha telah diambil untuk secara
genetik memodifikasi hidrogenase cyanobacteria untuk secara efisien mensintesis
gas H2 dibawah keberadaan oksigen.Usaha keras juga telah diambil dalam
20
Hidrogen membentuk senyawa yang sangat banyak dengan karbon. Oleh
karena asosiasi senyawa itu dengan kebanyakan zat hidup, senyawa ini disebut
sebagai senyawa organik. Studi sifat-sifat senyawa tersebut disebut kimia organic
dan studi dalam konteks kehidupan organisme dinamakan biokimia. Pada
beberapa definisi, senyawa “organik” hanya memerlukan atom karbon untuk
disebut sebagai organik. Namun kebanyakan senyawa organik mengandung atom
hidrogen. Dan oleh karena ikatan ikatan hidrogen-karbon inilah yang memberikan
karakteristik sifat-sifat hidrokarbon, ikatan hidrogen-karbon diperlukan untuk
beberapa definisi dari kata “organik” di kimia. Dalam kimia anorganik, hidrida
dapat berperan sebagai ligan penghubung yang menghubungkan dua pusat logam
dalam kompleks berkoordinasi. Fungsi ini umum ditemukan pada unsur golongan
13,terutama pada kompleks borana (hidrida boron) dan aluminium serta
karborana yang bergerombol.
Oksidasi H2 secara formal menghasilkan proton H+. Spesies ini
merupakan topik utama dari pembahasan asam, walaupun istilah proton
digunakan secara longgar untuk merujuk pada hidrogen kationik yang positif dan
ditandai dengan H+. Proton H+ tidak dapat ditemukan berdiri sendiri dalam laurtan
karena ia memiliki kecenderungan mengikat pada atom atau molekul yang
memiliki elektron. Untuk menghindari kesalahpahaman akan “proton terlarut”
dalam larutan, larutan asam sering dianggap memiliki ion hidronium (H3O+) yang
bergerombol membentuk H9O4+. Ion oksonium juga ditemukan ketika air berada
dalam pelarut lain. Walaupun sangat langka di bumi, salah satu ion yang paling
melimpah dalam alam semesta ini adalah H3+, dikenal sebagai molekul hidrogen
terprotonasi ataupun kation hidrogen triatomik. Hidrogen memiliki tiga isotop
alami, ditandai dengan 1H, 2H, dan 3H. Isotop lainnya yang tidak stabil (4H to7H)
juga telah disintesiskan di laboratorium namun tidak pernah dijumpai secara
alami.
1. 1H adalah isotop hidrogen yang paling melimpah, memiliki persentase
99.98% dari jumlah atom hidrogen. Oleh karena inti atom isotop ini hanya
memiliki proton tunggal, ia diberikan nama yang deskriptif sebagai
protium, namun nama ini jarang sekali digunakan.
21
2. 2H, isotop hidrogen lainnya yang stabil, juga dikenal
sebagai deuterium dan mengandung satu proton dan satu neutron pada
intinya. Deuterium tidak bersifat radioaktif, dan tidak memberikan bahaya
keracunan yang signifikan. Air yang atom hidrogennya merupakan isotop
deuterium dinamakan air berat. Deuterium dan senyawanya digunakan
sebagai penanda non-radioaktif pada percobaan kimia dan untuk
pelarut1H-spektroskopi NMR.Air berat digunakan sebagai moderator
neutron dan pendingin pada reaktor nuklir. Deuterium juga berpotensi
sebagai bahan bakar fusi nuklir komersial.
3. 3H dikenal dengan nama tritium dan mengandung satu proton dan dua
neutron pada intinya. Ia memiliki sifat radioaktif, dan mererasjadi Helium-
3 melalui pererasan beta dengan umur paruh 12,32 tahun.Sejumlah kecil
tritium dapat dijumpai di alam oleh karena interaksi sinar kosmos dengan
atmosfer bumi; tritium juga dilepaskan selama uji coba nuklir. Ia juga
digunakan dalam reaksi fusi nuklir, sebagai penanda dalam geokimia
isotop, dan terspesialisasi pada peralatan self-powered lighting. Tritium
juga digunakan dalam penandaan percobaan kimia dan biologi
sebagai radiolabel.
