lontar.ui.ac.idlontar.ui.ac.id/file?file=digital/20334880-T33016-Silvia Rahmi...lontar.ui.ac.id

UNIVERSITAS INDONESIA

PENYISIHAN AMONIA DARI AIR LIMBAH MENGGUNAKAN GABUNGAN PROSES MEMBRAN

DAN OKSIDASI LANJUT DALAM REAKTOR HIBRIDA OZON-PLASMA MENGGUNAKAN LARUTAN PENYERAP

ASAM SULFAT

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik

SILVIA RAHMI EKASARI 1106029805

UNIVERSITAS INDONESIA

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

DEPOK JANUARI 2013

Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Tesis ini adalah hasil karya saya sendiri,

dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk

telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Silvia Rahmi Ekasari

NPM : 1106029805

Tanda Tangan :

Tanggal : Januari 2013


HALAMAN PENGESAHAN

Tesis ini diajukan oleh Nama : Silvia Rahmi Ekasari NPM : 1106029805 Program Studi : Teknik Kimia Judul Tesis : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Magister pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing I : Prof.Ir.Sutrasno Kartohardjono, MSc.PhD ( )

Pembimbing II : Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA ( )

Penguji I : Dr. Ir. Nelson Saksono, M. T. ( )

Penguji II : Dr. Ing. Donni Adinata, S. T. M. Eng. Sc. ( )

Penguji III : Ir. Amien Raharjo, M. T. ( )

Ditetapkan di : Depok Tanggal : Januari 2013


KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat”. Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Master Teknik Jurusan Teknik Kimia pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan tesis ini, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan tesis ini. Oleh karena itu, penilis mengucapkan terima kasih kepada :

(1) Bapak Prof. Ir. Sutrasno Kartohardjono, M.Sc. Ph.D dan Prof.Dr. Ir. Setijo

Bismo, DEA selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan tesis ini;

(2) Bapak Ir. Mahmud Sudibandriyo, MSc. PhD selaku dosen pembimbing akademik selama masa perkuliahan dan Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen Teknik Kimia FTUI serta Dr.Ir. Nelson Saksono,MT. dan I Dr.Ing. Donni Adinata, ST., M.Eng., Sc. dan Ir. Amien Raharjo, M. T. yang telah memberikan banyak masukan;

(3) Taufan Azwar Zamzami suami tercinta, kedua orang tua Sja’roni, MPdI dan Dra. Fasichatus Sa’niyah serta adik saya M. Hilmi Khoirul Umam yang telah memberikan dukungan baik secara moral maupun material;

(4) Rekan satu penelitian saya, Fanny Rahmalia teman satu bimbingan Samantha Juliana, Hutama Prastika, dan teman-teman S2 Teknik Kimia angkatan 2011 yang telah bersedia berdiskusi dan saling mendukung satu sama lain selama proses kuliah dan penyelesaian tesis ini;

(5) Mbak Tiwi, Mang Ijal, Kang Jajat, Mas Heri dan Mas Taufik atas bantuannya pada saat penulis melakukan penelitian.

Penulis menyadari bahwa dalam proposal tesis ini masih terdapat banyak

kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun sehingga dapat menyempurnakan proposal tesis ini dan melaksanakan perbaikan di masa yang akan datang. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan bagi dunia pendidikan dan ilmu pengetahuan.

Depok, Januari 2013

Penulis


HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akedemik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama : Silvia Rahmi Ekasari NPM : 1106029805 Program Studi : Teknik Kimia Departemen : Teknik Kimia Fakultas : Teknik Jenis Karya : Tesis demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusif Royalty- Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:

Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut

dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalih media/ formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Ditetapkan di : Depok Tanggal: Januari 2013

Yang Menyatakan

(Silvia Rahmi Ekasari)


ABSTRAK

Nama : Silvia Rahmi Ekasari Program Studi : Teknik Kimia Judul : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan

Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis efektivitas penyisihan amonia dengan kombinasi proses absorbsi dalam membran dan oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibridaozon plasma. Serta mengetahui pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor membran menggunakan larutan penyerap asam sulfat (H2SO4). Variabel proses pada proses penyisihan amonia menggunakan membran adalah laju alir umpan (3, 4, 5 LPM), pH larutan umpan (10, 11, 12), temperatur umpan (20, 30, 40oC) dan jumlah serat membran (50, 60, 70 serat). Penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma dapat meningkatkan jumlah amonia yang akan disisihkan oleh kontaktor membran. Konfigurasi gabungan absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut dalam RHOP dapat meningkatkan penyisihan amonia menjadi 81,3% dengan konsentrasi amonia tersisa 149.568 ppm sedangkan pada proses tunggal membran yang hanya dapat menyisihkan amonia sebesar 63,9 %. Kodisi operasi optimum dalam penelitian ini diperoleh pada temperatur 400C, pH 11 dan jumlah serat membran 70. Kata kunci: amonia,larutan penyerap asam sulfat, membran, oksidasi lanjut, ozon, danreaktor hibrida ozon-plasma


ABSTRACT

Name : Silvia Rahmi Ekasari Study Programme : Chemical Engineering Title : Ammonia Removal from Wastewater Through a

Combination of Membrane Process and Advanced Oxidation Process in a Ozone-Plasma Hybrid Reactor with Sulfuric Acid Solution as Absorbent.

In this experiment liquid waste ammonia will be removedby combination of the absorption process in the membrane and advanced oxidation using RHOP (ozone-plasma hybrid reactor). The effect addition of advanced oxidation processes in RHOP for ammonia removal process in the membrane contactor using absorbent solution of sulfuric acid (H2SO4). Process variables on ammonia removal process using membranes is feed flow rate (3, 4, 5 LPM), the pH of feed solution (10, 11, 12), feed temperature (20, 30, 40 °C) and the amount of fiber membrane (50, 60, 70 fibers). The addition of advanced oxidation processes in a hybrid ozone plasma reactor can increasing the amount of ammonia that will be set aside by the membrane contactor. Configuring the combined absorption in the membrane and advanced oxidation processes in RHOP can increase ammonia removal to 81.3 % with concentrations149.568 ppm, compared with the single membrane process that can only be set aside ammonia by 63,9 %. Optimum operation in this study were obtained at a temperature of 400C, pH 11, and the number of fibers 70. Keywords : absorbent solution of sulfuric acid, amonia, membrane, advanced oxidation, ozone, and ozone-plasma hybrid reactor


DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................................. i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ................................................................ ii

HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................................. iii

KATA PENGANTAR .......................................................................................................... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR.. .......... v

ABSTRAK ............................................................................................................................. vi

DAFTAR ISI ......................................................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................ xi

DAFTAR TABEL ................................................................................................................. xiii

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ................................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah .......................................................................................... 3

1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................................ 3

1.4 Batasan Masalah ............................................................................................ 3

1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 5

2.1 Amonia ........................................................................................................... 5

2.1.1 Sifat Amonia .......................................................................................... 5

2.1.2 Kesetimbangan Amonia dan Ammonium dalam Air ............................. 7

2.2 Kontaktor Membran ....................................................................................... 8

2.2.1 Kontaktor Membran Serat Berongga ..................................................... 9

2.2.2 Membran Polivinil Klorida .................................................................... 11

2.2.3 Pelarut Asam Sulfat……………………………………………………. 12

2.2.4 Aplikasi Penggunaan Membran Serat Berongga untuk Penyisihan

Amonia dengan Pelarut Asam Sulfat………………………………….. 13

2.3 Advanced Oxidation Process .......................................................................... 14

2.3.1 Teknologi Plasma .................................................................................. 15

2.3.2 Ozon ...................................................................................................... 18


2.3.3 Aplikasi Penggunaan Reaktor Hibrida Ozon-Plasma untuk Penyisihan

Amonia……………………………………………………….............. 20

2.4 Penelitian yang Sudah Dilakukan ................................................................... 21

BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................................... 27

3.1 Sasaran Penelitian .......................................................................................... 27

3.2 Tahapan Penelitian ........................................................................................ 27

3.3 Set up Peralatan dan Bahan Penelitian ........................................................... 28

3.3.1 Peralatan yang Digunakan ..................................................................... 28

3.3.2 Bahan yang Digunakan .......................................................................... 29

3.4 Prosedur Penelitian ......................................................................................... 30

3.4.1 Uji Plasma dan Ozon ............................................................................. 30

3.4.1.1 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Plasma Ozon ................. 30

3.4.1.2 Uji Kinerja Reaktor Hibrida Plasma Ozon ................................ 31

3.4.2 Uji Perpindahan Massa .......................................................................... 33

3.4.2.1 Proses Membran ........................................................................ 33

3.4.2.2 Proses Hibrida Plasma dan Ozon............................................... 34

3.4.2.3 Proses Gabungan Reaktor Hibrida Plasma Ozon dan Membran ....... 35

3.5 Pengolahan dan Analisis Data ........................................................................ 36

3.5.1 Persen Penyisihan Ammonia (% R) ...................................................... 37

3.5.2 Menghitung Koefisien Perpindahan Massa ........................................... 37

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................... 39

4.1 Penyisihan Amonia Terlarut dalam Limbah Sitetis ........................................ 39

4.1.1 Proses Penyisihan dalam RHOP…………………………………......... 39

4.1.2 Proses Penyisihan dalam RHOP-Ozon .................................................. 41

4.1.3 Proses Penyisihan dalam Membran ....................................................... 43

4.1.3.1 Pengaruh Laju Alir Umpan ....................................................... 43

4.1.3.2 Pengaruh Temperatur Umpan .................................................... 44

4.1.4 Proses Penyisihan dalam Membran-RHOP dan Gabungan Membran-

RHOP-Ozon ......................................................................................... 45

4.1.4.1 Pengaruh Temperatur Umpan .................................................... 45

4.1.4.2 Pengaruh pH Umpan ................................................................. 47

4.1.4.3 Pengaruh Serat Membran .......................................................... 49


4.1.5 Perbandingan dengan Referensi ............................................................ 51

4.2 Studi Perpindahan Massa ............................................................................... 52

4.2.1 Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Perpindahan Massa ................. 53

4.2.2 Pengaruh pH Umpan terhadap Perpindahan Massa .............................. 55

4.2.3 Pengaruh Laju Alir Umpan dan Jumlah Serat Membran terhadap

Perpindahan Massa ................................................................................ 58

BAB V SIMPULAN DAN SARAN ..................................................................................... 63

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................... xiv

LAMPIRAN 1 DATA PENGAMATAN

LAMPIRAN 2 PENGOLAHAN DATA

LAMPIRAN 3 GAMBAR ALAT


DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Struktur Kimia Amonia ................................................................................. 6

Gambar 2.2 Pengaruh pH pada Distribusi Amonia dan Ammonium Dalam Air .............. 7

Gambar 2.3 Membran Serat Berongga ............................................................................... 10

Gambar 2.4 Foto SEM Membran Serat Berongga PVC .................................................... 12

Gambar 2.5 Representasi Skematis dari Transportasi selama Pemisahan NH3 dari Air ... 13

Gambar 2.6 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran .......................................... 14

Gambar 2.7 Transisi Perubahan Fasa ................................................................................. 16

Gambar 3.1 Bagan Alir Penelitian ..................................................................................... 28

Gambar 3.2 Rangkaian Alat Peralatan Reaktor Hibrida Plasma Ozon .............................. 31

Gambar 3.3 Skema Uji Produktivitas Ozonator ................................................................. 32

Gambar 3.4 Skema Peralatan Proses Membran ................................................................ 34

Gambar 3.5 Skema Peralatan Proses Plasma .................................................................... 35

Gambar 3.6 Skema Peralatan Proses Gabungan Reaktor Hibrida Plasma Ozon dan Membran.... 35

Gambar 3.7 Skema Peralatan Proses Membran untuk Penurunan Rumus Koefisien Perpindahan Massa. ......................................................................................... 36

Gambar 4.1 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP ..................................................... 41

Gambar 4.2 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP-Ozon ............................................ 42

Gambar 4.3 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Laju Alir Umpan ....... 43

Gambar 4.4 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Temperatur

Umpan……………..……………………..………..……………………….. 44

Gambar 4.5 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran-RHOP-Ozon .................... 45

Gambar 4.6 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Temperatur… 46

Gambar 4.7 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur

Umpan………………………………………………………………………… 47

Gambar 4.8 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi pH Umpan… 48

Gambar 4.9 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi pH

Umpan……………………………………………………………………… 48

Gambar 4.10 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Serat Membran49

Gambar 4.11 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi Serat

Membran…………………………………………………………………… 50


Gambar 4.12 Nilai %R pada berbagai Macam Proses Selama Selang Waktu 2 Jam…….50

Gambar 4.13 Perbandingan Penurunan Konsentrasi Hasil Penelitian dengan Referensi…51

Gambar 4.14 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..54

Gambar 4.15 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan

Membran-RHOP Variasi Temperatur……………………. ……………….. 54


Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur……………………………….. 55


Membran-RHOP Variasi pH……………………………………………….. 57


Membran-RHOP-Ozon Variasi pH………………………………………… 57

Gambar 4.19 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..58


Membran-RHOP Variasi Serat Membran………………………………….. 59


Membran-RHOP-Ozon Variasi Serat Membran……………..…………….. 60

Gambar 4.22 Koefisien Perpindahan Massa pada (a) Proses Membran Variasi Laju Alir

(b)Proses Gabungan Membran-RHOP dan (c)Proses Gabungan Membran-

RHOP-Ozon Variasi Jumlah Serat…………………………………………. 61

Gambar 4.23. Perbandingan Konfigurasi Proses Membran, Membran-RHOP dan Membran-

RHOP-Ozon pada kondisi operasi suhu 300C dan pada kondisi operasi suhu

400C………………………………………………………………………… 62


DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisik Amonia ...................................................................................... 6

Tabel 2.2 Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air ....................................................... 14

Tabel 2.3 Penelitian yang Telah Dilakukan terkait Penggunaan Membran untuk Proses

Penyisihan Amonia……………………………………………………………. 21

Tabel 2.4 Penelitian yang Telah Dilakukan terkait Proses Oksidasi Lanjut…………… 24

Tabel 3.1 Rincian Alat yang Digunakan dalam Penelitian…………………………………29

Tabel 3.2 Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ………………………………………..29

Tabel 4.1 Kondisi Operasi antara Hasil Penelitian dan Referensi………………………….51


BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Permasalahan yang timbul akibat proses industrialisasi adalah meningkatnya

limbah pencemar yang berbahaya bagi lingkungan. Salah satu senyawa yang

dihasilkan proses industri yang dapat menyebabkan pencemaran terhadap lingkungan

adalah amonia (El-Bourawi dkk., 2007). Kadar amonia dalam effluent limbah harus

diminimalisir karena sangat beracun untuk spesies ikan dan oleh lingkungan amonia

akan dibio-dioksidasi oleh mikroorganisme nitrifikasi menjadi nitrit dan nitrat yang

berbahaya bagi manusia. Limbah dengan kadar amonia yang tinggi biasanya hadir

terdapat dalam air limbah industri penyamakan kulit, tekstil, lindi TPA, pupuk

(Hasanouglu, Romero dkk., 2010), pengolahan minyak bumi, farmasi dan industri

katalis (Ashrafizadeh dkk., 2010). Oleh karena itu diperlukan suatu metode yang tepat

dan efektif untuk pengolahan limbah yang mengandung amonia agar kualitas limbah

tersebut memenuhi baku mutu lingkungan yang telah ditetapkan serta tidak berbahaya

terhadap lingkungan yaitu melalui proses separasi.

Proses separasi dilakukan untuk memisahkan amonia dari limbah cair yang

dihasilkan dari suatu produksi. Proses separasi yang selama ini digunakan untuk

menghilangkan amonia dapat berupa amonia stripping, biological nitrification-

denitrification, ion exchange, chemical precipitation, breakpoint klorinasi dan

biological treatment (Li Huang, 2008). Aplikasi proses pemisahan amonia tergantung

dari beberapa faktor yaitu tingkat kontaminasi, keamanan sistem, ketersediaan sumber

pemanas dan bahan kimia (Xie, Duong dkk., 2009). Masing-masing teknologi

konvensional ini memiliki kekurangan dan membutuhkan biaya yang mahal (Bonmati

dkk., 2003).

Disamping metode konvensional tersebut, terdapat cara baru yang sedang

dikembangkan yang memiliki kelebihan dibandingkan cara separasi biasa adalah

dengan menggunakan teknologi membran, karena dengan menggunakan teknologi

membran terdapat luas permukaan yang lebih luas untuk kontak antara larutan umpan

dan larutan penyerap sehingga hanya membutuhkan energi yang lebih kecil untuk

setiap mol amonia yang terserap (Hasanouglu dkk., 2010). Membran disini berfungsi


sebagai kontaktor yang merupakan media tempat berkontak antara larutan penyerap

dengan amonia. Dalam penelitian ini pelarut yang digunakan adalah asam sulfat

karena asam sulfat merupakan senyawa asam yang bersifat reaktif terhadap amonia

yang bersifat basa, sehingga diharapkan amonia yang terpisahkan dari selongsong

akan bereaksi dengan asam sulfat yang berada dalam serat membran membentuk

ammonium sulfat yang dapat digunakan sebagai pereaksi bahan kimia atau

penggunaan lainnya. Dalam proses pemisahan amonia dari air melalui membran,

perbedaan konsentrasi dan tekanan parsial antara kedua fasa cair memberikan gaya

penggerak untuk perpindahan secara difusi melalui membran tersebut (Gabelman,

1999).

Selanjutnya yang menjadi permasalahan dalam penggunaan kontaktor

membran adalah amonia dalam larutan air limbah berada dalam dua kondisi yaitu

molekul ammonia yang mudah menguap NH3 dan kation NH4+ (Tan dkk., 2006;

Hasanouglu dkk., 2010). Hanya molekul amonia yang mudah menguap NH3 yang

dapat terdifusi dan akan terserap dalam larutan penyerap sehingga harus ditemukan

metode untuk memperbesar jumlah komponen molekul amonia yang mudah menguap

(El-Bourawi dkk., 2007).

Salah satu proses untuk tujuan tersebut adalah menggabungkan dengan proses

oksidasi lanjut. Proses oksidasi yang selama ini dikembangkan adalah dengan non

thermal plasma (NTP) menggunakan tegangan tinggi di serat seperti elektroda untuk

akan menyebabkan ionisasi gas menghasilkan sebuah jet plasma yang dapat

menghasilkan sinar UV, ozon, dan radikal hidroksil (Locke, 2006). NTP dianggap

sangat efisien karena sedikit energi yang hilang dalam pemanasan cairan sekitarnya,

yang memungkinkan energi akan difokuskan pada eksitasi elektron (Gerrity dkk.,

2009). Proses oksidasi lanjut yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah dengan

gabungan teknologi plasma dengan proses ozonasi pada fasa liquid.

Penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma dapat

menghasilkan ion OH- yang dapat menggeser reaksi kesetimbangan atau menghasilkan

radikal OH• yang dapat membantu proses degradasi amonia. Reaktor hibrida ozon

plasma yang digunakan untuk proses oksidasi lanjut dirancang untuk menghasilkan

plasma berbentuk shell and tube yang terbuat dari kaca borosilikat dan diluarnya

diselubungi dengan elektroda yang terbuat dari stainless steel berbentuk batang dan

kasa.


Dari beberapa latar belakang diatas, keunggulan dari perancangan sistem

pengolahan limbah yang akan dilakukan adalah meningkatkan efektivitas penyisihan

amonia dalam membran dengan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida

ozon plasma, serta mengetahui pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam

reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor

membran. Metode ini belum pernah dilakukan sebelumnya, untuk itu diperlukan

penelitian lebih lanjut.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang diatas rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:

1. Bagaimana kemampuan pelarut asam sulfat dalam penyisihan amonia dari

air limbah dengan menggunakan teknologi membran.

2. Bagaimana pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor

hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor

membran.

3. Bagaimana kombinasi teknologi proses absorbsi dalam membran dan proses

oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida ozon plasma untuk

menghilangkan amonia dalam air limbah serta bagaimana efektivitasnya.

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang dan menganalisis

efektivitas kombinasi proses absorbsi dalam membran dan oksidasi lanjut

menggunakan reaktor hibrida ozon plasma. Serta mengetahui pengaruh penambahan

proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan

amonia dalam kontaktor membran menggunakan larutan penyerap asam sulfat

(H2SO4).

1.4 Batasan Masalah

Penelitian ini merupakan suatu usaha untuk meningkatkan efektivitas penyisihan

amonia dalam membran dengan penggabungan proses oksidasi lanjut dalam reaktor

hibrida ozon plasma. Dengan penambahan proses oksidasi lanjut, diharapkan proses

penyisihan amonia lebih sempurna dan menghasilkan produk yang ramah lingkungan

dan aman. Dalam penelitian ini, pembahasan dilakukan dengan batasan-batasan

sebagai berikut:


1. Air limbah yang digunakan sebagai umpan adalah air limbah sintetik amonia

800 ppm yang bebas partikel pengotor.

2. Membran yang digunakan adalah membran serat berongga dari polimer

polivinil chlorida (PVC) yang bersifat hidrofobik.

3. Larutan penyerap yang digunakan adalah larutan H2SO4.

4. Reaktor hibrida ozon plasma yang digunakan merupakan hasil rancang bangun

peneliti di Laboratorium Intensifikasi Proses dengan tegangan ±9300 V.

5. Variabel tetap yang digunakan adalah peralatan yang sama untuk membran,

plasma, dan ozonator.

6. Variabel yang divariasikan adalah temperatur, pH larutan umpan, laju alir

umpan dan jumlah serat membran.

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tesis ini terdiri dari lima bab, yaitu:

BAB I PENDAHULUAN

Menjelaskan latar belakang, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan

masalah

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Bab Tinjauan Pustaka merupakan bagian yang memuat landasan teori dan yang

menjadi acuan penulis untuk melakukan penelitian dan pembahasan mengenai

hasil penelitian.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Menampilkan tahapan penelitian yang akan dilakukan, diagram alir prosedur

penelitian, skema rangkaian alat, tahapan operasi dan studi perpindahan massa.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisi analisis dan pembahasan dari hasil penelitian berupa data yang diperoleh.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisi kesimpulan dari analisis dan pembahasan dari hasil penelitian

yang dilakukan.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pada tinjauan pustaka ini berisi landasan teori umum yang digunakan untuk

menjelaskan masalah yang akan dibahas penulis untuk melakukan penelitian

diantaranya, teori tentang amonia meliputi baku mutu limbah amonia serta

kesetimbangan amonia dalam air, penyisihan amonia dengan teknologi membran,

pelarut asam sulfat, definisi proses oksidasi lanjut menggunakan plasma dan ozon,

serta kelebihan teknologi penyisihan amonia dengan menggunakan proses absorbsi

dalam membran dan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida plasma-ozon.

2.1 Amonia

Amonia (NH3) adalah gas atau cairan tak berwarna yang memiliki bau yang

berbeda. Amonia merupakan kontaminan yang umum di tanah maupun air limbah.

Konsentrasi NH3-N dapat bervariasi dari 5 sampai 1000mg / L dalam air limbah

industri kokas, pupuk kimia, gasifikasi batubara, pemurnian minyak bumi, farmasi dan

industri katalis (AtkinsJr dkk., 1997). Amonia hadir dalam konsentrasi rendah dan

jumlah debit mungkin rendah. Namun, amonia yang terlarut dalam air limbah tidak

dapat diuapkan karena gas amonia akan menyebabkan masalah lingkungan yang serius

(Bhattacharya, 2011).

2.1.1 Sifat Amonia

Dalam keadaan terlarut, amonia ada dalam dua bentuk. Salah satunya adalah

gas beracun amonia (NH3) dan yang lainnya adalah ion amonium kurang berbahaya

(NH4+). Komposisi tersebut konstituen tergantung pada pH dan temperatur. Amonia

beracun berbahaya bagi kehidupan air , dalam konsentrasi terendah 0,01 ppm memiliki

efek negatif pada ikan, sedangkan 0,1 ppm dapat mematikan bagi beberapa spesies

lain (Bhattacharya, 2011). Gas amonia sedikit lebih ringan dari udara dan amonia

dalam amonium hidroksida sangat mungkin menjadi udara. Kisaran ambang batas bau

adalah 5-17 ppm.

Amonia dalam bentuk cairan atau gas dapat menyebabkan iritasi parah

dan/atau luka bakar pada mata, hidung, tenggorokan dan kulit. Amonia memiliki

ambang batas bau dari 5 -17 ppm (yang lebih rendah dari batas eksposur). Amonia


dalam konsentrasi tinggi dapat menyebabkan cedera permanen pada mata, kerusakan

yang luas pada tenggorokan dan saluran pernapasan bagian atas, dan dapat

mempengaruhi kerja jantung. Gas amonia anhidrat mudah meledak pada konsentrasi

16-25 % volume di udara. Selain itu amonia juga bersifat korosif.

.

Gambar 2.1 Struktur kimia Amonia

Dari OR-OSHA diketahui Permissible Exposure Limit (PEL) untuk NH3

adalah 25 ppm selama delapan jam untuk Time Weighted Average (TWA). Sedngkan

The American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH)

merekomendasikan delapan jam TWA dengan konsentrasi 25 ppm, batasan ambang

batas ini untuk mengendalikan potensi bahaya amonia terhadap kesehatan. ACGIH

juga merekomendasikan Short Term Exposure Limit (STEL) 35 ppm selama rata-rata

15 menit. Tabel 2.1. Sifat-Sifat Amonia (Putri , 2010)

Sifat Fisika Amonia Nilai

Massa jenis dan fase

Kelarutan dalam air

Titik lebur

Temperatur autosolutan

Titik didih

Keasaman (PKa)

Kebasaan (PKb)

0,6942 g/L, gas

89,9 g/100 ml pada 0°C

-77,73 °C (195,42 K)

651°C

-33,34 °C (239,81 K)

9,25

4,75

The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) juga telah

menetapkan Recommended Exposure Limit (REL) 25 ppm dengan waktu paparan 10

jam selama seminggu (dengan jam kerja 40 jam per minggu). Mereka juga

menyarankan konsentrasi amonia yang terpapar tidak lebih dari 35 ppm STEL (OR-


OSHA, 2009). Sedangkan berdasarkan peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup

nomor 19 tahun 2010 adalah sebesar 10 mg/l. Amonia memiliki sifat-sifat seperti yang

tertera pada tabel 2.1.

2.1.2 Kesetimbangan Amonia dan Amonium dalam Air

Amonia tidak terionisasi dan memiliki rumus kimia NH3, sedangkan

ammonium terionisasi dengan rumus kimia NH4+. Faktor utama untuk menentukan

perbandingan ammonium dan amonia dalam air adalah pH. Aktivitas amonia dalam air

dipengaruhi oleh Temperatur dan kekuatan ion. Amonia sangat beracun untuk

organisme yang hidup didalam air. Sedangkan ammonium tidak terlalu berbahaya.

Pada suhu dan tekanan yang normal, ion NH4+ dan NH3 membentuk suatu

kesetimbangan dengan reaksi sebagai berikut (El-Bourawi, 2007):

(2.1)

Distribusi NH3 dan NH4+ dalam air dipengaruhi oleh pH dan temperatur.

Pengaruh pH dan temperatur pada distribusi NH3 dan NH4+ dalam air ditunjukkan

pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Pengaruh pH dan Temperatur pada Distribusi Amonia dan Ammonium dalam

Air (Viljoen, 2001)

Dari gambar 2.2 dapat diketahui persentase gas terlarut akan naik seiring

dengan bertambahnya pH dan suhu. Dimana suhu dan pH merupakan salah satu faktor

penting dalam penghilangan amonia.


2.2 Teknologi Membran

Sejak tahun 1990-an, proses berbasis membran telah diakui sebagai proses

separasi yang baik untuk perbedaan konsentrasi sangat tinggi antar-fase dan

memberikan kemudahan untuk mengontrol kondisi operasi. Studi tentang membran,

banyak dikembangkan terutama untuk penghapusan komponen volatile dari air atau air

limbah. Komponen yang ingin dihilangkan dari modul membran dengan cara menyapu

gas, atau menggunakan beberapa pelarut, yang dapat bereaksi sangat cepat dengan

komponen yang ingin dihilangkan (Ding dkk.,2006).

Teknologi membran tidak menawarkan selektivitas untuk spesies tertentu,

tetapi hanya bertindak sebagai penghalang antara fasa yang terlibat, dengan

memungkinkan kontak di antara mereka. Dua fasa terpisah oleh membran, dimana

tidak ada pencampuran dari mereka dan tidak ada fenomena dispersi. Spesies

ditransfer dari satu fasa ke fasa lain hanya dengan difusi saja. Membran yang

digunakan biasanya mikroporous dan simetris, baik hidrofobik maupun hidrofilik

(Drioli dkk., 2006).

Aplikasi teknologi membran tidak meningkatkan transfer massa melainkan

meningkatkan luas area per volume seperti dapat ditemukan dalam serat berongga dan

modulus kapiler, oleh karena itu proses ini menjadi lebih menarik daripada kontaktor

fasa terdispersi konvensional. Sebagai contoh packed and tray coloumn memiliki luas

area per volume sekitar 30-300 m2/m3, tetapi dengan kontaktor membran, luas area per

volumenya dapat mencapai 1600-6600 m2/m3. Pada kontaktor membran G-L satu fasa

adalah gas atau uap dan fasa lainnya adalah cairan sedangkan pada kontaktor L-L

kedua fasanya adalah cairan. Kontaktor G-L dapat membagi proses dimana gas atau

uap yang dipindahkan dari fasa gas ke fasa cair dan uap atau gas yang dipindahkan

dari fasa cair ke fasa gas (Mulder, 2000).

Aspek-aspek positif kontaktor membran adalah sebagai berikut antara lain

daerah interfasial yang tinggi pada volume yang kecil, tidak ada dispersi antara fasa-

fasa, tidak perlu bekerja dengan cairan yang berbeda densitas, tidak ada flooding,

loading, dan foaming, laju alir operasi dengan rentang yang luas, temperatur operasi

yang lebih rendah jika dibandingkan dengan proses distilasi, campuran azeotropik

dapat lebih mudah dipisahkan daripada dalam unit konvensional, reaksi dan


pemisahan berlangsung serentak. fleksibel, mudah dalam scale-up, kontrol dan

otomatisasi.

Sedangkan aspek-aspek negatif membran kontaktor adalah seperti di bawah ini

umur hidup membran terbatas, adanya fouling membran sehingga diperlukan

pretreatment, stabilitas pelarut, umur hidup, dan selektivitas carrier dalam mendukung

membran cair terbatas (Drioli dkk., 2009).

Perpindahan massa antar fasa pada kontaktor membran didorong oleh adanya

perbedaan konsentrasi komponen antar fasa dan penurunan tekanan yang diperlukan

untuk menahan interfasa antar fluida yang sangat kecil. Pada proses kontak antar

fluida melalui membran, langkah-langkah yang terjadi adalah (Kartohardjono dkk.,

2010):

1. Perpindahan massa komponen dari fluida umpan ke membran.

2. Difusi massa tersebut melewati membran.

3. Perpindahan massa dari membran ke fluida lainnya.

2.2.1 Kontaktor Membran Serat Berongga (Hollow Fiber Membrane Contactor-

HMFC)

Serat berongga telah digunakan sejak tahun 1960-an dalam berbagai macam

aplikasi seperti reverse osmosis, ultrafiltrasi, pemisahan gas membran, organ buatan,

dan tujuan medis lainnya (Khulbe, 2008). Fungsi utama membran dalam kontaktor

membran serat berongga adalah untuk menciptakan luas permukaan kontak yang

sangat besar di dalam modul sehingga proses perpindahan massa yang terjadi akan

lebih efisien. Selain itu membran serat berongga juga digunakan untuk membuat fasa

kontak gas cair pada pori membran tidak bergerak dengan kombinasi efek tegangan

permukaan dan perbedaan tekanan pada tiap fasa.

Perbedaan antara modul kapiler dan modul serat berongga adalah dalam

masalah dimensi, sedangkan konsep modulnya sama. Modul serat berongga

berkonfigurasi dengan densitas packing yang paling tinggi, yang dapat mencapai nilai

30.000 m2/m3. Modul ini digunakan jika aliran umpan relatif bersih, seperti dalam

pemisahan gas dan pervaporasi. Selain itu juga digunakan dalam desalinasi air laut,

dan aliran umpan yang relatif bersih lainnya (Mulder, 2000).


Gambar 2.3. Membran Serat Berongga (Gabelman and Hwang, 1999)

Modul serat berongga memiliki karakteristik yang berbeda dari modul tubular,

diantaranya yaitu:

• Modul serat berongga direkomendasikan untuk beroperasi dengan bilangan

Reynolds pada rentang 500-3000, kebanyakan berjalan pada wilayah aliran

laminer, level tekanan rendah dengan nilai maksimum 2,5 bar.

• Karena kombinasi aliran silang dengan laju alir yang rendah dan penurunan

tekanan rendah, modul serat berongga adalah salah satu modul yang lebih

ekonomis dalam hal konsumsi energi.

• Modul serat berongga memiliki rasio area permukaan terhadap volume yang

paling tinggi dibandingkan dengan tiga konfigurasi modul lainnya yaitu modul

tubular, modul lembaran datar, dan modul spiral.

• Kelemahan modul serat berongga adalah serat tipis mereka rentan untuk

diblokir oleh umpan dengan partikel besar, jika mereka beroperasi dalam mode

inside-out. Oleh karena itu pretreatment untuk mengurangi ukuran partikel

menjadi 100 µm biasanya diperlukan untuk modul ini (Cui, 2010).

Serat berongga juga menghasilkan fleksibilitas dalam desain modulus dan

alternatif umpan dan geometri aliran produk. Umpan dan permeate dapat mengalir

dengan mudah dalam orientasi co-current, counter current, atau crossflow

sebagaimana yang diinginkan untuk aplikasi tertentu (Peinemann, 2006).

2.2.2 Membran Serat Polivinil Klorida

Polivinil klorida (CH2=CHCl) biasa disingkat menjadi PVC adalah polimer

termoplastik dimana pada suhu tinggi akan meleleh tetapi akan mengeras kembali jika


didinginkan. Jika ditinjau dari segi kestabilan, senyawa ini sangat stabil karena

berbentuk polimer sehingga fasanya berbentuk padatan yang keras sehingga

hampir tidak berpengaruh (tidak bereaksi) terhadap kehadiran oksidator kuat.

Dari segi keamanan, senyawa ini hampir tidak berbahaya dan mengganggu

lingkungan karena tidak berpotensi mencemari udara, air maupun tanah (Irawan,

2010).

PVC merupakan bahan membran yang terkemuka karena biaya yang rendah,

sifat fisik dan kimia serta sifat mekaniknya yang sangat baik (Xu and Xu 2002).

Gambar struktur membran serat berongga PVC dapat dilihat pada gambar di bawah

ini:

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 2.4 Foto SEM Membran Serat Berongga PVC (a) pembesaran 70X (b) pembesaran

200 X (c) pembesaran 800X (d) pembesaran 10000X

PVC dipilih sebagai bahan serat membran karena memiliki struktur asimetris

ganda, yang berarti bahwa serat berongga memiliki permukaan bagian dalam dan

luar. Struktur asimetris ganda ini memberikan sebuah stabilitas mekanik yang

lebih tinggi pada serat dibandingkan dengan membran serat berongga anisotropik

konvensional. Keunggulan selanjutnya adalah tidak ada resiko penyumbatan pori


membran ketika dilakukan backwashing dengan tekanan yang lebih tinggi dari sisi

permeat (Guo 2009). Selain itu PVC juga tahan terhadap asam, basa, dan hampir

semua bahan kimia anorganik. Meskipun PVC larut dalam hidrokarbon aromatik,

keton, dan eter siklik, PVC sulit untuk larut dalam pelarut organik lainnya (Vinyl

dkk., 2012).

2.2.3 Pelarut Asam Sulfat

Pelarut yang digunakan dalam proses pemisahan amonia ini adalah asam sulfat

karena asam sulfat merupakan senyawa asam yang bersifat reaktif terhadap amonia

yang bersifat basa, sehingga diharapkan amonia yang terpisahkan dari selongsong

akan bereaksi dengan asam sulfat yang berada dalam serat membran membentuk

ammonium sulfat yang dapat digunakan sebagai pereaksi bahan kimia atau

penggunaan lainnya. Di samping itu asam sulfat merupakan asam kuat yang dalam air

akan terionisasi sempurna sehingga tidak akan melewati membran dan berpindah ke

selongsong yang mengandung amonia. Di samping itu asam sulfat lebih cocok

digunakan dengan membran PVC dibandingkan asam lainnya karena tidak bersifat

oksidator kuat yang dapat merusak membran PVC.

Pada proses absorbsi pemilihan larutan penyerap akan mempengaruhi proses

absorbsi. dipengaruhi oleh konsentrasi larutan penyerap asam sulfat yang digunakan

(Jiahui,dkk., 2008) pada kondisi laju alir dan jumlah serat yang sama, efisiensi pemisahan

ammonia dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi larutan penyerap asam

sulfat yang digunakan.

