ANALISIS KARAKTERISTIK FISIK, KIMIA, NANOSTRUKTUR, DAN PREDIKSI ENERGY MACHINE LEARNING PADA KOMPOSIT BRIKET TERNIER (BFD/LDK/LCK)

ABSTRAK

Pengembangan bahan bakar padat terbarukan berbasis limbah biomassa ternier (BFD/LDK/LCK) menjadi solusi strategis dalam menghadapi krisis energi. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis karakteristik briket ternier melalui 7 Miracle Analysis, yang mencakup ukuran partikel (PSA), analisis proksimat, analisis ultimat, sifat fisik-mekanik, nanostruktur (BET dan Raman), prediksi nilai kalor (HHV) menggunakan Machine Learning, serta potensi emisi dan indikator lingkungan. Hasil analisis menunjukkan bahwa bahan baku awal memiliki rata-rata $d_{50}$ sebesar 34,96 µm dengan kadar air awal 11,61%. Briket yang dihasilkan memiliki kadar karbon terikat (Fixed Carbon) yang tinggi sebesar 64,17% dan kandungan unsur Karbon (C) dominan sebesar 76,7%. Pengujian fisik menunjukkan nilai kuat tekan rata-rata 3,31 MPa dengan durabilitas mencapai 91,32%. Pemodelan Machine Learning menunjukkan akurasi yang tinggi dalam memprediksi nilai HHV dengan $R^2 = 0,8586$ dan $RMSE = 0,9705\text{ MJ/kg}$. Analisis emisi mencatat rata-rata emisi CO sebesar 259,36 ppm dan Slagging Index sebesar 1,47. Penelitian ini membuktikan bahwa briket ternier BFD/LDK/LCK memiliki kualitas termal dan ketahanan mekanis yang sangat baik sebagai bahan bakar alternatif berkelanjutan.

Kata Kunci: Briket Ternier, Machine Learning, High Heating Value (HHV), BET, Raman Spectroscopy, Analisis Proksimat-Ultimat.

PENDAHULUAN

Pemanfaatan biomassa sebagai energi terbarukan terus dikembangkan untuk mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil. Formulasi komposit briket ternier (BFD/LDK/LCK) menawarkan kombinasi sifat fisik dan termal yang saling melengkapi. Untuk memastikan briket memenuhi standar kualitas bahan bakar padat, diperlukan evaluasi menyeluruh yang mencakup aspek fisik, kimia, struktur mikro, performa termal, hingga dampak lingkungannya. Penelitian ini menerapkan metode integrasi 7 Miracle Analysis untuk menguji secara komprehensif performa briket ternier BFD/LDK/LCK.

METODOLOGI & DATA ANALISIS

Data pengujian dikelompokkan ke dalam 7 tahap analisis integratif:

1. Analisis Raw Material (PSA & Moisture): Pengukuran distribusi ukuran partikel ($d_{10}$, $d_{50}$, $d_{90}$), Polydispersity Index (PDI), dan kadar air bahan baku.
   
   
2. Analisis Proksimat: Evaluasi Moisture Content (MC), Volatile Matter (VM), Ash Content (AC), dan Fixed Carbon (FC).
   
   
3. Analisis Ultimat (CHNS/O): Penentuan komposisi elemental Karbon (C), Hidrogen (H), Nitrogen (N), Sulfur (S), dan Oksigen (O).
   
   
4. Analisis Fisik & Mekanik: Pengujian Kerapatan, Kuat Tekan, dan Durabilitas Briket.
   
   
5. Analisis Thermal-Structure & Nano: Evaluasi Luas Permukaan Spesifik (BET) dan Rasio Defek Kristal ($I_D/I_G$ Raman).
   
   
6. Predictive Energy via Machine Learning: Pemodelan prediksi High Heating Value (HHV) berbasis Machine Learning.
   
   
7. Analisis Emisi & Lingkungan: Pengukuran emisi gas CO dan evaluasi potensi kecenderungan kerak (Slagging Index).
   
   