Hidrogen adalah satu-satunya unsur yang memiliki tiga nama berbeda
untuk isotopnya. (Dalam awal perkembangan keradioaktivitasan, beberapa isotop
radioaktif berat diberikan nama, namun nama-nama tersebut tidak lagi
digunakan). Simbol D dan T kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada
deuterium dan tritium, namun simbol P telah digunakan untuk merujuk
pada fosfor, sehingga tidak digunakan untuk merujuk pada protium. Dalam
tatanama IUPAC, International Union of Pure and Applied
Chemistry mengijinkan penggunaan D, T,2H, dan 3H walaupun 2H dan 3H lebih
dianjurkan. Isotop hidrogen yang lebih langka juga memiliki aplikasi
tersendiri. Deuterium (hidrogen-2) digunakan dalam reactor CANDU sebagai
moderator untuk memperlambat neutron.Senyawa deuterium juga memiliki
aplikasi dalam bidang kimia dan biologi dalam kajian reaksiefek
isotop. Tritium (hidrogen-3) yang diproduksi oleh reaktor nuklir digunakan dalam
produksi bom hidrogen, sebagai penanda isotopik dalam biosains, dan sebagai
22
sumber radiasi di cat berpendar.Suhu pada titik tripel hidrogen digunakan sebagai
titik acuan dalam skala temperatur ITS-90 (International Temperatur Scale of
1990) pada 13,8033 kelvin. Rapatan energi per volume pada hidrogen cair maupun
hidrogen gas pada tekanan yang praktis secara signifikan lebih kecil daripada
rapatan energi dari bahan bakar lainnya, walaupun rapatan energi per massa
adalah lebih tinggi. Sekalipun demikian, hidrogen telah dibahas secara meluas
dalam konteks energi sebagai pembawa energi. Sebagai
contoh, sekuestrasi CO2 yang diikuti denganpenangkapan dan penyimpanan
karbon dapat dilakukan pada produksi H2 dari bahan bakar fosil. Hidrogen yang
digunakan pada transportasi relatif lebih bersih dengan sedikit emisi NOx, tapi
tanpa emisi karbon. Namun, biaya infrastruktur yang diperlukan dalam
membangun ekonomi hidrogen secara penuh sangatlah besar. (Achmad, Hiskia.
2001)
2.1.3.3.6. Pembuatan Hidrogen
a) Dalam skala laboratorium hydrogen biasanya dibuat dari hasil samping
reaksi tertentu misalnya mereaksikan logam dengan asam seperti mereaksikan
antara besi dengan asam sulfat.
Fe(s) + H2SO4(aq) →FeSO4(aq) + H2(g)……………….(2.1)
b) Sejumlah kecil hydrogen dapat juga diperoleh dengan mereaksikan kalsium
hidrida dengan air. Reaksi ini sangat efisien dimana 50% gas hydrogen yang
dihasilkan diperoleh dari air.
CaH2(s) + 2 H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + 2 H2(g)………….(2.2)
c) Elektrolisis air juga sering dipakai untuk menghasilkan hydrogen dalam
skala laboratorium, arus dengan voltase rendah dialirkan dalam air kemudian gas
oksigen akan terbentuk di anoda dan gas hydrogen akan terbentuk di katoda.
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)……………………………(2.3)
Dalam skala industri hydrogen dapat dibuat dari hidrokarbon, dari
produksi secara biologi melalui bantuan alga dan bakteri, melalui elektrolisis,
23
ataupun termolisis. Produksi hydrogen dari hidrokarbon masih menjadi primadona
disebabkan dengan metode ini bias dihasilkan hydrogen dalam jumlah yang
melimpah sehingga metode yang lain perlu dikembangkan lagi akar meningkatkan
nilai ekonomi hydrogen.