2.2.4 Aplikasi Penggunaan Membran Serat Berongga untuk Penyisihan

Amonia dengan Pelarut Asam Sulfat

Gambar. 2.5 adalah representasi skematis dari transportasi selama pemisahan

NH3 dari air. Larutan umpan yang mengandung NH3 diasumsikan mengalir melalui

shell HFMC dan larutan asam sulfat (H2SO4) mengalir secara counter-current di sisi

lumen dan digunakan sebagai larutan penyerap. Kedua larutan akan disirkulasikan

kembali ke wadah masing-masing. Seperti digambarkan dalam gambar, molekul NH3

mendesorpsi dari air di pori antarmuka air dan larut ke dalam matriks polimer. selama

difusi dalam pori-pori membran, molekul teradsorpsi oleh dinding pori. Selanjutnya,


mereka mendesorpsi di sisi shell dan terserap dan bereaksi oleh penyerap tersebut

(Bhattacharya dkk., 2012).

Gambar 2.5 Representasi Skematis dari Transportasi selama Pemisahan NH3 dari Air

(Bhattacharya dkk., 2012)

Proses absorbsi amonia dalam membran kontaktor,ditransfer oleh proses

konveksi dan difusi dari umpan terhadap antarmuka umpan-membran. Pada serat

dinding (jari-jari dalam serat berongga), amonia volatile akan melewati pori-pori

membran yang diisi oleh gas. Amonia kemudian berdifusi pori-pori HFMC, dan

ditransfer ke dalam larutan penyerap. Pada antarmuka shell-membran, amonia segera

bereaksi dengan larutan penyerap dan membentuk senyawa nonvolatil. Di sisi lain, air

tidak dapat melalui serat hidrofobik dari HFMC. Prinsip penyisihan amonia melalui

HFMC dapat ditunjukkan pada Gambar 2.6. (Ashrafizadeh dkk., 2012)

Gambar 2.6 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran (Ashrafizadeh dkk., 2012)


2.3 Advance Oxidation Processes (AOPs)

Proses oksidasi lanjut merupakan suatu proses yang digunakan untuk

mengoksidasi senyawa organik dalam air. Proses ini dapat digunakan untuk

menyisihkan senyawa organik yang berkonsentrasi rendah sampai tinggi dari sumber

yang beragam seperti air tanah, limbah rumah tangga dan industri, destruksi sludge,

dan pengendalian senyawa organik yang mudah menguap. (M. B. Ray,2007).

AOPs dapat dilakukan dalam beberapa kondisi yang berbeda, yaitu ozon/UV,

ozon/H2O2, ozon/UV/H2O2, H2O2/UV dan ozon pada pH tinggi. Fotolisis UV yang

dikombinasikan dengan hidrogen peroksida merupakan salah satu teknologi terbaik

dan yang paling mungkin dilakukan untuk mendegradasi dan menghilangkan organik

berbahaya dari air, hal ini. Oksidasi terjadi melalui tiga proses, yaitu : (1)Abstraksi

hidrogen; (2) Transfer elektron; dan (3) Pembentukan radikal (Masten and Davies,

1994). Tabel 2.2. Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air (Lukes, 2005)

Spesi aktif Potensial oksidasi

OH• O• O3

H2O2 O2H• Cl2

2.80 2.42 2.07 1.78 1.70 1.36

Proses oksidasi pada kondisi ringan oleh spesi reaktif seperti radikal hidroksil

yang dihasilkan oleh radiasi ultra violet (UV) dalam reaksi antara oksidan yang ada

yaitu ozon dan hidrogen peroksida, hal ini yang kemudian disebut sebagai Advanced

Oxidation Processes (AOPs). AOPs merupakan teknologi alternatif yang sangat

menarik untuk dipelajari dalam penghancuran kontaminan-kontaminan organik yang

berbahaya (Alnaizy and Akgerman, 2000).

Banyaknya reaksi fisika dan kimia yang dihasilkan oleh proses oksidasi,

membuat teknologi ini dapat menjadi solusi beberapa proses yang dibutuhkan dalam

pengolahan air limbah. Dan yang paling penting dalam proses oksidasi lanjut adalah

banyak dihasilkan spesies aktif seperti OH• , O• , H• , dan H2O2 yang beberapa


oksidan kuat yang dapat mengoksidasi berbagai senyawa organik sekaligus

membunuh bakteri.

2.3.1 Teknologi Plasma

Plasma merupakan keadaan gas kompleks suatu zat, terdiri dari radikal bebas,

elektron, foton, ion, dan lain-lain. Plasma dapat dihasilkan oleh debit listrik yang terus

menerus baik dalam gas inert atau gas reaktif. Untuk aplikasi membran, plasma dapat

digunakan untuk meningkatkan karakteristik membran berpori dan polimer film untuk

pemisahan gas (Peinemann, 2006).

Teknologi yang kemudian diperkenalkan untuk mengatasi limbah cair setelah

teknologi ozon adalah teknologi plasma. Sebenarnya ozon itu sendiri dapat dibuat

dengan menggunakan teknologi plasma. Jadi, secara tidak langsung teknologi ozon

adalah pemanfaatan dari teknologi plasma itu sendiri.

Gambar 2.7. Transisi Perubahan Fasa (Rohman, 2009)

Plasma terbentuk karena adanya ionisasi fluida yang ada di sekitar elektroda dan

adanya perbedaan tegangan yang sangat tinggi antara kedua elektroda. Mekanisme

pembentukkan plasma adalah sebagai berikut:

Atom netral atau molekul dalam media pada perbedaan tegangan yang sangat

tinggi akan terionisasi menghasilkan ion positif dan elektron bebas.

Elektroda akan memisahkan dan mencegah penggabungan ion positif dan elektron

serta menggerakkan elektron menuju elektroda positif.


Elektron yang mengumpul pada elektroda akan bergerak dengan kecepatan yang

sangat tinggi dan energi yang sangat besar dan menumbuk atom netral sehingga

terjadi proses ionisasi, disosiasi, dan eksitasi.

Elektron dengan energi yang tinggi ini akan menumbuk dengan cara ionisasi,

disosiasi, dan eksitasi yang kemudian menghasilkan elektron bebas dan akhirnya

terjadi loncatan elektron (avalanche electron) yang disebut dengan streamer

discharge. Elektron bebas (avalanche electron) mempunyai energi 10-15 eV (Gaffar

dkk.,2000)

Ionisasi didefinisikan sebagai proses terlepasnya elektron suatu atom atau

molekul dari ikatannya. Energi yang dibutuhkan untuk melepas satu atau lebih

elektron dari orbitnya pada sebuah atom atau molekul dapat didefinisikan sebagai

energi ionisasi Ei. Besarnya energi ionisasi dinyatakan dalam satuan elektron-volt

(eV) (Krane,1992 dalam Nur, 2006).

Reaksi ionisasi menurut Ghaffar (2000), adalah:

e-* + O2 → O+ + 2e- (2.2)

Pada proses tumbukan antara elektron dengan partikel-partikel gas tidak hanya

proses ionisasi yang terjadi melainkan juga menyebabkan peristiwa-peristiwa yang

lainnya. Diantaranya yaitu proses rekombinasi, dissosiasi dan eksitasi (Chapman, 1990

dalam Nur, 2006).

Kebalikan dari proses ionisasi adalah proses rekombinasi. Rekombinasi terjadi

dengan cara pengikatan elektron oleh ion dan pengikatan antar atom menjadi molekul

sehingga menjadi spesies netral atau ion negatif yang disertai pemancaran foton

(Chapman, 1990 dalam Nur, 2006).

Dissosiasi adalah pemisahan molekul menjadi atom-atom penyusunnya.

Partikel gas yang terdissosiasi ini dapat pula terionisasi menjadi ion-ion positif dan

negatif. Reaksi dissosiasi menurut Ghaffar (2000), adalah:

e-* + N2 → N• + N• + e- (2.3)

e-* + O2 → O• + O• + e- (2.4)

e-* + H2O → OH• + H• + e- (2.5)

Eksitasi adalah peristiwa dimana elektron yang berada di tingkat energi yang

lebih rendah berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap energi


tumbukannya dengan elektron. Peristiwa kebalikan dari eksitasi tersebut disebut

relaksasi atau deeksitasi dan peristiwa ini disertai pemancaran foton. Reaksi eksitasi

menurut Ghaffar (2000), adalah:

e-* + N2 → N2*+ e- (2.6)

Deeksitasi memerlukan waktu 10-8 s untuk kembali ke tempat semula yang

disertai dengan pemancaran foton. Energi foton dipengaruhi oleh besarnya frekuensi

yang digunakan oleh pembangkit tegangan. Energi foton ini akan menghasilkan

radiasi berbagai macam sinar seperti sinar kosmik, sinar X, microwaves, infra merah,

visible, dan sinar uv. Sinar-sinar ini dapat diketahui dari panjang gelombang yang

dikeluarkan (Beiser dalam Aryanto, 2007).

Reaksi pembentukan spesies aktif menurut (Munter, 2001), adalah sebagai

berikut:

H2O + e → OH• + H• + e (2.7)

O2 + e → O• + O• + e (2.8)

H• + O3 → OH• + O2 (2.9)

O3 + O• → O• + O• + O2 (2.10)

H2O2 + hv → OH• + OH• (2.11)

H• + H2O2 → H2O + OH• (2.12)

3 O3 + OH- + H- → 2 OH• + 4 O2 (2.13)

H2O2 → HO2- + H+ (2.14)

HO2- + O3 → HO2

• + O3• (2.15)

2 O3 + H2O2 → 2 OH• + 3 O2 (2.16)

O3 + hv → O2 + O(1D) (2.17)

O(1D) + H2O → H2O2 → 2OH• (2.18)

Ozon pada pH basa:

O3 + 2OH- → OH• + O2 + HO2•

Ozon pada pH asam:

O3 + O2- → O3

- + O2

O3- → H+ ⇔ HO3

•

HO3• ⇔ OH• + O2

(2.19)

(2.20) (2.21)

(2.22)


Menurut Bismo dkk (2008), Teknologi plasma memiliki beberapa keuntungan

dalam pengolahan limbah cair. Berikut keuntungan pengolahan limbah cair dengan

menggunakan teknologi plasma, yaitu :

a. Teknologi plasma ramah lingkungan.

b. Teknologi plasma mudah digunakan.

c. Biaya pengolahan limbah cair dengan teknologi plasma relatif murah.

d. Teknologi plasma dapat digunakan berulang-ulang.

e. Waktu yang dibutuhkan relatif singkat.

2.3.2 Ozon

Ozon merupakan sebuah molekul gas yang terdiri dari tiga buah atom oksigen.

Ozon merupakan gas yang hampir tidak larut dalam air (0,03 mg/100 mL) pada suhu

20 °C, berdekomposisi menjadi oksigen dalam waktu singkat, dan efektif dalam

pendispersian untuk aktivitas anti mikroba. Ozon merupakan disinfektan dan oksidan

yang kuat, biasanya digunakan oleh industri untuk proses penghilangan warna

(decoloration) , penghilangan bau (deodorizaton), dan untuk memproduksi perubahan

struktur senyawa organik.

Ozon terbentuk dari molekul-molekul oksigen yang berada dalam paparan

medan listrik (di atas 10.000 volt). Ozon ini jah lebih reaktif dan selektif melakukan

reaksi oksidasi dibandingkan dengan molekul oksigen asalnya (Bismo S. 2010). Ozon

dapat bereaksi secara langsung maupun tidak langsung dalam air. Reaksi tidak

langsung oleh ozon akan menghasilkan radikal hidroksil yang dapat bereaksi dengan

mikropolutan organik maupun anorganik. Di dalam larutan, ozon terdekomposisi

melalui suatu mekanisme inisiasi yang kompleks, yang akan bereaksi dengan ion

hidroksil dan diikuti oleh pembentukan spesi radikal pengoksidasi, misal HO, HO2

dan HO3 (Rodriguez, A. Et al, 2009).

Dekomposisi ozon dalam air diawali dengan reaksi ozon dengan ion OH- yang

diikuti pembentukan beberapa spesies radikal lainnya seperti OH●, HO2●, dan HO3

●

(Rodríguez A. 2008). Reaksi perubahan ozon membentuk spesies radikal melalui tiga

tahap yaitu inisiasi, propagasi, dan terminasi. Reaksinya adalah sebagai berikut:

Inisiasi :

O3 + OH- → O2●- + HO2

●

(2.23)


Propagasi :

HO2● ⇄ O2

●- + H+

O3 + O2●- → O3

●- + O2

O3●- + H+ ⇄ HO3

●

HO3● → HO● + O2

O3 + HO● → HO4●

HO4● → HO2

● + O2

HO2- + H+ ⇄ 2 H2O

HO● + H2O2 → HO2● + H2O

HO● + HO2- → HO2

● + HO-

Terminasi :

HO● + O3 → O3 + HO-

HO4● + HO4

● → H2O2● + 2O3

HO4● + HO3

● → H2O2● + O2 + O3

(Li Huang, 2008)

2.3.3 Aplikasi Penggunaan Reaktor Hibrida Ozon-Plasma untuk Penyisihan

Amonia

Dalam penelitian ini akan dilakukan kombinasi proses oksidasi lanjut dengan

mengkombinasikan reaktor plasma dengan ozonasi pada fasa liquid. Pengolahan

limbah cair dari hasil proses industri yang mengandung polutan organik lain yang

tidak berbahaya di dalam suatu instalasi pengolahan limbah pada dasarnya dilakukan

di dalam suatu sistem pemroses yang disebut dengan reaktor.

Reaktor Hibrida Ozon-Plasma berbentuk tabung gelas yang memiliki lubang

tempat diinjeksikan udara atau campuran ozon-gas O2 ke dalamnya sedemikian rupa

sehingga akan terjadi kontak langsung dengan aliran limbah di dalamnya. Di harapkan

aliran limbah dengan debit yang telah ditentukan tersebut akan bercampur homogen

dengan gas oksigen. Ozonator tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga dapat

menggunakan oksigen sebagai gas reaktan dan sekaligus digunakan pula sebagai

media pendingin.

Reaktor Hibrida Ozon-Plasma berbentuk tabung dengan pemasangan

elektroda, media dielektrik, dan elektroda tegangan tinggi yang disusun berada pada

satu sumbu dan searah aliran gas reaktan dan limbah hasil. Ozonator tersebut

(2.24)

(2.26)

(2.27)

(2.28)

(2.29) (2.30)

(2.31)

(2.32)

(2.25)

(2.33)

(2.34)

(2.35)


dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menggunakan gas Oksigen sebagai reaktan

atau umpan. Aliran umpan melewati ruangan elektroda tegangan tinggi untuk

selanjutnya berbalik arah melewati bagian dalam media dielektrik dan akan keluar

pada lubang keluaran (output). Di dalam ruangan elektroda terjadi proses plasmanisasi

yaitu proses pemaparan gas umpan dalam medan listrik tegangan tinggi yang

kemudian akan mengalami pembentukan ozon dimana terjadi pembentukan ozon,

radikal OH● dan ion OH-yang akan mendegradasi limbah.

Dalam suasana asam, ozon akan langsung bereaksi dengan amonia

membentuk nitrat mengikuti reaksi di bawah ini:

4O3 + NH3 → NO3

- + H+ + H2O + 4O2

Reaksi NH3/NH4+ dengan ozon berlangsung sangat lambat, diperkirakan

kostanta kecepatan reaksinya dengan ozon sekitar 20 M-1S-1 dengan t1/2 = 96 jam,

tingkat penyisihan amonia oleh ozon masih kurang efektif dengan tingkat penyisihan

paling tinggi adalah 5.86% (Hikmawan,2009) Dari beberapa tahapan reaksi di atas,

dapat diketahui bahwa selain membentuk radikal OH●, dalam kondisi basa

dekomposisi ozon juga menghasilkan ion hidroksil (OH-). Radikal OH● yang

terbentuk kemudian menyerang amonia berdasarkan reaksi berikut ini:

HO● + NH3 → NH2● + H2O

NH2● + H2O2 → NHOH● + H2O

NH2● + HO● → NH2OH

(Li Huang, 2008)

(2.21) (2.22)

(2.23)

(2.20)


2.4 Penelitian yang Telah Dilakukan

Beberapa penelitian yang terkait dengan penggunaan membran untuk proses

penyisihan amonia adalah sebagai berikut

Tabel 2.3. Penelitian yang Telah Dilakukan Terkait Penggunaan Membran untuk Proses Penyisihan

Amonia

Tahun 2006, Xiaoyao Tan dkk melakukan penelitian dalam pemisahan

kandungan amonia terlarut dari air, dengan menggunakan membran serat berongga

PVDF (polyvinilidene fluoride). Penelitian tersebut menunjukan bahwa reaksi

membran dengan ethanol berguna dalam meningkatkan hydrophobility dan efektifitas

permukaan porositas. Dalam pemindahan amonia menggunakan PVDF

modul membran serabut berlobang, meningkatnya pH dapat meningkatkan

perpindahan amonia, tetapi hanya sampai pH 10, setelah yang ini tidak memberikan

pengaruh. Pemisahan amonia meningkat dengan meningkatkan laju umpan, tetapi

hanya sampai 0,59 m/s atau Re > 0,32 dan jika kecepatan ditingkatkan tidak akan

memberikan pengaruh, ini mengindikasikan bahwa efek tahanan lebih dominan (Tan,

2006).


M.S. EL-Bourawi dkk., (2007) melakukan penelitian dengan menggunakan

destilasi membran vakum untuk menghilangkan amonia, konsentrasi dan perbedaan

suhu merupakan gaya gerak komponen yang berpindah. Dari data penelitian diketahui

bahwa walaupun daya larut amonia cukup tinggi, amonia dalam larutan mempunyai

bentuk yang tidak stabil sehingga dapat menyebabkan pemidahan amonia menjadi

sulit. Penambahan NaOH kepada larutan umpan akan meningkatkan pH larutan,

sehingga akan meningkatkan amonia yang terbentuk dan efisiensi akan meningkat,

kecepatan dan tekanan juga akan mempengaruhi efisiensi pemindahan (Bourawi,

2007).

Hasanouglu (2010) melakukan penelitian penyisihan amonia dari aliran air

limbah melalui kontaktor membran: analisis eksperimental dan teoritis parameter

operasi dan konfigurasi. Dalam penelitian ini digunakan larutan penyerap asam sulfat

encer menerima untuk mempercepat penyisihan amonia dengan bereaksi menjadi

amonium sulfat (NH4)2SO 4, yang dapat dipulihkan sebagai produk. Dengan

menggunakan serat berongga dan konfigurasi operasi yang berbeda, suhu dan kondisi

hidrodinamik dapat memperoleh persentase ekstraksi amonia sampai dengan 99,83%.

