Tim MIT Kembangkan Teknik Produksi Pupuk Berskala Kecil dengan Reaktor Elektrokimia

Pengertian Pupuk

Pupuk adalah suatu bahan yang dibutuhkan oleh tanaman. Tujuan pemupukan untuk menopang dan berkembangnya tanaman, memperbaiki kondisi tanah, meningkatkan kesuburan tanah, memberikan nutrisi untuk tanaman, memperbaiki kualitas serta kuantitas tanaman dan memastikan keberhasilan produksi tanaman tersebut [2]. Pupuk di Indonesia diproduksi oleh pabrik-pabrik besar seperti PT Pupuk Kujang, PT Pupuk Kaltim, PT Pupuk Indonesia dan lain-lain menggunakan proses konvensional yaitu Proses Haber-Bosch.

Proses Produksi Amonia: Haber-Bosch

Proses Haber-Bosch adalah proses pembentukan amonia (bahan baku pupuk) dari mereaksikan gas hidrogen (H2) yang berasal dari gas alam dan gas nitrogen (N2) yang berasal dari udara. Karena nitrogen merupakan gas inert, memerlukan kondisi operasi yang cukup ekstrem: tekanan sekitar 200 atm dan suhu 650-800°C [1]. Dengan proses ini, pabrik dapat menghasilkan ribuan ton amonia per hari, tetapi biaya operasional yang dibutuhkan mahal dan menghasilkan gas karbondioksida (CO2) dalam volume besar serta gas karbondioksida (CO2) merupakan penyumbang terbesar emisi gas rumah kaca. [4]

Proses Elektrokimia Haber-Bosch Reaktor

Tim dari MIT yang beranggotakan Nikifar Lazouski, Minju Chung, Kindle Williams, Michal L. Gala dan Karthish Manthiram ini mengembangkan metode pembuatan alternatif yang dapat mengurangi emisi tersebut serta mengembangkan alternatif produksi skala kecil, yang dapat digunakan untuk memproduksi pupuk secara lokal bagi petani di daerah pedesaan yang terpencil, seperti Afrika Sub-Sahara. Pupuk seringkali sulit diperoleh di daerah-daerah seperti itu karena biaya transportasi dari fasilitas manufaktur besar, serta hanya ada sedikit infrastruktur untuk mendistribusikan pupuk, sehingga mahal untuk mendapatkan pupuk di wilayah tersebut. [4]

Tim MIT menemukan bahwa menerapkan tegangan listrik dapat menggeser kesetimbangan reaksi sehingga pembentukan amonia lebih banyak. Mereka mendesain elektroda mirip-jala yang memungkinkan gas nitrogen berdifusi melaluinya dan berinteraksi dengan hidrogen, yang dilarutkan dalam etanol, di permukaan elektroda. [4]

Struktur mesh stainless steel ini dilapisi dengan katalis lithium, diproduksi dengan melapisi ion lithium dari larutan. Gas nitrogen berdifusi ke seluruh jala dan dikonversi menjadi amonia melalui serangkaian langkah reaksi yang dimediasi oleh litium. Pengaturan ini memungkinkan hidrogen dan nitrogen bereaksi dengan laju yang relatif tinggi, meskipun faktanya biasanya tidak terlalu larut dalam cairan apa pun, yang membuatnya lebih sulit untuk bereaksi dengan kecepatan tinggi [4].

Dalam sebagian besar eksperimen, mereka menggunakan gas nitrogen dan hidrogen yang mengalir dari sebuah tabung gas. Namun, mereka juga menunjukkan bahwa mereka dapat menggunakan air sebagai sumber hidrogen, dengan terlebih dahulu mengelektrolisis air dan kemudian mengalirkan hidrogen itu ke dalam reaktor elektrokimia mereka. Tapi, efisiensi reaksi yang dihasilkan dari proses ini hanya sekitar 2 persen, dibandingkan dengan 50 hingga 80 persen untuk reaksi Haber-Bosch [4].

“Kami memiliki reaksi keseluruhan yang akhirnya terlihat menguntungkan, yang merupakan langkah besar ke depan. Tapi kita tahu bahwa masih ada masalah kehilangan energi yang perlu diselesaikan. Itu akan menjadi salah satu hal utama yang ingin kami atasi dalam pekerjaan di masa depan yang akan kami lakukan.”

– Nikifar Lazouski

Selain berfungsi sebagai metode produksi untuk sejumlah pupuk skala kecil, pendekatan ini juga dapat memberikan penyimpanan energi, kata Manthiram. Gagasan ini, yang sekarang sedang dikejar oleh beberapa ilmuwan, menyerukan penggunaan listrik yang dihasilkan oleh angin atau energi matahari untuk menggerakkan generasi amonia. Amonia kemudian dapat berfungsi sebagai bahan bakar cair yang relatif mudah disimpan dan diangkut. [4]

Referensi:

[1] Fauzan. 2019. Pembuatan Amonia Menurut Proses Haber-Bosch. https://www.meongnium.com/2019/08/pembuatan-amonia-menurut-proses-haber-bosch.html (diakses pada 20 Mei 2020)

[2] Kementrian BUMN. 2016. Penjelasan Mengenai Pemupukan dan Fungsinya Bagi Tanaman. http://www.bumn.go.id/pupukindonesia/berita/0-Penjelasan-Mengenai-Pemupukan-dan-Fungsinya-Bagi-Tanaman (diakses pada 20 Mei 2020)

[3] Lazouski, N., Chung, M., Williams, K. et al. 2020. Non-aqueous gas diffusion electrodes for rapid ammonia synthesis from nitrogen and water-splitting-derived hydrogen. Nat Catal 3, 463–469. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0455-8

[4] Trafton, Anne. 2020. Technique could enable cheaper fertilizer production. http://news.mit.edu/2020/cheaper-fertilizer-production-0504 (diakses pada 17 Mei 2020)

[5] United States Environmental Protection Agency. 2020. Overview of Greenhouse Gases. https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases (diakses pada 20 Mei 2020)