Hidrogen dapat dibuat dari gas alam dengan tingkat efisiensi sekitar 80%
tergantung dari jenis hidrokarbon yang dipakai. Pembuatan hydrogen dari
hidrokarbon menghasilkan gas CO2, sehingga CO2 ini dalam prosesnya dapat
dipisahkan. Produksi komersial hydrogen menggunakan proses “steam reforming”
menggunakan methanol atau gas alam dan menghasilkan apa yang disebut sebagai
syngas yaitu campuran gas H2 dan CO.
CH4 + H2O → 3H2 + CO + 191,7 kJ/mol…………………………(2.4)
Panas yang dibutuhkan oleh reaksi diperoleh dari pembakaran beberapa
bagian methane. Penambahan hasil hydrogen dapat diperoleh dengan
menambahkan uap air kedalam gas hasil reaksi yang dialirkan dalam reactor
bersuhu 130 C.
CO + H2O → CO2 + H2 – 40,4 kJ/mol……………………………..(2.5)
Reaksi yang terjadi adalah pengabilan oksigen dari molekul air ke CO untuk
menjadi CO2. Reaksi ini menghasilkan panas yang dapat dipakai untuk menjaga
suhu reactor.
2.1.3.3.7. Pembuatan Hidrogen dari air Melalui elektrolisis
Hidrogen dapat dibuat dari proses elektrolisis air dengan menggunakan
suplai energi yang dapat diperbaharuhi misalnya angina, hydropower, atau turbin.
Dengan cara elektrolisis maka produksi yang dijalankan tidak akan menghasilkan
polusi. Proses elektrolisis menjadi salah satu proses yang memiliki nilai ekonomi
yang urah dibandingkan dengan menggunakan bahan baku hidrokarbon. Salah
satu teknik elektrolisis yang mendapatkan perhatian cukup tinggi adalah
“elektrolisis dengan menggunakan tekanan tinggi” dalam teknik ini elektrolisis
dijalankan untuk menghasilkan gas hydrogen dan oksigen dengan tekanan sekitar
120-200 Bar. Teknik lain adalah dengan dengan menggunakan “elektrolisis
temperature tinggi” dengan teknik ini konsumsi energi untuk proses elektrolisis
sangat rendah sehingga bisa meningkatkan efisiensi hingga 50%. Proses
24
elektrolisis dengan menggunakan metode ini biasanya digabungkan dengan
instalasi reactor nulklir disebabkan karena bila menggunakan sumber panas yang
lain maka tidak akan bisa menutup biaya peralatan yang tergolong cukup mahal.
Beberapa macam alga dapat menghasilkan gas hydrogen sebagai akibat proses
metabolismenya. Produksi secara biologi ini dapat dilakukan dalam bioreactor
yang mensuplay kebutuhan alga seperti hidrokarbon dan dari hasil reaksi
menghasilkan H2 dan CO2 Dengan menggunakan metode tertentu CO2 dapat
dipisahkan sehingga kita hanya mendapatkan gas H2nya saja. (Achmad, Hiskia.
2001).
Dengan menggunakan gelombang radio maka kita dapat menghasilkan
hydrogen dari air laut dengan dasar proses dekomposisi. Jika air ini diekspos
dengan sinar terpolarisasi dengan frekuensi 13,56 MHz pada suhu kamar maka air
laut dengan konsentrasi NaCl antara 1-30% dapat terdekomposisi menjdi
hydrogen dan oksigen.
Terdapat lebih dari 352 proses termokimia yang dapat dipakai untuk
proses splitting atau termolisis dengan cara ini kita tidak membutuhkan arus listrik
akan tetapi hanya sumber panas. Beberapa proses termokimia ini adalah
CeO2/Ce2O3, Fe3O4/FeO, S-I, Ce-Cl, Fe,Cl dan lainnya. Reaski yang terjdi pada
proses ini adalah:
2H2O → 2H2 + O2…………………………………….(2.6)
Sejumlah besar H2 diperlukan dalam industri petrokimia dan kimia.
