Modul Ajar · Pencemaran Udara
Teknologi Pengendalian Pencemaran Udara: mencegah sebelum menangkap
Tujuan pembelajaran
Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa mampu…
Kata kunci
Kata kunci Bab 9
9.1 · Hirarki
Pencegahan di hulu, dispersi di hilir paling akhir
Bukan langsung pasang filter; mulai dari tidak membentuk polutan.
Menurut hierarki de Nevers, pilihan pertama adalah pencegahan, misalnya menggunakan bahan bakar rendah sulfur, pelapis berbasis air, atau mengoptimalkan rasio udara dan bahan bakar. Pilihan kedua ialah recovery, seperti pemulihan gipsum dari FGD atau pelarut dari adsorpsi. Berikutnya adalah pengendalian end-of-pipe, misalnya ESP, baghouse, scrubber, dan SCR. Cerobong tinggi hanya meningkatkan dispersi; cara ini dapat menurunkan konsentrasi dekat permukaan, tetapi tidak mengurangi beban pencemaran regional. Karena itu, cerobong tinggi bukan pengendalian yang sesungguhnya.
Pilihan teknologi yang optimum mempertimbangkan laju dan jenis polutan, kondisi aliran gas, target mutu, keandalan, kebutuhan utilitas, residu yang dihasilkan seperti abu, slurry, atau katalis bekas, keselamatan, dan biaya siklus hidup. Efisiensi penangkapan tertinggi bukan satu-satunya dasar pemilihan.
9.1b · Dasar
Efisiensi, nines, koreksi O₂, dan daya fan
Dua kekeliruan klasik: menjumlah efisiensi & lupa O₂.
Keterangan: η = efisiensi fraksional; P = penetrasi (fraksi lolos). Rangkaian: P_total=P₁P₂…, η_total=1−P_total (90+90→99%, bukan 180%).
Istilah “nines” membantu membaca efisiensi pengendalian. Efisiensi 99% menyisakan 10⁻² dari massa awal, 99,9% menyisakan 10⁻³, dan 99,99% menyisakan 10⁻⁴. Setiap tambahan satu nine memangkas sisa emisi menjadi sepersepuluhnya.
Keterangan: Koreksi O₂ pada basis kering konsisten; O₂ref mis. 7% padat /3% gas; cegah pengenceran tampak turun emisi.
Keterangan: Q = laju aktual (m³/s) bukan Nm³; ΔP = pressure drop (Pa); W dalam W; ΔP tinggi = parasit besar tetapi ΔP terlalu rendah pada kontak gas–cair berarti perpindahan massa buruk.
Q aktual vs normal: \(Q = A\bar v\); Q berubah dengan T,P,H₂O — bedakan aktual, normal/standar, kering/basah.
9.2 · Sifat PM
Log-normal, Stokes, dan diameter cut
Desain bermula dari distribusi ukuran — bukan konsentrasi.
Aerosol nyata polidispersi: diameter pada log scale mendekati log-normal dengan median geometrik \(d_g\) dan \(\sigma_g\); massa vs jumlah median berbeda; efisiensi total = bobot fraksional \(\eta(d_p)\).
Keterangan: v_t = kecepatan endap terminal (Stokes, Re_p<1 sferis); ρ_p,ρ_g = densitas partikel/gas (kg/m³); d_p = diameter; C_c = slip Cunningham; μ = viskositas (Pa·s); V_t∝d².
Implikasi: setengah diameter → 1/4 V_t; gravity hanya >40–50 µm, halus perlu impaksi/difusi/elektrostatik. Diameter aerodinamik \(d_a≈d_p√(ρ_pχ/ρ_0)\) (ρ₀=1000) menyetarakan bentuk/densitas — dasar PM10/PM2,5 dan \(D_{cut}\) (50% efisiensi) yang wajib disertai kondisi operasi.
9.3 · Partikulat
Gravity, siklon, ESP, baghouse, dan scrubber
Dinding vs pembagi aliran — dua keluarga kolektor.
Gravity settler: \(η=1−exp(−V_t A/Q)\) (campur sempurna) — pra-pembersih >40 µm. Siklon: sentrifugal via vorteks tangensial; \(d_{cut}\) ~5–10 µm; pra-pembersih kokoh panas. ESP: korona 30–70 kV → migrasi \(w\) → rapping; ΔP rendah; sensitif resistivitas.