Konfigurasi sirkulasi larutan sangat berpengaruh pada efisiensi proses. Jadi,

konfigurasi sirkulasi terbaik dari larutan untuk kontaktor serat berongga adalah dengan

mengalirkan larutan umpan dalam shellside dan larutan penyerap dalam lumenside

membrane (Hasanouglu, 2010).

Ashrafizadeh (2010) melakukan penelitian untuk memisahkan amonia terlarut

dari air dengan menggunakan membran serat berongga, pada penelitian tersebut

digunakan asam sulfat sebagai larutan penyerap. Dari penelitian ini diketahui

membran serat berongga dengan bahan polypropylene ditemukan sangat efektif dalam

memisahkan amonia dari air limbah, dengan kondisi yang tepat dapat memisahkan

amonia sebesar 99%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konsentrasi awal dan

kecepatan aliran amonia dan larutan asam sulfat merupakan variabel yang berpengaruh

terhadap pemisahan amonia. Menaikkan pH larutan amonia umpan hingga 10 dapat

meningkatkan pemisahan amonia secara signifikan sementara dengan meningkatkan

pH ke nilai yang lebih tinggi dari 10 tidak menghasilkan peningkatan signifikan

(Ashrafizadeh, 2010).


Pada tahun 2012 penelitian mengenai penyisihan amonia sudah berkembang

kearah studi permodelan penyisihan amonia dalam serat berongga. Simulasi dilakukan

untuk menghilangkan amonia dari air melalui kontaktor membran. Kontaktor terdapat

larutan NH3 dan penyerap asam sulfat dalam lumen dan sisi shell. Persamaan model

yang dikembangkan mempertimbangkan difusi radial dan aksial dan konveksi dalam

lumen. Hasilnya menunjukkan penurunan konsentrasi sepanjang arah radial dan aksial.

radial difusi dan konveksi di sisi lumen mungkin telah menyebabkan efek ini.Difusi

aksial ditemukan menjadi diabaikan dibandingkan dengan difusi radial. Kenaikan pH

hingga 10,5 meningkatkan persen penyisihan secara signifikan, bila pH dinaikkan lagi

hanya memberikan efek yang tidak signifikan. Radius lumen yang lebih besar,

panjang, dan jumlah serat membrane juga memberikan persen penyisihan yang lebih

tinggi (Bhattacharya dkk., 2012).

Sebuah model matematika 2D dikembangkan untuk mempelajari penghapusan

amonia dari larutan dengan menggunakan yang membran kontaktor (HFMC). Model

memprediksi perubahan konsentrasi amonia dalam kontaktor membran serta tangki

umpan dengan memecahkan persamaan konservasi termasuk kontinuitas dan

momentum. Model ini dikembangkan dengan mempertimbangkan membran

hidrofobik yang tidak dibasahi oleh air umpan. Kedua difusi aksial dan radial dalam

lumen dan membran sangat mempengaruhi. (Ashrafizadeh dkk., 2012).

Pengaruh parameter efektif pada perpindahan massa dan hidrodinamika dari

penyisihan amonia telah diteliti oleh Marjani. Hasil simulasi menunjukkan bahwa

fluks total penurunan amonia terjadi sangat tajam di daerah dekat inlet membran.

Penyelidikan hidrodinamik juga mengungkapkan bahwa terjadi velocity reached fully

developed pada jarak yang dekat dengan inlet reaktor. Hasil dari penelitian

menunjukkan kecepatan pelarut dan kecepatan larutan umpan adalah parameter yang

paling penting dalam penyisihan amonia (Marjani, 2012).


Sedangkan penelitian mengenai proses oksidasi lanjut adalah sebagai berikut :

Tabel 2.4. Penelitian yang Telah Dilakukan Terkait Proses Oksidasi Lanjut

Locke (2006) melakukan penelitian dengan menggunakan electronic discharge

dan plasma non thermal untuk pengolahan limbah. Dalam penelitian ini dianalisa

penggunaan tegangan tinggi untuk proses discharge. Menggabungkan proses

oksidasi lanjut dengan menggunakan plasma non thermal dengan metode lain seperti

proses biologi sangat dianjukan untuk proses yang efektif dan murah. Hal ini

dikarenakan dengan proses oksidasi lanjut dapat mendegradasi atau merubah target

organik menjadi komponen yang lebih murah untuk diolah. Non thermal plasma

(NTP) menggunakan tegangan tinggi di serat seperti elektroda untuk akan

menyebabkan ionisasi gas menghasilkan sebuah jet plasma yang dapat menghasilkan

sinar UV, ozon, dan radikal hidroksil (Locke, 2006).

Li Huang (2008) melakukan penelitian penambahan radikal OH untuk

menghilangkan amonia dalam fasa cair. Pemisahan amonia dengan penambahan

radikal OH dilakukan air H2O sebagai perkusor. Dari penelitian ini didapatkan dengan

photolysis H2O dengan menghasilkan ion radikal OH akan mengoksidasi amonia

menjadi NO. Proses Pemisahan ini sangat dipengaruhi oleh pH dan konsentrasi awal

amonia dalam air limbah (L i Huang, 2008).

M Kang (2008) melakukan penelitian penyisihan amonia pada fasa gasnya

menggunakan sistem hibrid dielectric discharge plasma – V-TiO2 fotokatalitik.

Reaktor yang digunakan bertegangan tinggi 10 kV arus AC. Katalis yang

digunakan sebanyak 0,5 gram dan konsentrasi NH3 1000 ppm (M Kang dkk., 2008).

Daniel Gerrity (2009) melakukan penelitian dengan menggunakan plasma non

thermal untuk mendegradasi komponen organik. Dalam penelitian ini Non Thermal


Plasma (NTP) digunakan sebagai proses oksidasi lanjut dalam degradasi komponen

organic dalam limbah industri farmasi. Hasil penelitian menunjukkan NTP merupakan

alternatif untuk dijadikan alternatif proses untuk oksidasi lanjut karena energi yang

lebih efisien dan tidak perlu penambahan bahan kimia lain (Gerrity dkk., 2009).

Penelitian mengenai penyisihan amonia menggunakan membran yang telah

dilakukan di laboratorium Intensifikasi Proses Departemen Teknik Kimia Universitas

Indonesia diantara adalah Teguh Hikmawan (2009) melakukan penelitian pengolahan

air yang mengandung tembaga, timbal, dan amonia dengan proses ozonasi

gelembung mikro dan filtrasi membran, membran yang digunakan adalah membran

keramik. Pada penelitian ini penyisihan untuk senyawa amonia (tanpa campuran

kedua logam lainnya) dengan proses tersebut didapat kesimpulan bahwa persentase

penyisihan amonia sangat kecil dibandingkan pemisahan kedua logam lainnya, yaitu

sekitar 17,07%. Hal ini dikarenakan sifat amonia yang kurang reaktif terhadap ozon,

sehingga masih banyak sekali jumlah amonia yang tersisa, dan proses oksida lanjut

terhadap senyawa amonia kurang efektif digunakan pada senyawa amonia

(Hikmawan, 2010).

Diana Beauty (2010) melakukan penelitian pemisahan amonia dari limbah cair

dengan menggunakan membran serat berongga dan absorben pelarut bahan alam yaitu

Air Ciater. Pada penelitian ini, didapat kesimpulan, dengan membandingkan pelarut

asam sulfat dan pelarut bahan alam, yang memiliki nilai pemisahan yang terbaik

adalah dengan pelarut bahan alam, yaitu sekitar 35%. Hal ini dimungkinkan karena

masih terkadungnya ion-ion negatif yang dapat mengurangi tahanan perpindahan

massa pada fasa larutan penyerap. Dan didapatkan pH absorben optimum untuk

pemisahan amonia yaitu pada pH 0,7 (Beauty, 2010).

Milasari Herdiana (2011) melakukan penelitian dengan mengkombinasikan

proses ozonasi dan membran terhadap penghilangan ammonia dari air limbah. Pada

penelitian ini diperoleh efektivitas penyisihan amonia dengan proses hibrid tergolong

baik, bila dibandingkan dengan proses tunggal seperti dengan proses membran atau

ozonasi saja, proses hibrid mampu menyisihkan amonia sebesar 91% pada pH

absorben 0,7. Semakin rendah pH absorben, efektivitas penyisihan amonia dari air

limbah semakin meningkat (Herdiana, 2011).


Candrika Ajeng (2012) juga melakukan penelitian dengan mengkombinasikan

proses ozonasi dan membran terhadap penghilangan amonia dari air limbah, dengan

variasi laju sirkulasi umpan 3, 4, dan 5 Lpm. Proses hibrid mampu menyisihkan

amonia sebesar 89% dari konsentrasi awal menggunakan kontaktor serat berongga 22

serat, pada pH absorben 1, pH limbah sintetis 11, dan laju alir umpan 5 Lpm. Semakin

meningkatnya laju alir maka koefisien perpindahan massa akan semakin meningkat

karena terjadinya turbulensi aliran (Ajeng, 2012).


BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Sasaran Penelitian

Tujuan proses pemisahan amonia terlarut dari air adalah untuk menurunkan

kadar amonia dalam air. Penelitian ini dilakukan untuk memisahkan amonia yang

terkandung dalam air dengan cara kombinasi proses absorbsi dalam membran serat

berongga dengan fasa cair absorben larutan asam sulfat, dan proses oksidasi lanjut

menggunakan kombinasi reaktor plasma dan ozonasi. Penelitian yang akan dilakukan

adalah penelitian kuantitatif dengan melakukan penelitian di laboratorium untuk

mengetahui efektivitas masing-masing proses serta kombinasi proses membran dan

reaktor hibrida plasma-ozon.

Dalam studi ini akan dipelajari perpindahan massa yang terjadi pada membran

serat berongga dalam kontaktor membran serta efektivitas proses oksidasi lanjut dalam

reaktor hibrida plasma-ozon. Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Intensifikasi

Proses Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia.

3.2 Tahapan Penelitian

Penelitian ini secara garis besar akan dilakukan menjadi enam tahapan yaitu

studi literatur, set up peralatan, uji perpindahan massa, pengolahan dan analisis data,

serta penulisan laporan. Penjabaran tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat

dilihat pada Gambar 3.1. di bawah ini:


Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian

3.3 Set up Peralatan dan Bahan Penelitian

Set up peralatan dilakukan perancangan dan penyusunan alat yang digunakan

yaitu kontaktor membran serat berongga, reaktor hibrida plasma-ozon. Bahan yang

digunakan dalam penelitian ini adalah pelarut asam sulfat sebagai absorben dan

limbah amonia sintetis dengan konsentrasi amonia sebesar 800 ppm.

3.3.1 Peralatan Penelitian

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1.

dengan gambar alat yang terdapat pada lampiran 3. Tabel 3.1. Rincian Alat yang Digunakan dalam Penelitian

Peralatan Fungsi

Kaca Arloji dan Timbangan Alat untuk menimbang massa bahan yang diperlukan

Beaker glass Peralatan untuk mengukur laju produktivitas ozonator

Statif Erlenmeyer Buret 50 cc Sarung tangan, masker HEPA, dan Peralatan keamanan bekerja di laboratorium


jas lab Stopwatch Alat untuk menghitung waktu tiap pekerjaan Membran Serat Berongga Rangkaian alat untuk proses absorbsi amonia Reaktor Hibrida Ozon Plasma Rangkaian reaktor untuk proses oksidasi lanjut Kompresor Sumber udara Reaktor ozon Sumber ozon Thermo-circulator Alat untuk menjaga suhu umpan Amoniameter Alat untuk mengukur konsentrasi amonia

3.3.2 Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel

3.2. berikut ini.

Tabel 3.2. Bahan yang Digunakan dalam Penelitian

Nama Bahan Keterangan

Ammonium sulfat ((NH4)2SO4)

Bahan untuk pembuatan limbah sintetik amonia 800 ppm yang bebas

pengotor. Natrium hidroksida

(NaOH) Bahan untuk menyesuaikan pH

limbah sintetik Aquadest (H2O) Pelarut untuk pembuatan limbah

sintetik dan larutan penyerap asam sulfat

H2SO4 2 N (Asam Sulfat)

Bahan untuk pembuatan larutan penyerap asam sulfat

Reagen 1 dan Reagen 2 Amoniameter

Bahan untuk mengukur konsentrasi amonia

Larutan KI 0,1 N

Bahan untuk menguji laju produktivitas ozonator

Na2S2O3.5H2O 0,005 N

H2SO4 2 N Indikator kanji

(amilum)

3.4 Prosedur Penelitian

Pada prosedur penelitian, dilakukan uji produktivitas plasma dan ozon, dan

uji perpindahan massa.

3.4.1 Uji Reaktor Hibrida Ozon Plasma

Proses oksidasi lanjut dalam penelitian ini adalah penggabungan teknologi

hibrida antara teknologi plasma dan ozon dalam reaktor dielectric barrier discharge

atau DBD cair (Reaktor Hibrida Ozon-Plasma) yang merupakan sistem reaktor hibrida

Ozon-Plasma hasil rancangan Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA.


Reaktor plasma ini dihubungkan dengan injektor yang memiliki lubang

tempat diinjeksikan gas oksigen atau ozon kedalamnya yang mana akan terjadi kontak

langsung dengan aliran limbah yang melaluinya. Diharapkan aliran limbah dengan

debit yang telah ditentukan tersebut akan bercampur homogen dengan gas oksigen

atau ozon. Injeksi udara tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga dapat

menggunakan oksigen sebagai gas reaktan dan sekaligus digunakan pula sebagai

media pendingin.

Reaktor hibrida ozon plasma berbentuk tabung dengan pemasangan elektroda,

media dielektrik, dan elektroda tegangan tinggi yang disusun berada pada satu sumbu

dan searah aliran gas reaktan dan limbah hasil. Aliran umpan melewati ruangan

elektroda tegangan tinggi untuk selanjutnya berbalik arah melewati bagian dalam

media dielektrik dan akan keluar pada lubang keluaran (output). Di dalam ruangan

elektroda terjadi proses plasmanisasi yaitu proses pemaparan gas dan larutan umpan

dalam medan listrik tegangan tinggi yang kemudian akan mengalami pembentukan

pembentukan radikal-radikal OH.

3.4.1.1 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Ozon Plasma

Rangkaian peralatan yang digunakan dalam reaktor hibrida ozon plasma pada

penelitian ini dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 3.2 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Ozon Plasma (Bismo, 2012)

Tangki Penampung

Pompa RHOP

Injektor /

Mixer Flowmeter udara

Kompresor/ udara

A V

Flowmeter Air

Power supply

Transformer Step-Up


3.4.1.2 Uji Kinerja Reaktor Hibrida Plasma-Ozon

Uji kinerja reaktor hibrida ozon plasma ini menggunakan metode

iodometri. Metode iodometri ini berdasarkan reaktivitas ozon terhadap larutan KI.

Penggunaan metode iodometri dilakukan untuk menentukan kadar ozon dalam

bentuk gas, dimana ion iodida akan teroksidasi menjadi iodium. oleh ozon dalam

larutan buffer kalium iodida. pH larutan tersebut menjadi 2 dengan dengan pelarut

asam sulfat dan pembebasan iodium dititrasi dengan natrium tiosulfat. Reaksi

ozonasi kalium iodida adalah sebagai berikut (Day dan Underwood, 1991):

O3 + 2I- + H2 O → I2 + O2 + 2OH- (3.1)

Pembebasan iodium (I2) dititrasi dengan natrium tiosulfat:

I2 + 2Na2 S2O3 → 2NaI + Na2 S4 O6 (3.2)

Gambar 3.3. Skema Uji Produktifitas Ozon

Prosedur untuk melakukan analisa untuk uji produktivitas ozonator dan

reaktor hibrida ozon plasma adalah sebagai berikut.

1. Disiapkan 2 buah erlenmeyer 500 mL dan gas washing bubbler

(bubbler) yang terdiri dari hulu dan hilir. Ditambahkan 200 mL KI 2%

ke dalam masing-masing erlenmeyer tersebut. Tutup dengan gas

washing bubbler (bubbler) dan disambungkan dengan selang ke bagian

ozonator.


2. Dinyalakan ozonator dan stopwatch, kemudian diamati sampai larutan

mangasilkan warna kuning baik di hulu maupun hilir.

3. Apabila sudah terbentuk warna kuning, selanjutnya mematikan ozonator

dan stopwatch. Catat waktu yang dibutuhkan sampai terjadinya perubahan

warna menjadi kuning.

4. Kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 2N dan

dititrasi dengan Na2S2O3 0,005 N. Titrasi dilakukan sampai warna larutan

kuning menjadi sedikit kuning muda. Kemudian ditambahkan dengan

indikator amilum sehingga larutan menjadi warna biru, lanjutkan titrasi

sampai larutan tidak berwarna. Titrasi dilakukan untuk sampel hulu dan hilir.

5. Dicatat volume titrasi yang diperoleh kemudian lakukan perhitungan.

3.4.2 Uji Perpindahan Massa

Variabel dalam penelitian ini adalah :

1. Variabel tetap adalah peralatan modul membran ( diameter serat, jenis polimer

yang digunakan) , peralatan modul plasma dan ozon ( tegangan yang dialirkan,

jenis elektroda yang digunakan) dan konsentrasi amonia dalam larutan umpan.

2. Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini adalah

- pH larutan umpan dengan variasi pH 10, 11 dan 12

- Temperatur umpan 20 oC, 30 oC, dan 40 oC

- Jumlah serat membran berongga dengan variasi 50, 60, dan 70

- Laju sirkulasi air limbah dengan variasi 3 LPM, 4 LPM, dan 5 LPM.

3. Variabel terikat adalah konsentrasi amonia yang terdegradasi oleh masing-

masing proses serta kombinasi proses membran dengan proses oksidasi lanjut

dalam reaktor hibrida ozon plasma yang menunjukkan efektivitas proses

terhadap proses degradasi amonia.