Penggunaan terbesar H2 adalah untuk memproses bahan bakar fosil dan dalam
pembuatan ammonia. Konsumen utama dari H2 di kilang petrokimia
meliputi hidrodealkilasi, hidrodesulfurisasi,dan (hydrocracking).
H2 memiliki beberapa kegunaan yang penting. H2 digunakan sebagai
bahan hidrogenasi, terutama dalam peningkatan kejenuhan dalam lemak takjenuh
dan minyak nabati (ditemukan di margarin), dan dalam produksi metanol. Ia juga
merupakan sumber hidrogen pada pembuatan asam klorida. H2 juga digunakan
sebagai reduktor pada bijih logam. Selain digunakan sebagai pereaksi,
H2 memiliki penerapan yang luas dalam bidang fisika dan teknik. Ia digunakan
sebagai gas penameng di metode pengelasan seperti pengelasan hidrogen
atomic. H2 digunakan sebagai pendingin rotor di generator pembangkit listrik
25
karena ia mempunyai konduktivitas termal yang paling tinggi di antara semua
jenis gas. H2 cair digunakan di riset kriogenik yang meliputi
kajian superkonduktivitas. Oleh karena H2 lebih ringan dari udara, hidrogen
pernah digunakan secara luas sebagai gas pengangkat pada kapal udara balon.
Baru-baru ini hidrogen digunakan sebagai bahan campuran dengan
nitrogen (kadangkala disebut forming gas) sebagai gas perunutpendeteksian
kebocoran gas yang kecil. Aplikasi ini dapat ditemukan di bidang otomotif, kimia,
pembangkit listrik, kedirgantaraan, dan industri telekomunikasi. Hidrogen adalah
zat aditif (E949) yang diperbolehkan penggunaanya dalam ujicoba kebocoran
bungkusan makanan dan sebagai antioksidan. Hidrogen bukanlah sumber energi,
kecuali dalam konteks hipotesis pembangkit listrik fusi nuklir komersial yang
menggunakan deuteriumataupun tritium,sebuah teknologi yang perkembangannya
masih sedikit. Energi matahari berasal dari fusi nuklir hidrogen, namun proses ini
sulit dikontrol di bumi. Hidrogen dari cahaya matahari, organisme biologi,
ataupun dari sumber listrik menghabiskan lebih banyak energi dalam
pembuatannya daripada pembakarannya. Hidrogen dapat dihasilkan dari sumber
fosil (seperti metana) yang memerlukan lebih sedikit energi daripada energi hasil
pembakarannya, namun sumber ini tidak dapat diperbaharui, dan lagipula metana
dapat langsung digunakan sebagai sumber energi. Hidrogen mendatangkan
beberapa bahaya kesehatan pada manusia, mulai dari potensi ledakan dan
kebakaran ketika tercampur dengan udara, sampai dengan sifatnya yang
menyebabkan asfiksia pada keadaan murni tanpa oksigen. Selain itu, hidrogen
cair adalah kriogen dan sangat berbahaya oleh karena suhunya yang sangat
rendah. Hidrogen larut dalam beberapa logam dan selain berpotensi kebocoran,
juga dapat menyebabkan perapuhan hidrogen.Gas hidrogen yang mengalami
kebocoran dapat menyala dengan spontan. Selain itu api hidrogen sangat panas,
namun hampir tidak dapat dilihat dengan mata telanjang, sehingga dapat
menyebabkan kasus kebakaran yang tak terduga. Hydrogen dapat disimpan
dengan cara berikut ;
1. hydrogen dicairkan dan disimoan pada suhu – 2530C, dalam hal ini
memerlukan tangki khusus dan mahal. Hydrogen cair perlahan – lahan
26
menguap dan dapat meledak. Energy untuk mencairkan hydrogen kira –
kira 40% energy yang dihasikan pada pembakaran.
2. Dapat disimpan dalam tangki bertekanan tinggi. Berat tangki baja berisi
hydrogen kira – kira tiga puluh kali dibandingkan tangki yang berisi
bensin yang menghasilkan energy yang sama.