Keterangan: w = kecepatan drift (m/s); A = luas pelat (m²); Q = debit (m³/s); untuk 90→99 butuh 2×A (ln0,01/ln0,1), 90→99,9 3×, 99,99 4×; k≈0,5 modifikasi untuk halus: P=exp[−(wA/Q)^k].
Baghouse: kain + dust cake (>99% submikron, tak sensitif resistivitas) tetapi terbatas suhu & ΔP tinggi. Venturi: impaksi droplet, ΔP sangat tinggi (boros) tetapi tangani gas panas/lengket + asam & hasil slurry.
Tabel 9.1 — Pemilihan kolektor (ringkas)
| Alat | Kekuatan | Batasan dominan | Posisi umum |
|---|---|---|---|
| Settler | Kasar sangat, panas, murah | Halus | Prapengendali |
| Siklon | Kasar–menengah, abrasif | Halus | Prapengendali |
| ESP | Debit besar, ΔP rendah | Resistivitas, listrik HV | PLTU besar |
| Baghouse | Halus, ketat | Suhu, kelembapan | Semen, boiler |
| Venturi | PM+gas, panas | Slurry, energi | Basah/khusus |
9.4 · SOx
FGD basah batu kapur & alternatif pesisir
SO₂ tidak dibakar — ia dicuci.
Keterangan: Wet limestone FGD forced oxidation; >90% mungkin (CICA 50–98% desain); penentu: L/G, pH, Ca/S, oksidasi, beban; isu scaling/korosi/purge.
Semi-kering SDA (slurry teratomisasi → kering ditangkap ESP/baghouse) & kering (sorbent padat) irit air tetapi kurang efisien — cocok S rendah–sedang. Seawater FGD via alkalinitas laut pesisir: kasus Indonesia 36–43% aktual vs >90% potensi — perlu aerasi, pH, biofouling.
Alternatif pra-pembakaran: coal blending turunkan S masukan; ubah abu→slagging/fouling, resistivitas ESP → tak hanya kadar S.
9.5 · NOx
Thermal vs fuel — primer vs sekunder
Thermal NOx ∝ exp(T) — dinginkan puncak api.
NOx terbentuk melalui tiga jalur: thermal NOx dari N₂ udara menurut mekanisme Zeldovich, fuel NOx dari nitrogen dalam bahan bakar, dan prompt NOx. Pengendalian primer meliputi low-NOx burner (LNB), staged atau over-fire air, flue-gas recirculation (FGR), dan optimasi udara berlebih. Metode ini relatif murah dan dapat mengurangi emisi hingga puluhan persen, tetapi kemampuannya terbatas. Udara berlebih yang terlalu tinggi dapat menaikkan NOx, sedangkan kondisi terlalu kaya bahan bakar dapat menaikkan CO dan loss on ignition (LOI).
Keterangan: SCR pada katalis 300–400°C, 80–90%+, perlu NH₃/urea & kontrol slip, fouling/poisoning; SNCR tanpa katalis 850–1100°C jendela sempit, lebih murah kurang efisien.
Praktik: LNB turunkan beban murah di hulu + SCR/SNCR untuk penuntasan — sesuai target baku mutu.
9.6 · VOC
Dari recovery hingga pemusnahan
Konsentrasi & nilai menentukan pulih atau musnah.
Pengendalian VOC mengikuti tiga tingkat. Pencegahan dapat dilakukan melalui substitusi pelarut, penggunaan cat berbasis air atau high-solids, serta LDAR untuk kebocoran fugitif. Pemulihan dapat memakai kondensasi dingin pada konsentrasi tinggi atau adsorpsi karbon aktif pada konsentrasi rendah hingga sedang yang memungkinkan regenerasi. Pemusnahan dapat menggunakan absorpsi, insinerasi termal pada 700–1.000 °C, oksidasi katalitik pada suhu lebih rendah, atau biofiltrasi untuk aliran berkonsentrasi rendah dan berbau. Konsentrasi VOC harus dibandingkan dengan LEL sebelum oksidator digunakan. Aliran terhalogenasi memerlukan quench atau scrubber asam.
Tabel 9.2 — Memilih VOC (ringkas)
| Teknologi | Kondisi sesuai | Batasan |
|---|---|---|
| Kondensasi | Tinggi, bernilai | Tidak ekonomis sangat rendah |
| Adsorpsi karbon | Rendah–sedang | Breakthrough, kelembapan |
| Termal | Tidak bernilai, tinggi | Bahan bakar bantu, NOx |
| Katalitik | Tidak bernilai, sedang | Racun katalis (S, halogen) |
| Biofiltrasi | Rendah, biodegradabel | Kelembapan, beban |
9.7 · Sumber bergerak
Katalis tiga arah & filter diesel
Rasio udara–bahan bakar menentukan teknologi.