3.4.2.1 Proses Membran

Pada proses tunggal penyisihan amonia menggunakan membran hal pertama

yang dilakukan adalah dengan mengalirkan larutan amonia yang ke dalam selongsong

acrylic. Kemudian langkah selanjutnya adalah mengalirkan larutan absorben (larutan

asam sulfat) ke dalam serat membran PVC. Membran PVC bersifat hidrofobik dan

mempunyai pori sehingga dengan adanya perbedaan konsentrasi gas amonia pada


membran dan selongsong akan menyebabkan gas amonia yang berada di dalam

selongsong bergerak menuju pori-pori dan masuk ke bagian dalam serat membran

yang kemudian diserap oleh larutan absorben.. Amonia yang akan digunakan adalah

dengan konsentrasi inlet 800 ppm. Kemudian amonia ini dipompakan ke dalam shell

yang laju alirnya diatur menggunakan valve sesuai variabel yang dapat dilihat pada

alat flowmeter. Larutan amonia yang keluar dari selongsong akan kembali ke dalam

bak penampung dan kemudian akan dialirkan lagi ke dalam selongsong, proses ini

terjadi berulang. Larutan amonia yang telah mengalami siklus dan berada pada

reservoir penampung, akan diukur konsentrasinya dengan menggunakan amonia meter

setiap selang waktu 30 menit selama sirkulasi 2 jam.

Untuk menentukan jumlah amonia terlarut digunakan alat amonia meter. Studi

perpindahan massa dilakukan dengan menghitung nilai koefisien perpindahan massa

dengan menggunakan data perubahan konsentrasi amonia.

FlowmeterAir

Tangki Umpan

Pompa Valve

Absorben (out)

Absorben (in)

Kontaktor Membran Amonia Meter

Pompa peristaltik

Gambar 3.4. Skema Peralatan Proses Membran

3.4.2.2 Proses Hibrida Plasma dan Ozon

Pada proses penyisihan amonia dengan proses oksidasi lanjut menggunakan

Reaktor hibrida ozon plasma , dilakukan dengan mengalirkan limbah sintetik yang

mengandung ammonia dengan konsentrasi 800 ppm dan pH sesuai varibel yang

digunakan. Larutan umpan dipompakan menuju plasma dengan mengatur laju alir

sesuai variabel yang ditentukan dengan menggunakan valve. Sebelumnya tegangan

regulator diatur sesuai dengan keperluan (+ 175 V). Amonia yang keluar dari plasma

outlet dari plasma akan dialirkan ke dalam reservoir dan akan diukur kembali


konsentrasinya dengan menggunakan amonia meter setiap selang waktu 30 menit

selama sirkulasi 2 jam. Selain itu dalam Reaktor hibrida ozon plasma juga akan

divariasikan injeksi udara yang diberikan yaitu injeksi dengan ozon atau injeksi udara

tanpa menggunakan ozon.

Reaktor Hibrida

Ozon dan Plasma

Tangki Umpan

Pompa

Valve

Flowmeter Air

Amonia Meter

Ozonator

Flowmeter Udara

Injektor-Mixer

Kompresor

Gambar 3.5. Skema Peralatan Proses Plasma

3.4.2.3 Proses Gabungan Reaktor hibrida ozon plasma dan Membran

Prosedur yang akan dilakukan pada penyisihan amonia dengan gabungan

Reaktor hibrida ozon plasma dan membran adalah sama dengan proses penyisihan

amonia dengan Reaktor hibrida ozon plasma saja atau dengan membran saja, namun

pada proses ini dilakukan penggabungan dua proses tersebut. Larutan amonia yang

telah keluar dari selongsong kemudian disirkulasikan ke reaktor hibrida, outlet dari

reaktor hibrida ozon plasma akan dialirkan kembali ke membran dan akan diukur

kembali konsentrasinya dengan menggunakan amonia meter setiap selang waktu 30

menit selama waktu sirkulasi selama 2 jam.


I-1

Pompa Valve

FlowmeterAir

Absorben (in)

Absorben (out)

Kontaktor Membran

Reaktor Hibrida Ozon dan PlasmaAmonia

MeterInjektor-Mixer

Pompa Peristaltik

E-14E-13 I-3

P-38

P-40

FlowmeterUdara KompresorOzonator

Thermosirkulator

Gambar 3.6. Skema Peralatan Proses Reaktor Hibrida Ozon Plasma dan Membran

3.5 Pengolahan dan Analisis Data

Langkah selanjutnya adalah mengolah dan menganalisis data untuk

mengetahui efektivitas proses penyisihan amonia yang dapat dilihat dari konversi

amonia yang dihitung dengan mengukur jumlah amonia yang terkonversi (ppm) dan

Amonia yang terlarut dalam larutan umpan (ppm) dan studi hidrodinamika.

Dalam penelitian ini akan dilakukan tiga macam cara untuk menyisihkan

amonia yaitu penyisihan amonia dengan menggunakan membran serat berongga,

penyisihan amonia dengan proses tunggal dalam Reaktor hibrida ozon plasma, serta

penyisihan amonia dengan proses gabungan membran serat berongga dengan

kombinasi Reaktor hibrida ozon plasma.

3.5.1 Persen Penyisihan Amonia (% R)

Efisiensi penyisihan amonia dari limbah dihitung dengan menggunakan

persamaan berikut ini:

(3.3)

dimana:

C0 = Konsentrasi awal amonia (ppm)

Ct = Konsentrasi amonia pada saat t (ppm)


3.5.2 Menghitung Koefisien Perpindahan Massa

Gambar di bawah ini adalah skema alir penyisihan amonia melalui kontaktor

membran serat berongga.

V-1

Flowmeter

Tangki Umpan

Pompa

Valve

Absorben (out) Absorben (in)

Kontaktor Membran

VL CL

QC1

C2

L, a, C*Pompa Peristaltik

Gambar 3.7. Skema Peralatan Proses Membran untuk Penurunan Rumus Koefisien

Perpindahan Massa

Perpindahan amonia melewati tiap satuan serat membran dapat ditulis sebagai

berikut:

*( )LL L

dCV K a C Cdz

= × × −

(3.4)

Tekanan amonia pada fasa gas sama dengan tekanan amonia pada serat

sehingga konsentrasi amonia pada fasa interface (C*) cenderung konstan, sangat kecil

dan dapat diabaikan. Pada laju alir gas yang sangat kecil di dalam serat, penurunan

tekanan sepanjang serat dapat diabaikan dan diasumsikan tekanan konstan. Jika

pengaruh konsentrasi amonia terlarut (CL) konstan maka batas kondisi CL=C1 pada

Z=0 dan CL=C2 pada Z=L diaplikasikan, dan integrasi persarmaan akan menghasilkan

persamaan berikut ini:

2

1*0 0( )

L

L

C C pada z L z LLC C pada z z

L L

dC K adzC C V

= → = =

= → = =

×− =

−∫ ∫


( )

( )

( )

2

1

*

0

*1

*2

*2

*1

*2

*1

* *2 1

* *2 1

ln

ln

ln

exp

exp

exp

C z L

L zCL

L

L

L

L

L

K a LC CV

C C K a LC C V

C C K a LC C V

C C K a LC C V

K a LC C C CV

K a LC C C CV

=

=

× × − − =

− × ×− = − − × ×

= − − − × ×

= − − × ×

− = − − × ×

= + − −

∫

(3.5)

Luas permukaan spesifik (a) telah diketahui nilainya dalarn modul serat

berongga dan siap dihitung dari jumlah dan ukuran serat serta dimensi rnodul. Apabila

reservoir air dicampur dengan baik maka neraca massa pada reservoir adalah:

1

1 2dCV QC QCdt

− = − (3.6)

Subtitusi C2 dari persamaan di atas dan pengaturan ulang menghasilkan

persamaan berikut:

( )

( )

( )

* *11 1

* *11 1

1*

1

exp ( )

exp ( )

exp 1

L

L

L

dC Q K a LC C C Cdt V V

dC Q K a LC C C Cdt V V

dC Q K a L dtV VC C

× ×= + − − −

× ×= − − − −

× ×= − − −

(3.7)

Integrasi pada batas kondisi t=0, C1=0 dan t=t, C1=C memberikan hubungan

konsentrasi terhadap waktu.


( )0*0 0

*

*0

exp 1

ln exp 1

L

L

C C padat t t tLC C padat t

LL

L

dC Q K a L dtV VC C

C C Q K a L tC C V V

= → = =

= → = =

× ×= − − −

− × ×= − − −

∫ ∫

(3.8)

Dari persamaan ini, koefisien perpindahan massa kesekuruhan (K) dapat dicari

dengan memplotkan ln[C*/ C*- C1 ] vs t, kemudian slope (kemiringan) garis dapat

dihitung, dengan demikian nilai K dapat diketahui dengan persamaan 3.9.

exp 1

ln 1

L

L

Q K a LslopeV V

V V slopeKaL Q

× ×= − − ×

= + (3.9)

dimana K adalah koefisien perpindahan massa keseluruhan, Q adalah debit alir

(cm3/det), V adalah volume tangki (cm3), a adalah luas permukaan membran (cm2) dan

L adalah panjang serat (cm).

Dua asumsi penting yang diterapkan dalam dua persamaan di atas adalah:

1. Waktu respon perhitungan amonia cukup cepat untuk mengawasi laju

perubahan amonia secara akurat.

2. Asumsi umpan konstan yang masuk ke dalam modul harus realistis dengan

konsentrasi amonia dalam tangki yang berubah secara perlahan-lahan jika

dibandingkan dengan perubahan konsentrasi di dalam modul.

Kedua asumsi di atas akan memuaskan jika tangki air dengan volume besar digunakan

pada desain eksperimen.


BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam penelitian ini penyisihan amonia dari air limbah dilakukan dengan

beberapa variasi konfigurasi proses penyisihan yaitu: proses membran, proses

dalam reaktor hibrida ozon plasma (RHOP), gabungan RHOP dan ozonator,

gabungan membran dan RHOP, serta gabungan membran, RHOP dan ozonator.

Untuk mengetahui efektivitas penyisihan amonia terlarut dari semua variasi

konfigurasi proses tersebut dapat diketahui dari persen penyisihan amonia (%R)

dan koefisien perpindahan massa. Pada studi perpindahan massa akan dipelajari

pengaruh laju alir umpan, pH larutan umpan, temperatur umpan dan jumlah serat

membran terhadap perpindahan massa, serta perbandingan perbandingan konfigurasi

proses terhadap perpindahan massa.

Sampel amonia dalam larutan umpan limbah diukur dengan menggunakan

amonia meter Mi 405 produk Martini Instrument untuk mengetahui konsentrasi

(ppm) yang tertinggal dalam larutan umpan, analisa ini dilakukan dengan rentang

waktu 20 menit selama waktu sirkulasi 2 jam. 4.1 Penyisihan Amonia Terlarut dalam Air Limbah Sintetis

Persen penyisihan (%R) menunjukkan kemampuan dari larutan penyerap

dalam mengabsorpsi amonia, semakin tinggi nilai %R, semakin baik pula

performa kinerja proses. %R amonia terlarut dihitung dengan perubahan konsentrasi

amonia di dalam umpan selama selang waktu tertentu.

4.1.1 Proses Penyisihan dalam Reaktor Hibrida Ozon Plasma (RHOP)

Proses oksidasi lanjut yang akan digabungkan dengan absorbsi dalam membran

adalah dengan menggunakan Reaktor Hibrida Ozon Plasma (RHOP). Untuk

mengetahui kemampuan RHOP untuk menyisihkan amonia dalam penelitian ini juga

dilakukan proses tunggal menggunakan RHOP . Dari Gambar 4.1 dapat diketahui

pengaruh pH umpan terhadap penyisihan amonia dalam RHOP, dari gambar tersebut

dapat diketahui kenaikan pH akan berbanding lurus dengan penyisihan amonia. Hasil

dari %R penyisihan amonia tertinggi menggunakan RHOP yaitu sebesar 11,7 %, pada

pH umpan 12. Efisiensi yang rendah dikarenakan reaktor plasma menggunakan


tegangan yang cukup rendah 175 Volt, sehingga produktivitas ozon dan radikal OH●

dengan jumlah yang belum cukup untuk menyisihkan amonia di dalam air limbah.

Dalam RHOP, reaksi yang terjadi adalah proses oksidasi lanjut. Proses oksidasi

lanjut adalah suatu metode yang memanfaatkan keberadaan radikal dan spesi aktif

sebagai oksidator yang sangat kuat untuk menguraikan suatu senyawa yang tidak dapat

dioksidasi dengan oksidator konvensional. Oksidasi lanjut dalam RHOP akan

menghasilkan spesi aktif ozon dan radikal OH•. Ozon terbentuk karena terjadinya

dekomposisi atom oksigen dalam reaktor RHOP. Selanjutnya dalam kondisi basa ozon

akan terdekomposisi menjadi radikal OH• yang sangat reaktif sehingga dapat

menyerang atom atau molekul lainnya menjadi senyawa baru.

Dekomposisi ozon dalam air diawali dengan reaksi ozon dengan ion OH- yang

diikuti pembentukan beberapa spesies radikal lainnya seperti OH●, HO2●, dan HO3

●

(Rodríguez A. 2008). Reaksi perubahan ozon membentuk spesies radikal melalui tiga

tahap yaitu inisiasi, propagasi, dan terminasi. Reaksinya adalah sebagai berikut:

Inisiasi :

O3 + OH- → O2●- + HO2

●

Propagasi :

HO2● ⇄ O2

●- + H+

O3 + O2●- → O3

●- + O2

O3●- + H+ ⇄ HO3

●

HO3● → HO● + O2

O3 + HO● → HO4●

HO4● → HO2

● + O2

HO2- + H+ ⇄ 2 H2O

HO● + H2O2 → HO2● + H2O

HO● + HO2- → HO2

● + HO-

Terminasi :

HO● + O3 → O3 + HO-

HO4● + HO4

● → H2O2● + 2O3

HO4● + HO3

● → H2O2● + O2 + O3

(4.1)

(4.2)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7) (4. 8)

(4.9)

(4.10)

(4.3)

(4.11)

(4.12)

(4.13)


Radikal OH● yang terbentuk kemudian menyerang amonia membentuk hidroksil amin

yang merupakan basa lemah berdasarkan reaksi berikut ini:

HO● + NH3 → NH2● + H2O

NH2● + H2O2 → NHOH● + H2O

NH2● + HO● → NH2OH

(Li Huang, 2008)

Untuk mempercepat dekomposisi ozon menjadi radikal OH● dapat dilakukan

dengan meningkatkan pH (Enjarlis, 2006). Dengan pH umpan yang semakin tinggi

maka akan memberikan persen penyisihan amonia yang lebih baik (Zhu dkk., 2005).

Radikal ozon yang hanya memiliki potensial oksidasi sebesar 2,07 eV sedangkan

radikal OH● memiliki potensial oksidasi lebih besar yaitu 2,80 eV (Ikehata K. dkk.

2006). Dalam larutan asam, mekanisme reaksi yang mendominasi adalah serangan

langsung dari ozon pada molekul lainnya, sedangkan pada kondisi basa mekanisme

yang dominan adalah serangan radikal bebas (misalnya radikal OH●, radikal H02●)

(Channing, 1979).

Gambar 4.1 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP

4.1.2 Proses Penyisihan dalam RHOP-Ozon

Penggabungan RHOP dan Ozon dilakukan untuk meningkatkan poduktiftas

RHOP. Dalam proses ini, yaitu udara yang berasal dari kompresor sebelum masuk

dalam RHOP dialirkan menuju ozonator, dalam ozonator udara akan dikonversi

menjadi ozon yang kemudian diinjeksikan ke dalam injektor-mixer. Ozon akan

(4.14) (4.15) (4.16)


bercampur dengan air limbah dalam injektor-mixer dan kemudian mengalir ke dalam

reaktor hibrida ozon plasma. .

Ozon tidak reaktif terhadap amonia, hal ini dikarenakan molekul amonia

memiliki sepasang elektron bebas yang cenderung menolak ozon. Berikut ini

merupakan reaksi antara amonia dengan ozon yang akan membentu ammonium nitrat :

2NH3 + 4O3 → NH4NO3 + 4O2 + H2O (4.17)

Pada pH basa, lifetime ozon semakin menurun dan ozon akan terdekomposisi

menjadi radikal OH●. Penambahan injeksi ozon ini diharapkan dapat meningkatkan

pembentukan radikal OH●, sehingga proses oksidasi lanjut dalam RHOP semakin

efektif. Oleh karena itu peningkatan pH dan penambahan ozonator akan secara

simultan meningkatkan persen penyisihan amonia.

Dari Gambar 4.2 dapat diketahui terjadi peningkatan %R bila dibandingkan

dengan proses RHOP. Hasil dari %R penyisihan amonia tertinggi menggunakan

RHOP yaitu sebesar 11,7 % sedangkan pada gabungan proses RHOP-ozon sebesar

18,3 % terjadi kenaikan sebesar +7 %, pada pH umpan 12. Gabungan proses RHOP

dan ozon meningkatkan jumlah spesi aktif ozon dan radikal OH● serta dapat

membantu memperlama life radikal OH● yang akan mengoksidasi NH3 dan ion

hidroksil (OH-) yang menggeser kesetimbangan amonia sehingga penyisihan amonia

menggunakan proses gabungan RHOP, dan ozon berlangsung lebih efektif.

Gambar 4.2 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP-Ozon


4.1.3 Proses Penyisihan dalam Membran

Modul serat berongga yang digunakan bersifat hidrofobik dimana tidak

terbasahi baik oleh larutan amonia maupun larutan penyerap. Amonia dalam fasa gas

NH3 berdifusi melewati pori-pori membran dan kemudian bereaksi dengan larutan

penyerap sehingga konsentrasi amonia dalam air limbah berkurang seiring dengan

berjalannya waktu. Dalam penelitian ini akan dipelajari pengaruh variasi laju alir dan

temperatur terhadap proses penyisihan amonia.

4.1.3.1 Pengaruh Laju Alir Umpan

Pengaruh laju alir umpan dapat dilihat pada gambar 4.3 bahwa pada proses

penyisihan amonia dalam membran dengan variasi laju alir 3, 4, 5 LPM, persen

penyisihan amonia (%R) berbanding lurus dengan meningkatnya laju alir. Peningkatan

laju alir umpan akan meningkatkan turbulensi aliran, sehingga %R akan bertambah

(Xie dkk., 2009). Mekanisme perpindahan massa memiliki kecenderungan suatu

komponen yang berada dalam suatu campuran untuk bergerak dari daerah yang

berkonsentrasi tinggi ke daerah yang berkonsentrasi rendah. Dengan naiknya

turbulensi aliran maka akan memudahkan molekul amonia volatil NH3 (amonia bebas)

terdorong untuk berdifusi ke permukaan membran dan kemudian berpindah dan

diserap oleh larutan penyerap.

Berdasarkan Gambar 4.3 dapat diketahui bahwa pada proses penyisihan amonia

dengan menggunakan membran, efisiensi penyisihan tertinggi didapatkan pada variasi

variabel proses jumlah serat 70 dengan laju alir umpan 5 LPM yaitu sebesar 63,9 %.