3. Dapat disimpan dalam aliasi logam.Hydrogen dapat menempati logam
diantara atom aliasi logam dan membentuk hidrida ( hidrida interstisi )
Cara lain untuk memproduksi hidrogen adalah dengan mereaksikan batu
bara denan uap air.
C + H2O CO + H2 ∆Ho = + 131 kJ ……………………………..(2.7)
Campuran gas yang dihasilkan ini disebut gas air atau (water gas) dan terbakar
dengan nyala biru akibat kandungan karbon monoksidanya. Gas air ini
mengandung proporsi hidrogen yang lebih sedikit daripada gas sintesis yang
diprodduksi dari metana atau hidrokarbon yang lebih tinggi. Gas air dapat
bereaksi lebih lanjut, seperti dalam reaksi geser, menghasilkan hidrogen dan
karbon dioksida tambahan. Begitu campuran CO dan H2 disiapkan dengan
perbandingan yang benar, maka reaksi reformasi yang baru saja dijelaskan ini
dapat dibalik untuk membuat metana yang digunakan sebagai bahan bakar. Proses
keseluruhannya dinamakan proses gasifikasi batu bara.
Berikut adalah beberapa fakta tentang hidrogen:
1. Hidrogen punya kecepatan terbakar 3.600 kali lebih cepat dibanding bensin.
Karena itu proses ledakan di ruang bakar lebih cepat sehingga motor lebih
responsif.
2. Jika meledak di ruang bakar, maka hidrogen menghasilkan panas yang jauh
di bawah bensin. Sehingga suhu ruang mesin lebih dingin dibanding
pembakaran bensin.
3. Ledakan hidrogen bersifat implosive, bukan eksplosive. Artinya hanya
menghasilkan tenaga dengan panas rendah.
4. Jika menggunakan hidrogen, maka kondisi ruang bakar akan lebih bersih. Itu
karena sifat gas ini yang sangat mudah mengikat karbon. sehingga tumpukan
kotoran di ruang bakar tadi terdiri dari tumpukan karbon, jika diikat oleh
hidrogen dalam pembakaran kelamaan akan menjadi hilang dan hasilnya
27
bersih.
5. Sampai saat ini belum bisa dilakukan pembakaran yang murni
hidrogen. Artinya masih dibutuhkan bensin. “Secara teori bisa, tapi hal itu
membutuhkan syarat komponen mesin yang kuat atau lebih dari kondisi
komponen mesin saat ini.
6. Untuk satu liter air, akan menghasilkan 1.860 liter gas. Air di tabung akan
habis jika sudah mencapai jumlah gas sebanyak itu.
7. Dalam perawatannya, air cukup ditambah. Jika sudah berkurang, maka
masukkan air baru sesuai takaran tabung.
Berikut ini adalah data karakteristik beberapa jenis bahan bakar
Tabel 2.4. Karakteristik Beberapa Jenis Bahan Bakar
Hydrogen Methane Amonia Methanol Ethanol Gasoline
(H2) (CH4) (NH3) (CH3OH) (C2H5OH) (C8H18)
Molecular Weight 2,016 16,04 17,03 32,04 46,07 114,2
Boiling point (oC) -259,2 -182,5 -77,7 -98,8 -114,1 -56,8
Net Enthalpy of
Combution at 25 445,6 510 1371 1129 839,3 368,1 oC (kJ/mol)
Liquid Density 77 425 674 786 989 702
(kg/m3)
Specific Heat at28,8 34,1 36,4 76,6 112,4 188,9
STP (J/mol oK)
Flammability 4-77 4-16 15-28 6-36 4-19 1-6
Limits in Air (%)
Auto Ignition571 632 651 464 423 220
Temp. In Air (oC)
Sumber : Jurnal Ilmiah Populer dan Teknologi Terapan 2007 Dari table diatas adalah karakteristik dari beberapa jenis bahan bakar.
Hidrogen memiliki data Molecular Weight 2,016, Boiling point (oC) -259,2,
Hidrogen dibandingkan dengan bahan bakar yang lain dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Isotop hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton tunggal dan tanpa neutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion).