TWC bensin (Pt/Pd/Rh) pada stoikiometrik + sensor λ: oksidasi CO/HC & reduksi NOx simultan; butuh bebas Pb & sulfur rendah. Diesel lean → DOC + DPF sarang tawon pori; regenerasi pasif NO₂ 300–400°C / aktif injeksi fuel; ~99% PM bila terawat. Tanpa sulfur ≤50 ppm, katalis teracuni — urgensi Euro 4 (P.20/2017: Okt 2018 bensin, Apr 2021 diesel RON91/CN51) + uji berkala P.8/2023. TWC bukan pengganti peremajaan armada & angkutan umum.
9.8 · CEMS
Dari sensor ke bukti kepatuhan
Sistem akuisisi + QA/QC, bukan sekadar analizer.
CEMS kontinu untuk SO₂/NOx/partikulat/O₂ dsb. + \(T,P,H₂O, Q\) untuk beban g/s. Permen 13/2021 SISPEK: integrasi real-time per jam (5-menit) via JSON/API, registrasi-verifikasi-konektivitas + audit CGA/RCA/RATA; downtime harus flag, bukan nol.
Data layak pakai perlu zero/span, pemeriksaan sampel, dan rekonsiliasi dengan uji manual terakreditasi.
9.9 · Terkini
PLTU, co-firing, dan merkuri
Teknologi matang; ketatnya baku mutu yang menantang.
Praktik PLTU Indonesia: ESP + LNB + blending/low-S; PLN klaim ESP di semua PLTU, Suralaya PM <60/100 (3.400 MW, 35 ribu ton/hari). Kritik BME Kat.1 550/100 vs Tiongkok 50/35/10: 3–15× (SO₂/NOx) & 5–20× (PM) — lihat Grafik 9.1 pada Subbab 9.4; baru 200/50/0,03. Mayoritas 75% di Kat.1 longgar; model 5.900 kematian/tahun dapat dihindari bila 100/10 (estimasi model Greenpeace/CREA, bukan pantauan) — fenomena “standar ganda” Korea pada Jawa 9&10.
Co-firing 47 PLTU (52 lok) 1,67 juta MWh 2024 (↑60%) 1,87 Mt CO₂ → target 52 PLTU 10,2 Mt biomassa; kontribusi 1,86% bauran EBT — debatable.
CCS 15 proyek <2030 (migas, Permen ESDM 2/2023, 4,85 Gt +572 Gt) bukan pengganti ESP/FGD/SCR — perlu SOx/NOx hulu untuk pelarut. Hg 0,03 (Minamata) — co-benefit ESP+FGD (+ ACI bila perlu).
Audit Suralaya: 99,9% adalah kapabilitas tipikal ESP modern (de Nevers), bukan angka efisiensi terukur Suralaya (hanya C_out <60 mg/Nm³ terverifikasi). Klaim per unit wajib inlet–outlet + basis.
Rangkuman
Pokok pembelajaran
- Hirarki pencegahan→recovery→end-of-pipe→dispersi; nines memperlihatkan biaya eksponensial vs sisa emisi.
- Sifat PM (log-normal, Stokes∝d², d_a/D_cut) menentukan kolektor; Deutsch–Anderson 1−exp(−wA/Q) dengan modifikasi k.
- FGD basah→gipsum (>90% mungkin) vs seawater 36–43% & semi-kering; NOx LNB/FGR (puluhan %) vs SCR 80–90%.
- VOC pilih pulih (kondensasi/adsorpsi) atau musnah (termal/katalitik/bio) berdasar konsentrasi/nilai; sumber bergerak TWC vs DPF + Euro 4 50 ppm S.
- CEMS adalah rantai ukur + QA (CGA/RATA) + SISPEK real-time; O₂ & Q basis harus konsisten (C_ref & W_fan).
- Di Indonesia, tantangan bukan teknologi (matur) melainkan BME: Kat.1 550 masih longgar 3–15× → PLTU cukup ESP+blending.
Checkpoint
Uji pemahaman
Enam soal tentang hirarki, nines, Stokes, ESP, FGD/SCR, dan TWC/DPF.
Diskusi
Pertanyaan diskusi
Buka petunjuk setiap pertanyaan untuk memulai pembahasan.
Latihan
Latihan mandiri
Enam tugas penerapan; progres tersimpan otomatis di perangkat ini.
Referensi