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis Raw Material (PSA & Moisture)

Distribusi ukuran partikel bahan baku (Particle Size Analysis) dan kadar air awal disajikan pada Tabel 1 dan Gambar 1:

• Tabel 1. Karakteristik Partikel dan Kadar Air Bahan Baku
  
  
  
  
  • $d_{10}$ (µm): Rata-rata = 9,70 | Std = 2,97 | Min = 5,06 | Max = 14,87
    
    
  • $d_{50}$ (µm): Rata-rata = 34,96 | Std = 5,86 | Min = 25,14 | Max = 44,71
    
    
  • $d_{90}$ (µm): Rata-rata = 75,53 | Std = 8,80 | Min = 60,15 | Max = 89,70
    
    
  • PDI: Rata-rata = 1,44 | Std = 0,21 | Min = 1,11 | Max = 1,79
    
    
  • Kadar Air Raw (%): Rata-rata = 11,61% | Std = 2,23% | Min = 8,08% | Max = 14,95%
    
    

Deskripsi: Ukuran partikel rerata $d_{50}$ sebesar 34,96 µm menunjukkan homogenitas campuran biomassa yang baik, mendukung pemadatan optimal saat proses pembuatannya. Kadar air awal ~11,61% berada dalam batas ideal untuk proses pengeringan dan pengempaan.

Analisis Proksimat

Komposisi proksimat briket ternier ditunjukkan pada Tabel 2 dan Gambar 2:

• Tabel 2. Hasil Analisis Proksimat Briket Ternier
  
  
  
  
  • Moisture Content / MC (%): Rata-rata = 4,10% | Std = 1,19% | Min = 2,06% | Max = 6,00%
    
    
  • Volatile Matter / VM (%): Rata-rata = 21,47% | Std = 4,01% | Min = 15,30% | Max = 29,80%
    
    
  • Ash Content / AC (%): Rata-rata = 10,26% | Std = 2,83% | Min = 5,18% | Max = 14,90%
    
    
  • Fixed Carbon / FC (%): Rata-rata = 64,17% | Std = 5,36% | Min = 52,43% | Max = 75,21%
    
    

Deskripsi: Kadar karbon terikat (Fixed Carbon) yang mencapai 64,17% dan kadar air yang relatif rendah (4,10%) membuktikan bahwa briket ini memiliki efisiensi pembakaran yang tinggi dan tidak mudah lembap.

Analisis Ultimat (CHNS/O)

Kandungan elemen kimia briket ternier hasil analisis CHNS/O disajikan pada Tabel 3 dan Diagram Pie:

• Tabel 3. Komposisi Elemental Briket
  
  
  
  
  • Karbon (C): Rata-rata = 64,11% (Komposisi pie terdistribusi ~76,7%)
    
    
  • Hidrogen (H): Rata-rata = 3,41% (~4,1%)
    
    
  • Nitrogen (N): Rata-rata = 1,03% (~1,2%)
    
    
  • Sulfur (S): Rata-rata = 0,38% (~0,5%)
    
    
  • Oksigen (O): Rata-rata = 14,62% (~17,5%)
    
    

Deskripsi: Dominasi unsur Karbon (C) serta rendahnya kandungan Sulfur (S = 0,38%) menjadikan briket ini bahan bakar ramah lingkungan dengan emisi SOx yang sangat minim.

Analisis Fisik & Mekanik (Phys-Mech)

Sifat mekanik briket diuji untuk menentukan kualitas fisik saat penyimpanan dan transportasi (Tabel 4):

• Tabel 4. Sifat Fisik dan Mekanik Briket Ternier
  
  
  
  
  • Kerapatan ($\text{g/cm}^3$): Rata-rata = 1,06 | Std = 0,14 | Min = 0,82 | Max = 1,30
    
    
  • Kuat Tekan (MPa): Rata-rata = 3,31 | Std = 1,03 | Min = 1,52 | Max = 5,00
    
    
  • Durabilitas (%): Rata-rata = 91,32% | Std = 3,66% | Min = 85,10% | Max = 97,89%
    
    

Deskripsi: Nilai durabilitas rata-rata 91,32% dan kuat tekan hingga 3,31 MPa mengindikasikan struktur fisik briket sangat solid dan tahan terhadap penanganan mekanis.