2.1.4. Air
Air adalah senyawa kimia yang memiliki dua unsur, yaitu hidrogen dan
28
oksigen, yang memiliki rumus kimia H2O. Dimana kita dapat menghasilkan air
dengan cara membakar hidrogen dengan oksigen, yang akibatnya dapat
menimbulkan panas, yang dapat kita manfaatkan sebagai sumbar energi. Selain
kita dapat menyatukan hidrogen dengan oksigen menjadi air, kita juga dapat
memisahkan oksigen dengan air dengan proses elektrolisis.Hidrogen sangat
potensial digunakan sebagai bahan bakar, karena jumlah energi yang dikandung
dalam hidrogen relatif lebih besar (28.600 Kkal/kg) jika dibandingkan dengan
beberapa jenis bahan bakar lainnya (minyak bumi 10000 Kkal/kg, gas methan
12000Kkal/kg).Berbeda dengan bahan bakar lainnya, hirogen tidak menimbulkan
polusi yang berbahaya, karena pada dasarnya, hasil dari pembakaran hidrogen
adalah murni air (Oxtoby, D.W., Gillis, H.P., dan Nachtrieb, N.H, 2003)
2.1.5. Hidrogen Booster
Hidrogen Booster adalah sebuah alat, yang mengkonversi air (H2O),
menjadi hidrogen (H2) dan oksigen (O2).
Skema dari Hidrogen Booster dapat dilihat pada gambar 2. berikut:
Saluran Gas Keluar ( Menuju Intake Karburator )
Udara (Gas H2 + O2)
Air + Katalis
Tabung
Gambar 2.2. Hidrogen Booster
Ke Positif Accu (+ ) Elektroda
Ke Massa (- )
29
Bahan yang digunakan untuk membuat boster hidrogen sangat sederhana,
hanya memanfaatkan peralatan rumah tangga seperti botol plastik, selang
aquarium, kabel, serta dua buah elektroda yang terbuat dari baja, serta kabel.
Sedangkan bahan yang di isikan kedalam Hidrogen Booster adalah air murni (air
suling) dengan bantuan katalis soda kue. Adapun reaksi pemisahan hidrogen dapat
berlangsung sesuai proses elektrolisis sebagai berikut :
4H2O + 4e- 2 H2 + 4 OH- (pada katoda (+)) …………………………(2.8)
4OH- 2H2O + O2 + 4 e- (pada anoda (-))………………....................(2.9)
Dari beberapa kali percobaan pembuatan Hidrogen Booster, skema di atas
memiliki kapasitas produksi yang kecil, untuk produksi gas hidrogen yang lebih
banyak, perlu penampang elektroda yang lebih besar sehingga mengalami
perubahan bentuk elektroda menjadi seperti pada Gambar 2.3. berikut :
Ke Intake Karburator
Campuran Gas O2 dan H2
Air + Katalis
Ke Massa (-) Ke Positif Baterai (+)
Gambar 2.3. Hidrogen Booster Setelah Penyempurnaan
30
2.1.6. Stargas 898
Stargas 898 adalah sebuah alat uji emisi gas buang yang telah memenuhi
standart emisi gas buang OIML Class O (standart eropa) yang mampu mendeteksi
kadar emisi gas CO, CO2, HC, O2, NOx (opsional), Lambda, temperatur mesin,
serta RPM (putaran mesin). Alat ini telah dilangkapi dengan mesin printer,
sehingga data hasil pengujian dapat langsung dicetak. Selain itu, alat ini telah
memiliki sistem auto zero, sehingga data pengujian dapat lebih akurat. Memiliki
rentang pengukuran gas CO 0-99,9% Vol., dengan tingkat toleransi 0,01. Gas
CO2 0-19,9% Vol. Dengan toleransi 0,1. HC 0-9999 ppm Vol., tinkat toleransi 1.