Gambar 4.3 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Laju Alir Umpan


4.1.3.2 Pengaruh Temperatur Umpan

Dari Gambar 4.4 dapat diketahui pegaruh temperatur terhadap penyisihan

amonia, Peningkatan temperatur umpan berbanding lurus dengan persen penyisihan

amonia. Pada penyisihan dengan membran, dengan menaikkan temperatur hingga

40oC, dapat memberikan penyisihan hingga 66,7%.

Kesetimbangan amonia dalam air menyebabkan adanya molekul amonia volatil

NH3 (amonia bebas) dan ion NH4+. Hanya molekul amonia volatil yang dapat

disisihkan melalui membran, sedangkan ion amonia NH4+ tertahan dalam membran

(Ashrafizadeh dan Khorasani, 2010). Dari grafik kesetimbangan amonia dapat

diketahui peningkatan temperatur akan meningkatkan jumlah molekul NH3 yang

terkandung dalam air limbah sehingga semakin tinggi temperatur, proses penyisihan

akan semakin efektif. Kenaikan temperatur akan menyebabkan terjadinya kenaikan

secara eksponensial tekanan uap larutan umpan yang akan meningkatkan gaya

penggerak. Dalam penelitian sebelumnya diperoleh penyisihan amonia hingga 97 %

pada suhu 75 oC (Xie dkk, 2009). Sedangkan dalam penelitian ini persen penyisihan

hanya hingga 66,7 %. Beberapa faktor yang menyebabkan kurangnya efisiensi ini

antara lain, perbedaan kondisi operasi suhu., pada percobaan ini variasi suhunya

adalah 20,30 dan 40 oC. Kenaikan temperatur dapat meningkatkan prosentase

penyisihan karena selain meningkatkan gaya penggerak juga dapat meningkatkan

difusivitas (Hasanoaglu dkk., 2010).

Gambar 4.4 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Temperatur Umpan


4.1.4 Proses Penyisihan dalam Membran-RHOP dan Gabungan Membran-

RHOP-Ozon

Dalam penelitian sebelumya diketahui bahwa dalam membran hanya molekul

amonia volatil yang dapat disisihkan melalui membran, sedangkan ion amonia NH4+

tertahan dalam membran (Ashrafizadeh dan Khorasani, 2010) (Hasanoaglu dkk.,

2010). Untuk meningkatkan persen penyisihan amonia dilakukan penggabungan

proses membran dengan proses oksidasi lanjut dalam RHOP dan RHOP-Ozon.

Mekanisme penyisihan amonia dalam air limbah menggunakan gabungan membran

dan RHOP serta ozon dapat dilihat pada gambar 4.5. Dalam penelitian ini akan

dipelajari pengaruh variasi temperatur larutan umpan, pH larutan umpan dan serat

membran terhadap proses penyisihan amonia.

Gambar 4.5 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran-RHOP-Ozon

4.1.4.1 PengaruhTemperatur Umpan

Pada Gambar 4.5 dan 4.6 dapat diketahui bahwa kenaikan temperatur akan

umpan akan berbanding lurus dengan persen penyisihan amonia. Dari kedua gambar

tersebut terlihat bahwa pada temperatur 40 oC menunjukkan penurunan nilai

konsentrasi amonia yang paling signifikan pada kedua proses. Dengan menggunakan

konfigurasi proses gabungan Membran dan RHOP diperoleh persen penyisihan sebesar

75,3% dan untuk gabungan proses Membran, RHOP dan Ozon diperoleh persen

penyisihan sebesar 81,3 %.


Kenaikan temperatur akan menaikkan molekul amonia volatil (NH3) dalam

larutan umpan sehingga akan menaikkan kinerja penyisihan dalam membran (Xie

dkk., 2009). Peningkatan suhu umpan dapat menyebabkan meningkatnya uap air yang

terbentuk. Fasa uap air ini akan lebih mudah untuk dipecah melalui mekanisme plasma

dibanding ketika air masih dlam bentuk cairan. Dengan terbentuknya gas, ruang dan

jarak antar molekul air menjadi lebih renggang sehingga memudahkan terjadinya

tumbukan elektron. Selain itu suhu yang tinggi juga mengakibatkan laju difusi

hidrogen ke fasa gas semakin tinggi, sehingga memudahkan plasma terbentuk.

Terjadinya plasma akan mempengaruhi terbentuknya ozon, radikal hidroksil dan ion

OH- yang berperan dalam proses penyisihan amonia. Sehingga penggabungan proses

membran, RHOP dan Ozonator serta kenaikan suhu akan secara simultan berpengaruh

terhadap peningkatan penyisihan amonia.

Gambar 4.6 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Temperatur


Gambar 4.7 Persen Penyisihan dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur

4.1.4.2 Pengaruh pH Umpan

Kenaikan pH akan berbanding lurus dengan persen penyisihan amonia, seperti

yang terlihat pada gambar 4.7 dan 4.8. Dari kedua gambar tersebut terlihat bahwa pada

pH 12 menunjukkan persen penyisihan amonia yang paling signifikan pada kedua

proses. Dengan menggunakan konfigurasi proses gabungan Membran dan RHOP

diperoleh persen penyisihan sebesar 73,9 % dan untuk gabungan proses Membran,

RHOP dan Ozon diperoleh persen penyisihan sebesar 80,2%.

Kenaikan pH akan berpengaruh pada penyisihan amonia dalam membran. Hal

ini dipengaruhi oleh reaksi kesetimbangan amonia dalam air. Kandungan amonia

volatil (NH3) dalam larutan dipengaruhi oleh konstanta keseimbangan amonia ini

sendiri. Reaksi kesetimbangan amonia dalam air adalah:

1

23( ) 2 ( ) 4 ( ) ( )

kg l aq aqk

NH H O NH OH+ −→+ +←

Konstanta kesetimbangan reksi kesetimbangan ini adalah K1 sebesar 1,8x10-5

dan K2 sebesar 5,6x10-10, K2 lebih besar dibandingkan dengan K1 sehingga reaksi

pembentukan ion amonium (NH4+) dan ion hidroksida (OH-) jauh lebih besar

32.142,86 kali dari reaksi pembentukan NH3 dan H2O. Salah satu cara untuk

meningkatkan reaktan di sebelah kanan yaitu ion hidroksida adalah dengan

menambahkan NaOH (Natrium Hidroksida) pada air limbah yang akan diolah.

Bertambahnya jumlah ion OH- akan menggeser kesetimbangan ke arah kiri sehingga

(4.19)


jumlah amonia dalam larutan yang akan dipisahkan melalui kontaktor membran akan

meningkat (El-Bourawi M.S. 2007).

Pada kedua gambar 4.7 dan 4.8 kenaikan pH pada pH 12 tidak berpengaruh

signifikan terhadap proses pemisahan hal ini disebabkan karena pada pH 12 kenaikan

jumlah amonia volatil (NH3) juga tidak terlalu signifikan sesuai dengan grafik

pengaruh pH pada distribusi amonia dan amonium dalam air (Frensenius, 1987).

Peningkatan pH larutan umpan amonia hingga 11 dapat meningkatkan efisiensi

penghapusan amonia secara signifikan, sementara peningkatan pH yang lebih tinggi

tidak menghasilkan peningkatan yang signifikan (Ashrafizadeh dan Khorasani, 2010).

Gambar 4.8 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi pH Umpan

Gambar 4.9 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi pH Umpan


4.1.4.3 Pengaruh Serat Membran

Peningkatan jumlah serat membran berbanding lurus dengan persen penyisihan

amonia, seperti yang terlihat pada gambar 4.9 dan 4.10. Jumlah serat membran yang

bertambah akan meningkatkan luas permukaan serat sehingga kontak langsung antara

amonia dan penyerap akan meningkat dan amonia yang dapat terserap dalam larutan

penyerap juga semakin besar.

Dari Gambar 4.9 proses gabungan membran-RHOP dengan serat membran 70

memiliki nilai %R yaitu sebesar 72,8 % dan pada Gambar 4.10 proses gabungan

membran-RHOP-ozon dengan serat membran 70 memiliki nilai %R yaitu sebesar

80,1%.

Dari keseluruhan konfigurasi proses yang divariasikan dalam penelitian ini

dapat dilihat pada Gambar 4.11 dari Gambar tersebut dapat diketahui bahwa proses

penyisihan yang paling berpengaruh adalah proses penyisihan dengan menggunakan

membran. Proses oksidasi lanjut dengan menggunakan RHOP tunggal yang digunakan

tidak berpengaruh signifikan terhadap penyisihan amonia. Karakteristik kontaktor

membran yang memang dirancang untuk menyisihkan amonia dalam jumlah yang

cukup besar, sedangkan RHOP dan ozon yang digunakan pada penelitian ini hanya

dapat digunakan untuk menyisihkan amonia dalam jumlah tertentu.

Gambar 4.10 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Serat Membran


Gambar 4.11 Variasi serat membran terhadap penyisihan Amonia dengan Gabungan Membran-RHOP

Penggabungan proses absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut

menggunakan RHOP dan ozonator meningkatkan persen penyisihan menjadi 80,1 %

bila dibandingkan dengan proses membran tunggal yang hanya dapat menyisihkan

amonia sebesar 63,9 %. Proses absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut

dalam RHOP dan ozonator merupakan gabungan proses yang efisien dan dapat

digunakan untuk penyisihan amonia dalam kapasitas yang besar dengan

meminimalkan energi yang dibutuhkan dibandingkan penggunaan proses RHOP

tunggal.

Gambar 4.12 Nilai %R pada berbagai Macam Proses Selama Selang Waktu 2 Jam.


4.1.5 Perbandingan dengan Referensi

Hasil penyisihan amonia untuk masing-masing konfigurasi proses kemudian

dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh Ashrafizadeh dan Khorasani pada

tahun 2010 dapat dilihat pada Gambar 4.12. diperoleh performa penyisihan tertinggi

hampir 100 %, sedangkan penelitian yang dilakukan hanya 63,9 % pada proses

membran, 72,8 % pada proses membran-RHOP dan 80,1 % pada proses gabungan

membran-RHOP-ozonator.

Gambar 4.13 Perbandingan Penurunan Konsentrasi Hasil Penelitian dengan Referensi

Tabel 4.1 Kondisi Operasi antara Hasil Penelitian Sekarang dengan Referensi

Kondisi Operasi Penelitian

Sekarang

Penelitian oleh Ashrafizadeh

dan Khorasani

pH limbah 11 11

Konsentrasi awal limbah

(ppm)

800 800

Laju alir limbah (m/s) 0,00139 0,053

Bahan membran PVC Polipropilen/Polietilen

Luas permukaan membran

(m2)

0,0703 1,4

Dari tabel 4.1 dapat kita dua faktor yang sangat berbeda dari kondisi operasi

referensi dangan kondisi operasi penelitian adalah laju alir limbah dan luas permukaan.

Laju alir umpan yang digunakan pada penelitian ini yaitu 5 LPM (0,00139 m/s) 38 kali


lebih rendah jika dibandingkan dengan laju alir umpan yang digunakan pada referensi

yaitu sebesar 0,053 m/s. Semakin besar laju alir limbah maka akan meningkatkan

turbulensi, sehingga akan meningkatkan laju difusi amonia ke dalam serat membran

yang pada akhirnya akan meningkatkan efisiensi penyisihan.

Pada percobaan ini total luas permukaan membran terbesar yang digunakan

hanya 0,073 m2 sedangkan total luas permukaan membran yang digunakan pada

referensi jauh lebih tinggi yaitu 1,4 m2. Luas permukaan membran yang digunakan

pada referensi 20 kali lebih besar dibandingkan dengan luas permukaan membran yang

digunakan pada percobaan ini. Perbedaan luas permukaan membran yang cukup

signifikan ini tentunya akan sangat berpengaruh terhadap efisiensi penyisihan amonia

yang diperoleh. Semakin besar luas permukaan membran yang digunakan, maka

semakin luas permukaan kontak antara molekul amonia dengan membran sehingga

semakin banyak amonia yang dapat disisihkan, yang pada akhirnya meningkatkan

efisiensi penyisihan.

4.2 Studi Perpindahan Massa

Proses separasi dalam membran sangat dipengaruhi oleh koefisien perpindahan

massa dalam membran. Laju perpindahan massa merupakan faktor penting dalam

optimasi proses aerasi dalam pengolahan limbah cair. Sedangkan koefisien

perpindahan massa merupakan faktor yang menentukan laju perpindahan massa.

Untuk mempelajari efektifitas penyisihan amonia dilakukan studi perpindahan massa.

Studi perpindahan massa dilakukan dengan mencari nilai koefisien perpindahan massa

pada proses membran, gabungan membran dan RHOP serta gabungan

membran,RHOP dan ozon untuk masing-masing variasi kondisi operasi.

Secara sigkat mekanisme pemisahan dalam jenis membran kontaktor

didasarkan pada perpindahan massa antara dua fase, amonia menguap dari larutan

umpan, berdifusi melalui pori-pori membran , dan bereaksi dengan larutan penyerap

asam sulfat (Ashrafizadeh dkk, 2012). Permukaan (interface) fluida/fluida terbentuk

pada mulut pori membran, dan perpindahan massa akan terjadi melalui difusi pada

permukaan fluida di dalam pori membran (Ashrafizadeh dan Khorasani, 2010).


4.2.1 Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Perpindahan Massa

Pada proses membran, gabungan membran dan RHOP serta gabungan

membran, RHOP dan ozonator kenaikan temperatur akan berbanding lurus dangan

besarnya koefisen perpindahan massa seperti pada Gambar 4.13, 4.14 dan 4.15. Dalam

larutan umpan kenaikan temperatur akan berpengaruh terhadap keberadaan molekul

amonia yang mudah menguap NH3. Reaksi kesetimbangan amonia dalam air bersifat

eksotermis, sehingga untuk menggeser kesetimbangan kearah pembentukan amonia,

dibutuhkan kenaikkan temperatur air limbah. Meningkatnya jumlah molekul amonia

dalam air limbah sebanding dengan meningkatnya nilai koefisien perpindahan massa

dalam membran. Suhu atau temperatur berpengaruh kepada koefisien difusi dan

viskositas, dimana dengan meningkatnya temperatur, koefisien difusi akan meningkat

dan sebaliknya viskositas akan menurun dengan meningkatnya temperatur.

Kecenderungan koefisien perpindahan massa semakin meningkat seiring

dengan bertambahnya temperatur umpan. Hal ini disebabkan semakin tinggi

temperatur umpan yang digunakan maka jumlah molekul amonia NH3 yang

terkandung di dalam umpan akan semakin tinggi (Viljoen, 2001) dan difusivitas yang

lebih besar akan diperoleh pada temperatur yang lebih tinggi. Dalam teori difusivitas

Knudsen yakni , dimana T adalah temperatur, dp adalah diameter

partikel dan M adalah berat molekul, Sehingga semakin tinggi temperatur akan

meningkatkan koefisien difusivitas. Semakin tinggi koefisien difusivitas maka akan

meningkatkan koefisien perpindahan massa.

Pada proses gabungan membran dan RHOP serta gabungan proses membran,

RHOP dan Ozon nilai koefisien perpindahan massa semakin tinggi bila dibandingkan

dengan proses membran tunggal. Hal ini disebabkan karena pada proses oksidasi lanjut

dalam RHOP dan atau ozon dapat mengurangi beban membran karena dalam proses

oksidasi lanjut terbentuk spesi aktif ozon dan radikal OH• yang dapat mendegradasi

amonia serta ion OH- yang dapat menggeser reaksi kesetimbangan amonia dalam air.


Gambar 4.14 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran

Gambar 4.15 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan Membran-RHOP


Gambar 4.16 Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Gabungan

Membran-RHOP-Ozon

4.2.2 Pengaruh pH Umpan terhadap Perpindahan Massa

Dalam penelitian terdahulu Ashrafizadeh dan Khorasani, 2010; Bhattacharya

dkk, 2012 dapat diketahui bahwa pH umpan merupakan variabel paling berpengaruh

dalam proses penyisihan amonia. Dalam larutan umpan terdapat gas amonia (NH3)

dan atau ion amonium (NH4+). Perpindahan massa amonia yang terjadi melalui

membran sangat dipengaruhi oleh reaksi kesetimbangan tersebut. Hanya molekul

amonia NH3 yang dapat langsung disisihkan, sedangkan ion amonium (NH4+) harus

bereaksi terlebih dahulu dengan ion hidroksida membentuk amonia untuk kemudian

dapat disisihkan.

Seperti pembahasan sebelumnya, untuk mengoptimalkan penyisihan amonia

dalam membran dapat dilakukan dengan meningkatkan pH limbah penambahan

natrium hidroksida (NaOH) 10 M dengan volume tertentu. Kenaikan pH pada pH 12

tidak berpengaruh signifikan terhadap proses pemisahan hal ini disebabkan karena

pada pH 12 kenaikan jumlah amonia volatil (NH3) juga tidak terlalu signifikan sesuai

dengan grafik pengaruh pH pada distribusi amonia dan amonium dalam air (Viljoen,

2001). Dengan meningkatnya pH larutan limbah maka akan meningkatkan jumlah

amonia dalam air limbah, sehingga larutan kaya akan molekul amonia yang pada

akhirnya akan meningkatkan efisiensi penyisihan amonia (El-Bourawi M.S. 2007) .


Hal ini juga sesuai dengan penelitian sebelumnya yang menunjukkan bahwa

peningkatan pH larutan umpan amonia hingga 11 dapat meningkatkan koefisien

perpindahan massa secara signifikan, sementara peningkatan pH yang lebih tinggi

tidak menghasilkan peningkatan yang signifikan (Ashrafizadeh dan Khorasani, 2010 ;

Bhattacharya dkk, 2012).

Sedangkan pengaruh pH terhadap proses oksidasi lanjut dapat dijelaskan sebagai

berikut :

1. Pada pH rendah (<7), ozon bereaksi sebagai molekul O3 dengan reaksi

yang lambat dan hanya dapat mengoksidasi senyawa-senyawa tertentu

dalam air, melalui reaksi elektrofilik, nukleofilik, atau reaksi tambahan

dipolar (reaksi langsung oleh ozon) lebih mendominasi.

2. Pada pH yang tinggi (>8) secara cepat ozon akan terdekomposisi menjadi

radikal bebas hidroksil (radikal OH●) yang dapat bereaksi dengan

mikropolutan organik maupun anorganik (reaksi tidak langsung oleh

radikal hidroksil). Sehingga reaksi tidak langsung oleh radikal hidroksil

lebih banyak terjadi. (Bader 1978)

Penelitian ini dilakukan pada kondisi basa sehingga terdapat dua mekanisme

reaksi yang terjadi pada oksidasi senyawa amonia, yaitu reaksi dengan molekul ozon

itu sendiri dan yang kedua adalah reaksi radikal hidroksil dengan senyawa fenol.