Analisis Thermal-Structure & Nano

Karakterisasi nanostruktur dilakukan menggunakan pengujian BET dan Spektroskopi Raman (Tabel 5):

• Tabel 5. Parameter Luas Permukaan BET dan Defek Kristal
  
  
  
  
  • Luas Permukaan BET ($\text{m}^2\text{/g}$): Rata-rata = 152,56 | Std = 58,43 | Min = 55,16 | Max = 248,83
    
    
  • Rasio $I_D/I_G$ (Raman): Rata-rata = 0,933 | Std = 0,148 | Min = 0,706 | Max = 1,198
    
    

Deskripsi: Luas permukaan BET rerata $152,56\text{ m}^2\text{/g}$ memfasilitasi kontak oksigen yang baik saat pembakaran. Nilai rasio $I_D/I_G$ mendekati $0,93$ mengindikasikan tingkat amorf/defek struktur karbon yang optimal untuk laju reaktivitas pembakaran.

Prediksi Nilai Kalor (HHV) Menggunakan Machine Learning

Model prediksi High Heating Value (HHV) dievaluasi berdasarkan kecocokan antara nilai aktual dan prediksi (Tabel 6):

• Tabel 6. Evaluasi Performa Model Machine Learning
  
  
  
  
  • Root Mean Squared Error (RMSE): $0,970508\text{ MJ/kg}$
    
    
    
    
  • R-Squared Score ($R^2$): $0,858664$
    
    
    
    

Deskripsi: Performa model Machine Learning yang dikembangkan menunjukkan korelasi yang sangat baik dengan nilai $R^2 = 0,8587$, membuktikan bahwa pendekatan pemodelan computational dapat diandalkan untuk memprediksi besaran kalori briket (rentang HHV aktual berkisar antara $20\text{--}30\text{ MJ/kg}$).

Analisis Emisi & Lingkungan

Potensi dampak lingkungan dari pembakaran briket dievaluasi pada Tabel 7:

• Tabel 7. Parameter Emisi CO dan Indeks Slagging
  
  
  
  
  • Emisi CO (ppm): Rata-rata = 259,36 | Std = 85,89 | Min = 102,80 | Max = 397,54
    
    
  • Slagging Index: Rata-rata = 1,47 | Std = 0,56 | Min = 0,51 | Max = 2,50
    
    

Deskripsi: Plot korelasi antara HHV, Emisi CO, dan Slagging Index menunjukkan bahwa pada HHV yang tinggi, emisi CO tetap terlampaui pada rentang moderat-aman, sementara Slagging Index rata-rata $1,47$ tergolong aman dari risiko pengerakan ekstrem pada tungku/boiler.

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil integrasi 7 Miracle Analysis pada komposit briket ternier (BFD/LDK/LCK), dapat disimpulkan bahwa:

1. Formulasi bahan baku memiliki persebaran ukuran partikel dan kadar air awal yang mendukung kerapatan kompresi briket.
   
   
2. Briket ternier memiliki potensi energi yang tinggi ditunjukkan oleh Fixed Carbon 64,17 % dan unsur Karbon 76,7 %.
   
   
3. Kekuatan mekanis dan fisik tergolong sangat unggul dengan kuat tekan 3,31 MPa dan durabilitas 91,32 %.
   
   
4. Model Machine Learning berhasil diproyeksikan untuk memprediksi nilai HHV secara akurat ($R^2 = 0,8586$).
   
   
5. Tingkat emisi CO dan indikator Slagging Index tergolong aman, menjadikan briket komposit ini layak digunakan sebagai bahan bakar bioenergi berkelanjutan.
   
   

.