NOx 0-2000 ppm vol dengan toleransi 5 ppm. Pada gambar 2.4 alat uji emisi :
Gambar 2.4. Alat uji Emisi tipe Star Gas 898(www.Stargas 898.com)
2.1.7. Polusi
Karbon monoksida adalah suatu pencemar udara akibat pembakaran bahan
yang mengandung karbon, proses industri, asap rokok, kebakaran hutan dan
pembusukan sampah organik. Pembakaran yang tidak sempurna dari proses
pembakaran bahan bakar akan menimbulkan gas CO yang tinggi dan hal ini sering
terjadi pada proses pembakaran dari kendaraan bermotor terutama bila proses
pembakarannya kurang sempurna Sumber gas CO lainnya adalah penimbunan
batu bara dan asap rokok. Pencemaran udara sebagai kehadiran satu atau lebih
bahan pencemar atau gabungannya didalam atmosfera dalam kuantiti tertentu
pada suatu jangka waktu yang boleh menyebabkan darurat kepada kehidupan
manusia,haiwan atau menganggu suasana kehidupan. (Wark dan Warner, 1901)
31
2.1.7.1. Karbon monoksida (CO)
Karbon monoksida hanya terbentuk dari gas buang. Gas CO terjadi
karena pembakaran yang tidak sempurna yang disebabkan oleh campuran udara
dan bahan bakar yang tidak tepat. Secara teori, gas buang motor bensin dapat
dibebaskan dari produksi gas CO dengan mengoprasikan mesin dengan
perbandingan campuran udara bahan bakar yang lebih besar dari 16:1. Tetapi
kenyataannya gas CO selalu ada meskipun pada campuran yang kurus. Prosentase
CO naik pada putaran rendah dan menurun seiring dengan meningkatnya
kecepatan mesin. Menurut Wardhana (2001) kadar CO dalam darah seseorang
dapat mempengaruhi beberapa faktor, salah satunya adala lama paparan, seorang
pejalan kaki akan lebih sering dan lama terpapar oleh CO yang terbentuk dari
pembakaran yang tidak sempurna kendaraan bermotor, apalagi seseorang yang
bersal dari kota besar yang banyak kegiatan industrinya dan lalu lintasnya padat,
udaranya sudah banyak tercemar oleh gas CO. Sedangkan daerah pimggiran kota
atau desa, cemaran CO diudara relatif sedikit. Konsentrasi gas karbon monoksida
di suatu ruangan akan naik jika di ruangan itu ada orang yang merokok. Orang
yang merokok akan mengeluarkan asap rokok yang mengandung gas karbon
monoksida dengan konsentrasi lebih dari 20.000 ppm yang kemudian menjadi
encer sekitar 400-5000 ppm selama dihisap. Konsentrasi gas karbon monoksida
yang tinggi di dalam asap rokok menyebabkan kandungan karbon monoksida
haemoglobin dalam darah orang yang merokok meningkat. Keadaan seperti ini
tentu akan membahayakan kesehatan orang yang merokok. Merokok dalam waktu
cukup lama atau perokok berat, konsentrasi karbon monoksida haemoglobin
dalam darahnya akan mencapai sekitar 6,9 persen. Perokok pasif yang sering
berada didekat perokok aktif akan menghirup asap rokok yang mengandung gas
karbon monoksida.
Emisi karbon monoksida tinggi pada putaran idle, Kadar emisi terendah
terjadi pada saat akselarasi dan pada kecepatan yang konstan. Penutupan katup
gas menyebabkan berkurangnya suplai oksigen ke mesin adalah penyebab utama
dari produksi CO, sehingga proses deselarasi dari putaran tinggi adalah penyebab
utama terbesar produksi gas CO.
32
2.1.7.2. Hidrokarbon (HC)
Emisi hidrokarbon adalah dampak langsung dari pembakaran yang tidak
sempurna. Emsi hidrokarbon sangat dekat kaitanya dengan beberapa desain dan
variabel pengoprasian, dua yang paling penting dari desain itu adalah desain
sistem induksi dan desain sistem ruang bakar. Sedangkan variabel pengoprasian
yang mempengaruhi antara lain perbandingan udara dan bahan bakar, kecepatan,
beban, dan mode pengoprasian. Perawatan juga menjadi penyebab yang penting.