Radikal OH● mampu memecahkan amonia di dalam liquida di karenakan mempunyai

potensial oksidasi yang cukup tinggi. Dengan adanya konsentrasi radikal yang tinggi,

maka degradasi senyawa amonia akan semakin cepat. Dalam proses oksidasi lanjut

selain terbentuk ozon dan radikal OH●, pada proses selanjutnya juga akan terbentuk

ion OH- yang akan mampu menggeser reaksi kesetimbangan. Sehingga dapat

disimpulkan Reaktor Hibrida Ozon Plasma akan lebih efektif untuk mendegradasi

amonia pada pH basa.


Gambar 4.17 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan Membran-

RHOP

Gambar 4.18 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan Membran-

RHOP-Ozon

Untuk mengetahui pengaruh pH umpan terhadap nilai koefisien perpindahan

massa, digunakan data proses penyisihan amonia melalui proses membran-RHOP dan

proses gabungan membran-RHOP-ozonator, dapat dilihat pada Gambar 4.17 dan 4.18.

Dari kedua gambar tersebut dapat diketahui kenaikan pH secara simultan akan


meningkatkan koefisien perpindahan massa dalam gabungan proses absorbsi dalam

membran dan proses oksidasi lanjut dalam RHOP dan atau ozonator. Nilai koefisien

perpindahan massa pada proses gabungan membran, RHOP dan ozon lebih besar

dibandingkan dengan proses gabungan membran dan RHOP. Fenomena ini telah

dijelaskan pada pembahasan sebelumnya bahwa penambahan ozon yang diinjeksikan

kedalam RHOP akan meningkatkan pembentukan radikal OH•, sehingga proses

pemisahan juga menjadi semakin efektif.

4.2.3 Pengaruh Laju Alir dan Jumlah Serat Membran terhadap Perpindahan

Massa

Pada proses penyisihan amonia menggunakan membran, nilai koefisien

perpindahan massa akan meningkatkan seiring dengan meningkatnya laju alir umpan

seperti yang ditampilkan pada Gambar 4.19. Laju alir dalam membran serat berongga

akan meningkatkan derajat turbulensi yang selanjutnya akan berpengaruh pada

koefisien perpindahan massa dan ketebalan lapisan film. Dengan naiknya derajat

turbulensi juga akan menurunkan atau menipiskan lapisan film yang merupakan salah

satu hambatan dalam proses perpindahan massa sehingga terjadi peningkatan koefisien

perpindahan massa (Bird,1960).

Gambar 4.19 Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Membran

Pengaruh variasi jumlah serat terhadap proses perpindahan massa dapat dilihat

dari nilai koefisien perpindahan massa yang didapat. Pada Gambar 4.20 dan 4.21


diperlihatkan pengaruh jumlah serat membran terhadap nilai koefisien perpindahan

massa (k). Dari kedua gambar tersebut dapat diketahui jumlah serat berbanding

terbalik dengan koefisien perpindahan massa. Koefisien perpindahan massa turun

dengan bertambahnya jumlah serat yang terdapat di dalam kontaktor pada laju alir

umpan dan pelarut yang sama. Secara matematis koefisien perpindahan massa

berbanding terbalik dengan luas permukaan membran (Am) yang merupakan fungsi

dari jumlah serat membran dan berbanding lurus dengan diameter penampang

membran. Semakin banyak jumlah serat membran maka luas penampang membran

akan meningkat dan koefisien perpindahan massa akan menurun.

Gambar 4.20 Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Membran-RHOP


Gambar 4.21 Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Gabungan

Membran-RHOP-Ozon

Jumlah serat berpengaruh terhadap nilai fraksi kekosongan, dimana jumlah

serat berbanding terbalik dengan fraksi kekosongan (φ). Fraksi

Menurunnya nilai koefisien perpindahan massa ini disebabkan semakin tinggi fraksi

kekosongan (φ) atau semakin sedikit jumlah serat di dalam kontaktor semakin baik

kontak yang terjadi antara serat dengan air karena pergerakan serat di dalam kontaktor

juga semakin dinamis. Efek ini dikenal sebagai renewal effect yang dapat

menyebabkan peningkatan koefisien perpindahan massa di dalam kontaktor membran

serat berongga (Lipnizki dan Field, 2001). Dari sudut pandang yang lain,

ketergantungan geometri dari profil lapisan interfasa dapat juga meningkatkan

koefisien perpindahan massa dari kontaktor dengan fraksi kepadatan membran yang

lebih rendah. Kenaikan ini berbanding langsung dengan kondisi lapisan perpindahan

massa dimana lapisan tahanan perpindahan massanya jadi semakin tipis dengan

naiknya derajat kurvatur, semisal turunnya diameter luar serat dengan kondisi lainnya

yang tetap. Lebih jauh lagi efek ini deperkuat dengan serat yang bergerak di dalam

kontaktor untuk menciptakan lapisan perpindahan massa yang baru. Dengan demikian

berdasarkan teori ini koefiien perpindahan massa naik dengan turunnya fraksi

kepadatan membran di dalam kontaktor, khususnya pada laju alir air yang besar.

Berdasarkan gambar 4.22, dapat dijelaskan bahwa koefisien perpindahan massa

naik dengan naiknya laju alir umpan, dan turun dengan naiknya jumlah serat di dalam


kontaktor. Sehingga dapat disimpulkan adanya ketergantungan koefisien perpindahan

massa terhadap tingkat kepadatan serat di dalam kontaktor membran (φ) dan laju alir

cairan di dalam kontaktor (Re) (Hasanoglu dkk., 2010).

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.22 Koefisien Perpindahan Massa pada (a) Proses Membran Variasi Laju Alir

(b)Proses Gabungan Membran-RHOP dan (c)Proses Gabungan Membran-RHOP-Ozon Variasi

Jumlah Serat

Dari grafik 4.23 dapat diketahui dengan penggabungan proses membran dan

RHOP serta ozon dapat meningkatkan koefisien perpindahan massa Nilai koefisien


perpindahan massa pada proses gabungan membran, RHOP dan ozon lebih besar

dibandingkan dengan proses gabungan membran dan RHOP. Fenomena ini telah

dijelaskan pada pembahasan sebelumnya bahwa penambahan ozon yang diinjeksikan

kedalam RHOP akan meningkatkan pembentukan radikal OH•, sehingga proses

pemisahan juga menjadi semakin efektif.

Selain itu juga dapat dilihat bahwa pengaruh kenaikan suhu lebih signifikan

pada konfigurasi proses gabungan membran dan RHOP, serta gabungan membran,

RHOP dan ozonator dibandingkan dengan proses tunggal membran. Hal ini seperti

dijelaskan pada penjelasan sebelumnya kenaikan suhu akan meningkatkan jumlah

NH3 dalam umpan dan memudahkan terjadinya tumbukan elektron, sehingga

memudahkan plasma terbentuk. Terjadinya plasma akan mempengaruhi terbentuknya

ozon, radikal OH● dan ion OH- yang berperan dalam proses penyisihan amonia.

Sehingga penggabungan proses membran, RHOP dan Ozonator serta kenaikan suhu

akan secara simultan berpengaruh terhadap peningkatan penyisihan amonia.

Gambar 4.23. Perbandingan Konfigurasi Proses Membran, Membran-RHOP dan Membran-

RHOP-Ozon pada kondisi operasi suhu 300C dan pada kondisi operasi suhu 400C


BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan dapat diperoleh

beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Penyisihan amonia dengan proses tunggal membran menggunakan larutan penyerap

asam sulfat dapat menyisihkan amonia sebesar 63,9 %.

2. Konfigurasi gabungan absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut dalam

RHOP dapat meningkatkan penyisihan amonia menjadi 81,3 %, dengan kondisi

operasi optimum dalam penelitian ini diperoleh pada temperatur 400C, pH 11 dan

jumlah serat 70.

3. Sistem RHOP yang telah dirancang terbukti dapat meningkatkan penyisihan

amonia dalam membran dengan waktu sirkulasi tertentu meskipun masih

membutuhkan beberapa penyempurnaan.

Adapun saran untuk penelitian selanjutnya untuk meningkatkan efektivitas

penyisihan amonia menggunakan proses gabungan membran-RHOP-ozonator dapat

dilakukan dengan cara:

1. Mengunakan reaktor plasma yang memiliki kapasitas lebih besar dan membran

serat berongga dengan jumlah serat yang semakin banyak.

2. Memperpanjang waktu sirkulasi yaitu lebih dari 2 jam.


DAFTAR PUSTAKA

Ashrafizadeh, S.N. Khorasani, Z. (2010), Ammonia removal from aqueous solutions

using hollow-fiber membrane contactors', Chemical Engineering Journal, 162 (1), 242-49.

Ashrafizadeh, S.N. Mashallah Rezakazemi, Saeed Shirazian (2012), Simulation of ammonia removal from industrial wastewater streams by means of a hollow- fiber membrane contactor, Desalination Journal 285, 383-392 Alnaizy and Akgerman (2000), Advanced Oxidation of Phenolic Coumpound.

Ban Ji-Young, Hyun II Kim, Sui-Jin Choung, Harim Jeong, Misook Kang (2008), NH3 removal using the dielectric barrier discharge plasma V-TiO2

photocatalytic hybrid system, Korean J. Chem. Eng, 25 (4), 780-860.

Beauty, D., (2010 ), Pengaruh pH pada Proses Penyisihan Amonia dari Air Limbah melalui Kontaktor Membran Serat Berongga menggunakan Larutan Penyerap Bahan Alami . Depok

Bhattacharya, Prashant K. dkk., (2012) Model prediction and experimental studies on the removal of dissolved NH3 from water applying hollow fiber membrane contactor, Journal of Membrane Science, 390– 391.

Bonmatati�, August dan Flotats, Xavier (2003), Air stripping of ammonia from pig slurry: characterisation and feasibility as a pre- or post-treatment to mesophilic anaerobic digestion, Waste Management, 23(3), 261-272.

Chandra, D. (ed.) (2009), Ammonia removal from aqueous solutions using hollow fiber membrane using natural hot spring water (Departement of Chemical Engineering University of Indonesia).

Cui, Z.F. Muralidhara, H.S. (2010), Membrane Technology: A Practical Guide to Membrane Technology and Applications in Food and Bioprocessing (Burlington: Elsevier).

Ding, Z., Liu, Liying Li, Zhaoman, Ma, Runyu, Yang, Zurong, (2006), Experimental study of ammonia removal from water by membrane distillation (MD): The comparison of three configurations, Journal of Membrane Science, 286(1-2), 93-103.

Drioli, E., Criscuoli, A., and Curcio, E. (2006), Membrane Contactors: Fundamentals, Applications, and Potentialities (11; Weinheim: Wiley-VCH).


El-Bourawi, M. S., Khayet, dkk., (2007), Application of vacuum membrane distillation for ammonia removal, Journal of Membrane Science, 301 (1-2), 200-209.

Frensenius , W.,et.al.(1987). Water Analysis. Deutsche Gessellschaft Fur Eschborn.

F. Lipnizki, R.W. Field, (2001),Mass transfer performance for hollow fibre modules with shell-side axial feed flow: using an engineering approach to develop a framework, Journal of Membrane Science 193, hal 195-208

Gabelman, A. and S.-T. Hwang., (1999), Hollow fiber membrane contactors, Journal of Membrane Science, 159 (1-2), 61-106.

Gerrity, D., B. S. Stanford, dkk., (2009), An evaluation of a pilot-scale nonthermal plasma advanced oxidation process for trace organic compound degradation, Water Research, 30, 1-12.

Guo, X., Zhang, Z.,Fang, L.,Su, L. (2009), Study on ultrafiltration for surface water by a polyvinylchloride hollow fiber membrane, Desalination, 238 (1–3), 183-91.

Hasanouglu, A., Romero, J., Perez, B., Plaza, A., (2010), Ammonia removal from wastewater streams through membrane contactors: experimental and theoretical analysis of operation parameters and configurations, Chemical Engineering Journal, 160(2), 530-537.

Hikmawan, Teguh.,(2009) Proses Pengolahan Air yang Mengandung Tembaga, Timbal dan Amonia dengan Proses Ozonasi Gelembung Mikro dan Filtrasi Membran, Skripsi (52-55), Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia. Indonesia

Horan, N.J. (ed.), (1990), Biological treatment systems theory and operation (England: John Wiley and soons).

H. Huang, L. Tang., (2007), Treatment of organic waste using thermal plasma pyrolysis technology, Energy Conversion and Management, 48, 1331-1337.

Irawan, F., (2010). Makalah Pengetahuan Bahan Polivinil Klorida.

J. Mallevialle, P. E. O., M. R. Wiesner. (1996). Water Treatment Membrane Process.

Kartohardjono, Sutrasno.(2008). Penggunaan Kontaktor Membran Serat Berlubang untuk Proses Penyerapan Gas CO2 oleh Pelarut Air dan Larutan Encer NaOH. Journal Teknologi, 2.

Kartohardjono, S., Putri, M. N., dan Bismo, S., (2011), Combination of ozonation and absorption through membrane processes to remove ammonia form


wastewater, In The International Seminar on Chemical Engineering Soehadi Reksowardojo (Bandung: Departement of Chemical Engineering Universitas Indonesia).

Khulbe, K.C. Feng, C.Y. Matsuura, T. (2008), Synthetic Polymeric Membranes Characterization by Atomic Force Microscopy (London: Springer Verlag Berlin Heidelberg).

Krupta, S. V., (2003), Effects of atmospheric ammonia (NH3) on terrestrial vegetation: a review, Enviromental Pollution, 124, 179-221.

L, Xia.,Li Huang , Xiaohong Shu, dkk. (2008), Removal of Ammonia from gas streams with dielectric barrier discharge plasmas, Journal of Hazardous Materials 152, 113-119.

Li Huang., Liang Li.,Wenbo Dong.,Yan Liu.,Huiqi Hou., (2008), Removal of ammonia by OH radical in aqueous phase, Environ. Sci. Technol. 42, 8070–8075.

Locke, B. R., M. Sato, P. Sunka, et.al., (2006), Electrohydraulic Discharge and Nonthermal Plasma for Water Treatment, Ind. Eng. Chem. Res., 45, 882-905.

Lukes,Petr.,& Locke, Bruce.,R (2005), Plasmachemical oxidation processes in a hybrid gas–liquid electrical discharge reactor, J. Phys. D: Appl. Phys.

Putri, M. H., (2011 ), Proses Hibrid Ozonasi dan Membran untuk Penyisihan Amonia dari Air Limbah . Depok

Metcalf and Eddy, (1991), Wastewater engineering treatment, disposal,and reuse 3th, (Singapore: McGraw-Hill,Inc).

Moustakas, dkk (2005), Demontration plasma gasification-vitrification system for effective hazardous waste treatment, Journal of Hazardous Materials, 123, 120-126.

Mulder, M. (ed.), (2000), Basic principles of membrane technology, (Netherland: Kluwer Academic Publisher).

Munter, Rein, (2001), Advanced Oxidation Processes – Current Status And Prospects. Department Of Chemical Engineering: Tallinn Technical University.

Norddahl, B., Horn, V. G., Larsson, M., du Preez, J. H.,Christensen, K., (2006), A Membrane Contactor for Ammonia Stripping, Pilot Scale Experience and Modeling. Desalination, 199 (1-3), 172-174.


OR-OSHA (2009), Industrial Hygiene Ammonia (NH3), (SS-416; Salem: SAIF Corporation).

Peinemann, K-V. Nunes, S.P. (2006), Membrane Technology in the Chemical Industry (2 edn.; Weinheim: Wiley-VCH).

Roth, J.R. (ed.), (2001), Aplications to Nonthermal Plasma Processing, (Industrial Plasma Engineering 2: IOP Publish Philadelphia).

Semmens, M. J., D. M. Foster, dkk. (1990), Ammonia removal from water using microporous hollow fibers Journal of Membrane Science, 51 (1-2), 127-140.

Schlichter B., M. V., Chemiel H. (2003), Comparative characterisation of different commercial UF membranes for dringking water production, Journal Water Supply Res. Technology.

Treybal, Robert. E. (1981). Mass-Transfer Operations. 3rd edition. Penerbit McGraw- Hill inc. Singapore.

Viljoen, Hendrik J. dkk., (2001), Removal of Ammonia from Aqueous Systems in a Semibatch Reactor, Department of Chemical Engineering, University of Nebraska, 3361-3368,

Wu, J., dan Chen, V., (2000), Shell-side mass transfer performance of randomly packed

hollow fiber modules, Journal of Membrane Science 172, 59-74.

Xie, Z., Duong, Tuan, Hoang, Manh, Nguyen, Cuong, Bolto, & Brian., (2009), Ammonia removal by sweep gas membrane distillation, Water Research, 43 (6), 1693-1699.

Xu, J and Xu, Z-L (2002), Poly(vinyl chloride) (PVC) hollow fiber ultrafiltration membranes prepared from PVC/additives/solvent, Journal of Membrane Science, 208 (1–2), 203-12.


LAMPIRAN 1

DATA PENGAMATAN

1.1 Preparasi Larutan Amonium Sulfat

Larutan amonia 800 ppm sebagai larutan umpan dibuat dari amonium

sulfat sebanyak 5 liter, dengan perhitungan sebagai berikut:

Berat molekul amonia : 17

Berat molekul amonium sulfat : 132

Gram (NH4)2SO4 =

Gram (NH4)2SO4 =

Gram (NH4)2SO4 = 15,5294 gram

Larutan ammonium sulfat dibuat dengan melarutkan ± 15,5294 gram

(NH4)2SO4 dalam 5 liter aquades. Larutan ini memiliki pH ± 6, untuk mencapai

pH basa 11 perlu ditambahkan larutan NaOH 10 M, sekitar 0,5 ml (10-11 tetes).

Beberapa asumsi yang digunakan:

• Volume (NH4)2SO4 tidak signifikan terhadap keseluruhan volume.

• Penentuan pH awal sebesar ± 6 menggunakan pH meter, pH meter

dianggap dianggap telah mendeteksi seluruh ion H+ dalam larutan.

• NaOH yang digunakan adalah 100% murni.

• Reaksi yang berlangsung adalah reaksi volumetrik, tidak terjadi

penyusutan ataupun ekspansi volume akibat pengaruh intermolecular

forces.