Desain sistem induksi dan perawatan mesin mempengaruhi pengoprasian
campuran udara dan bahan bakar dan emisi hidrokarbon dan karbon monoksida.
Sistem induksi menentukan kerja optimal dari campuran udara dan bahan bakar
berdasarkan pemerataan distribusi bahan bakar pada tiap silinder, keekonomisan
bahan bakar, tenaga, kuantitas, dan lain lain. Pemeliharaan mesin menentukan
apakah mesin akan bekerja pada campuran udara dan bahan bakar yang telah
direncanakan dan untuk berapa lama. Pemeliharaan ini mencakup penggunaan
ring piston, kerak-kerak, pelumasan, pendinginan, dan faktor-faktor lainnya.
Sesuai dengan namanya, komponen hidrokarbon hanya terdiri dari elemen
hidrogen dan karbon. Pelepasan hidrokarbon dari kendaraan bermotor disebabkan
oleh pembakaran bahan bakar minyak yang tidak sempurna (Adly Havendri,
2007).
2.1.7.3. Karbon Dioksida (CO2) Secara fisik gas CO2 merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau,
mudah larut di dalam air dan mempunyai massa jenis 1,5 kali massa jenis udara.
Pada kondisi atmosfer, gas CO2 mencair pada temperatur -57oC dan membeku
pada -79oC. Gas CO2 terbentuk dari hasil pembakaran hidrokarbon dengan
oksigen yang terbakar secara sempurna. Juga dapat terbentuk dari proses
fermentasi alkoholik. Kandungan CO2 didalam gas buang rata-rata dibawah 15%.
Di daerah pedesaan yang jauh dari kota dan industri mempunyai kandungan rata-
rata 300 ppm. Sedangkan di kota dapat mencapai 600-700 ppm.
Kandungan dibawah 5% pada manusia tidak berakibat apa-apa,
selebihnya dapat menyesakkan pernafasan. Gas ini menyebabkan kenaikan
temperatur bumi, mencairnya es di kutub dan naiknya permukaan air laut. Dengan
33
semakin banyaknya jumlah kendaraan bermotor dan semakin banyaknya jumlah
pabrik, berarti meningkat pula jumlah atau kadar CO2 di udara kita. Keberadaan
CO2 yang berlebihan di udara memang tidak berakibat langsung pada manusia,
sebagaimana gas CO. Akan tetapi berlebihnya kandungan CO2 menyebabkan
sinar inframerah dari matahari diserap oleh bumi dan benda – benda di sekitarnya.
Kelebihan sinar inframerah ini tidak dapat kembali ke atmosfer karena terhalang
oleh lapisan CO2 yang ada di atmosfer. Akibatnya suhu di bumi menjadi semakin
panas. Hal ini menyebabkan suhu di bumi, baik siang maupun malam hari tidak
menunjukkan perbedaan yang berarti atau bahkan dapat dikatakan sama. Akibat
yang ditimbulkan oleh berlebihnya kadar CO2 di udara ini dikenal sebagai efek
rumah kaca atau green house effect.
2.1.7.4. Oksida Nitrogen (NOx)
Nitrogen oksida sering disebut dengan NOx karena oksida nitrogen
mempunyai 2 bentuk yang sifatnya berbeda, yakni gas NO2 dan gas NOx. Sifat
gas NO2 adalh berwarna dan berbau, sedangakn gas NO tidak berwarna dan tidak
berbau. Warna gas NO2 adalah merah kecoklatan dan berbau tajam menyengat
hidung. Kadar NOx diudara daerah perkotaan yang berpenduduk padat akan lebih
tinggi dari daerah pedesaan yang berpenduduk sedikit. Hal ini disebabkan karena
berbagai macam kegiatan yang menunjang kehidupan manusia akan menambah
kadar NOx di udara, seperti transportasi, generator pembangkit listrik,
pembuangan sampah dan lain-lain . (Adly Havendri, 2007).