1.2 Preparasi Larutan Penyerap Asam Sulfat

Air aquades dengan volume sebesar 3 liter memiliki pH 6,8. Air

aquades ditambahkan dengan asam sulfat (H2SO4) 18 M (96% v/v). Untuk

membuat pH larutan penyerap sesuai dengan variabel percobaan pH 1 adalah

dengan cara :

1. pH dari air aquades diperoleh dari observasi menggunakan pH meter,

larutan asam sulfat ditambahkan ke dalam aquades hingga mencapai pH


yang diinginkan artinya pH meter sudah mendeteksi total mol asam dalam

volume larutan.

2. Reaksi yang terjadi adalah reaksi volumetrik, tidak terjadi penyusutan

ataupun ekspansi volume akibat pengaruh intermolecular forces.

3. Untuk membuat larutan asam sulfat pH 1 ditambahkan larutan asam sulfat

+ 30 tetes. Jika menggunakan pipet tetes yang baik, 1 mL = 20 tetes.

1.3 Data Penyisihan Amonia

Data pengamatan perubahan konsentrasi amonia diperoleh dari proses

penyisihan amonia menggunakan berbagai variasi proses, yaitu: proses

membran, RHOP, RHOP-ozon, membran-RHOP, membran-RHOP-ozon.

Data pengamatan perubahan konsentrasi dari proses penyisihan amonia

diperoleh dengan , sebagai berikut:

- Laju sirkulasi air limbah dengan variasi 3 Lpm, 4 Lpm, dan 5 Lpm.

- Jumlah serat membran berongga dengan variasi 50, 60, dan 70.

- Temperatur umpan 20oC, 30oC, dan 40oC.

- pH larutan umpan (amonia) dengan variasi pH 10, 11, dan 12.

1.3.1 Data Penyisihan Amonia dengan Membran

1.3.1.1 Variasi Laju Alir Umpan

a) Variasi Laju Alir Umpan 3 Lpm

Berat (NH4)2SO4 tertimbang = 15, 5294 gram

pH umpan setelah penambahan NaOH = 11

pH larutan penyerap asam sulfat = 1,04

Temperatur umpan = 30oC

Jumlah Serat Membran = 70


t (detik)

Larutan Umpan Konsentrasi faktor faktor Konsentrasi

terbaca (ppm) koreksi pengenceran

aktual (ppm)

0 6.54 1.216 100 795.264 1200 5.82 1.216 100 707.712 2400 5.13 1.216 100 623.808 3600 4.59 1.216 100 558.144 4800 4.06 1.216 100 493.696 6000 3.65 1.216 100 443.84 7200 3.18 1.216 100 386.688

b) Variasi Laju Alir Umpan 4 Lpm






t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.63 1.216 100 684.608 2400 4.85 1.216 100 589.76 3600 4.22 1.216 100 513.152 4800 3.59 1.216 100 436.544 6000 3.12 1.216 100 379.392 7200 2.79 1.216 100 339.264

c) Variasi Laju Alir Umpan 5 Lpm







t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.48 1.216 100 666.368 2400 4.63 1.216 100 563.008 3600 3.92 1.216 100 476.672 4800 3.32 1.216 100 403.712 6000 2.76 1.216 100 335.616 7200 2.37 1.216 100 288.192

1.3.1.2 Variasi Temperatur Umpan

a) Variasi Suhu Umpan 20oC




Laju Alir umpan = 5 Lpm


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.62 1.216 100 683.392 2400 4.95 1.216 100 601.92 3600 4.28 1.216 100 520.448 4800 3.89 1.216 100 473.024 6000 3.49 1.216 100 424.384 7200 2.78 1.216 100 338.048

b) Variasi Suhu Umpan 30oC







t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.48 1.216 100 666.368 2400 4.63 1.216 100 563.008 3600 3.92 1.216 100 476.672 4800 3.32 1.216 100 403.712 6000 2.76 1.216 100 335.616 7200 2.37 1.216 100 288.192

c) Variasi Suhu Umpan 40oC






t (detik)



aktual (ppm)

0 6.55 1.216 100 796.48 1200 5.39 1.216 100 655.424 2400 4.55 1.216 100 553.28 3600 3.91 1.216 100 475.456 4800 3.22 1.216 100 391.552 6000 2.62 1.216 100 318.592 7200 2.18 1.216 100 265.088

1.3.2 Data Penyisihan Amonia dengan RHOP

a) pH limbah setelah penambahan NaOH = 10

Berat (NH4)2SO4 tertimbang = 15,5296 gram

Temperatur = 30oC

Laju alir umpan = 0,2 Gpm

Laju alir udara = 12,5 Lpm

Tegangan Plasma = 9300 V

Arus Plasma = 225 mA


t (detik)


terbaca (ppm) koreksi pengenceran aktual (ppm) 0 6.56 1.216 100 797.696

1200 6.3 1.216 100 766.08 2400 6.24 1.216 100 758.784 3600 6.19 1.216 100 752.704 4800 6.11 1.216 100 742.976 6000 6.06 1.216 100 736.896 7200 5.93 1.216 100 721.088

b) pH limbah setelah penambahan NaOH = 11







t (detik)



1200 6.24 1.216 100 758.784 2400 6.18 1.216 100 751.488 3600 6.1 1.216 100 741.76 4800 6.05 1.216 100 735.68 6000 5.98 1.216 100 727.168 7200 5.82 1.216 100 707.712

c) pH limbah setelah penambahan NaOH = 12








t (detik)



1200 6.21 1.216 100 755.136 2400 6.18 1.216 100 751.488 3600 6.11 1.216 100 742.976 4800 6.05 1.216 100 735.68 6000 5.95 1.216 100 723.52 7200 5.81 1.216 100 706.496

1.3.3 Data Penyisihan Amonia dengan Gabungan RHOP & Ozon






Tegangan plasma = 9300 V


Tegangan Ozon = 10100 V

Arus Ozon = 400 mA

Laju Alir Ozon = 150 L/h

t (detik)



1200 6.28 1.216 100 763.648 2400 6.14 1.216 100 746.624 3600 6.06 1.216 100 736.896 4800 5.88 1.216 100 715.008 6000 5.75 1.216 100 699.2 7200 5.53 1.216 100 672.448










Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



1200 6.29 1.216 100 764.864 2400 6.15 1.216 100 747.84 3600 5.99 1.216 100 728.384 4800 5.82 1.216 100 707.712 6000 5.68 1.216 100 690.688 7200 5.47 1.216 100 665.152





Laju alir umpan = 5 Lpm




Arus Ozon = 400 mA



t (detik)



1200 6.21 1.216 100 755.136 2400 6.07 1.216 100 738.112 3600 5.91 1.216 100 718.656 4800 5.76 1.216 100 700.416 6000 5.53 1.216 100 672.448 7200 5.37 1.216 100 652.992

1.3.4 Data Penyisihan Amonia dengan Gabungan Membran & RHOP

1.3.4.1 Variasi Temperatur Umpan Amonia

a) Temperatur umpan 20oC


pH limbah setelah penambahan NaOH = 11


Jumlah serat membran = 70





t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.44 1.216 100 661.504 2400 4.68 1.216 100 569.088 3600 3.72 1.216 100 452.352 4800 3.27 1.216 100 397.632 6000 2.85 1.216 100 346.56 7200 2.13 1.216 100 259.008

b) Temperatur umpan 30oC










t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.29 1.216 100 643.264 2400 4.26 1.216 100 518.016 3600 3.43 1.216 100 417.088 4800 2.76 1.216 100 335.616 6000 2.22 1.216 100 269.952 7200 1.79 1.216 100 217.664

c) Temperatur umpan 40oC









t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.18 1.216 100 629.888 2400 3.98 1.216 100 483.968 3600 3.14 1.216 100 381.824 4800 2.37 1.216 100 288.192 6000 1.97 1.216 100 239.552 7200 1.62 1.216 100 196.992


1.3.4.2 Variasi pH umpan Amonia





Jumlah serat membran = 70 serat





t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.58 1.216 100 678.528 2400 4.86 1.216 100 590.976 3600 3.84 1.216 100 466.944 4800 3.32 1.216 100 403.712 6000 2.86 1.216 100 347.776 7200 2.25 1.216 100 273.6




Temperatur = 30oC







t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.29 1.216 100 643.264 2400 4.26 1.216 100 518.016 3600 3.43 1.216 100 417.088 4800 2.76 1.216 100 335.616 6000 2.22 1.216 100 269.952 7200 1.79 1.216 100 217.664




Temperatur = 30oC






t (detik)



aktual (ppm)

0 6.58 1.216 100 800.128 1200 5.31 1.216 100 645.696 2400 4.37 1.216 100 531.392 3600 3.32 1.216 100 403.712 4800 2.64 1.216 100 321.024 6000 2.19 1.216 100 266.304 7200 1.72 1.216 100 209.152

1.3.4.3 Variasi Serat Membran

a) Variasi Serat Membran 50










t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.62 1.216 100 683.392 2400 4.81 1.216 100 584.896 3600 4.11 1.216 100 499.776 4800 3.52 1.216 100 428.032 6000 3.01 1.216 100 366.016 7200 2.58 1.216 100 313.728

b) Variasi Serat Membran 60









t (detik)



aktual (ppm)

0 6.58 1.216 100 800.128 1200 5.46 1.216 100 663.936 2400 4.53 1.216 100 550.848 3600 3.76 1.216 100 457.216 4800 3.12 1.216 100 379.392 6000 2.59 1.216 100 314.944 7200 2.15 1.216 100 261.44


c) Variasi Serat Membran 70









t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.29 1.216 100 643.264 2400 4.26 1.216 100 518.016 3600 3.43 1.216 100 417.088 4800 2.76 1.216 100 335.616 6000 2.22 1.216 100 269.952 7200 1.79 1.216 100 217.664


1.3.5 Data Penyisihan Amonia dengan Gabungan Kontaktor Membran

dengan RHOP & Ozonator

1.3.5.1 Variasi Temperatur Umpan Amonia

a) Temperatur umpan 20oC










Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.29 1.216 100 643.264 2400 4.12 1.216 100 500.992 3600 3.39 1.216 100 412.224 4800 2.82 1.216 100 342.912 6000 2.17 1.216 100 263.872 7200 1.56 1.216 100 189.696

b) Temperatur umpan 30oC











Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.58 1.216 100 800.128 1200 5.04 1.216 100 612.864 2400 3.96 1.216 100 481.536 3600 3.13 1.216 100 380.608 4800 2.41 1.216 100 293.056 6000 1.89 1.216 100 229.824 7200 1.31 1.216 100 159.296

c) Temperatur umpan 40oC


pH larutan penyerap asam sulfat = 1








Arus Ozon = 400 mA



t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.07 1.216 100 616.512 2400 3.83 1.216 100 465.728 3600 2.98 1.216 100 362.368 4800 2.19 1.216 100 266.304 6000 1.71 1.216 100 207.936 7200 1.23 1.216 100 149.568

1.3.5.2 Variasi pH Umpan Amonia











Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.36 1.216 100 651.776 2400 4.27 1.216 100 519.232 3600 3.54 1.216 100 430.464 4800 2.99 1.216 100 363.584 6000 2.63 1.216 100 319.808 7200 1.88 1.216 100 228.608












Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.58 1.216 100 800.128 1200 5.04 1.216 100 612.864 2400 3.96 1.216 100 481.536 3600 3.13 1.216 100 380.608 4800 2.41 1.216 100 293.056 6000 1.89 1.216 100 229.824 7200 1.31 1.216 100 159.296












Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.58 1.216 100 800.128 1200 5.01 1.216 100 609.216 2400 3.83 1.216 100 465.728 3600 2.92 1.216 100 355.072 4800 2.27 1.216 100 276.032 6000 1.88 1.216 100 228.608 7200 1.3 1.216 100 158.08












Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.57 1.216 100 798.912 1200 5.33 1.216 100 648.128 2400 4.26 1.216 100 518.016 3600 3.61 1.216 100 438.976 4800 2.95 1.216 100 358.72 6000 2.59 1.216 100 314.944 7200 2.01 1.216 100 244.416





pH larutan penyerap asam sulfat = 1







Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.56 1.216 100 797.696 1200 5.15 1.216 100 626.24 2400 4.04 1.216 100 491.264 3600 3.31 1.216 100 402.496 4800 2.62 1.216 100 318.592 6000 2.25 1.216 100 273.6 7200 1.65 1.216 100 200.64












Arus Ozon = 400 mA


t (detik)



aktual (ppm)

0 6.58 1.216 100 800.128 1200 5.04 1.216 100 612.864 2400 3.96 1.216 100 481.536 3600 3.13 1.216 100 380.608 4800 2.41 1.216 100 293.056 6000 1.89 1.216 100 229.824 7200 1.31 1.216 100 159.296

1.3.6 Uji Produktivitas Ozon

Reaktor hibrida ozon-plasma dan ozonator yang digunakan perlu dihitung

produktivitasnya agar diketahui besarnya ozon yang dihasilkan.

1.3.6.1 Preparasi Bahan-bahan yang Dibutuhkan untuk Pengujian

Produktivitas Ozonator

Proses pembuatan bahan-bahan yang dibutuhkan adalah sebagai berikut:

a. Buat larutan KI 0,1 N dengan cara melarutkan 20 g KI ke dalam 1000

mL aquades

b. Larutkan 0,62 g Na2S2O3.5H2O ke dalam 1000 mL aquades sehingga

didapat larutan Na2S2O3.5H2O 0,005 N

c. Encerkan larutan H2SO4 pekat (18 N) sebanyak 14 mL ke dalam aquades

sampai didapat larutan H2SO4 2 N sebanyak 250 mL

d. Larutkan 1 g padatan starch ke dalam aquades hingga 100 mL, panaskan

hingga mendidih, lalu dinginkan sehingga didapat larutan amilum 1 %

1.3.6.2 Pengukuran konsentrasi ozon yang dihasilkan oleh ozonator

menggunakan metode Iodometri.

Metode ini berdasarkan reaktivitas ozon terhadap larutan KI, dengan

langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:

1. Disiapkan 2 buah erlenmeyer 500 mL dan gas washing bubbler

(bubbler) yang terdiri dari hulu dan hilir. Ditambahkan 200 mL KI


2% ke dalam masing-masing erlenmeyer tersebut. Tutup dengan gas

washing bubbler (bubbler) dan disambungkan dengan selang ke bagian

ozonator.

2. Dinyalakan ozonator dan stopwatch, kemudian diamati sampai larutan

manghasilkan warna kuning baik di hulu maupun hilir.

3. Apabila sudah terbentuk warna kuning, selanjutnya mematikan

ozonator dan stopwatch. Catat waktu yang dibutuhkan sampai

terjadinya perubahan warna menjadi kuning.

4. Kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 2N dan

dititrasi dengan Na2S2O3 0,005 N. Titrasi dilakukan sampai warna

larutan kuning menjadi sedikit kuning muda. Kemudian ditambahkan

dengan indikator amilum sehingga larutan menjadi warna biru,

lanjutkan titrasi sampai larutan tidak berwarna. Titrasi dilakukan untuk

sampel hulu dan hilir.

5. Dicatat volume titrasi yang diperoleh kemudian lakukan perhitungan.

Pengujian ini dilakukan duplo pada tegangan regulator 9300 Volt

dengan

laju udara 150 L/jam.

Reaksi antara ozon dengan KI :

(1)

Pembebasan Iod oleh Na2S2O3.5H2O :

(2)

(3)

Dari reaksi di atas dapat kita hitung produktivitas ozon pada plasma dan pada

reaktor hibrida plasma-ozon. Berikut ini uraian perhitungan produktivitas ozon:


1.3.6.3 Uji Produktivitas Ozon pada RHOP

t = 1 jam 2 menit = 3720 detik

volume larutan Natrium Tio Sulfat = 0,3 mL

mol ozon = ½ x mol Na2S2O3.5H2O

= ½ x (0,005 mol x 0,0003 L)

= 7,5 x 10-7 mol

WO3 = mol O3 x BM O3

= 7,5 x 10-7 mol x 48 gr/mol

= 3,6 x 10-5 gram = 3x 10-2 mg

Produktivitas ozon =

=

= 0,029 mg/hr

1.3.6.4 Uji Produktivitas Ozon pada RHOP digabung dengan Ozonator

t= 6 detik

volume larutan Natrium Tio Sulfat = 0,8 mL

mol ozon = ½ x mol Na2S2O3.5H2O

= ½ x (0,005 mol x 0,0008 L)

= 2 x 10-6 mol

WO3 = mol O3 x BM O3

= 2 x 10-6mol x 48 gr/mol

= 9,6 x 10-5 gram = 9,6 x 10-2 mg

Produktivitas ozon =

=

= 0,0576 mg/hr


1.3.6.5 Perhitungan Energi dan Biaya Listrik Skala Laboratorium

a. Seperangkat Membran

Pompa umpan membran

Daya (kW) Waktu sirkulasi (jam) Energi (kWh)

0,023 2 0,046

Pompa peristaltik untuk larutan penyerap


0,008 2 0,016

b. Seperangkat Reaktor Hibrida Ozon Plasma (RHOP)

Pompa RHOP


0,008 2 0,016

Reaktor Hibrida Ozon Plasma (RHOP)


0,021 2 0,042

Kompresor


0,421 0,5 (untuk kebutuhan sirkulasi 2 jam, pengisian

kompressor digunakan dalam waktu 30 menit)

0,211

Ozon


0,046 2 0,092

Jadi total energi yang dibutuhkan untuk keseluruhan proses dengan waktu

sirkulasi 2 jam adalah 0,423 kWh. Biaya listrik dihitung berdasarkan tarif dasar

listrik untuk industri adalah sebesar Rp 796,- per kWh, maka:

Biaya listrik total = Rp 796,- 0,423 = Rp 337,-


LAMPIRAN 2

PENGOLAHAN DATA

2.1 Perhitungan Efisiensi Penyisihan Amonia (%R)

Efisiensi penyisihan amonia dinyatakan oleh nilai % rejeksi (%R) yang

ditentukan menggunakan persamaan:

Dimana,

C0 = konsentrasi awal amonia pada larutan umpan (mg/L)

Ct = konsentrasi amonia pada waktu t

Contoh perhitungan efisiensi penyisihan amonia menggunakan membran serat 40

dengan laju alir 3 Lpm pada selama 7200 detik:

2.1.1 Efisiensi Penyisihan Amonia Menggunakan Proses Membran


a) Laju Alir Umpan 3 Lpm

t (detik)

Konsentrasi %R NH3 (ppm)

0 795.264 0 1200 707.712 0.110091743 2400 623.808 0.21559633 3600 558.144 0.298165138 4800 493.696 0.379204893 6000 443.84 0.441896024 7200 386.688 0.513761468

b) Laju Alir Umpan 4 Lpm

t (detik)


0 798.912 0 1200 684.608 0.143074581 2400 589.76 0.261796043 3600 513.152 0.357686454 4800 436.544 0.453576865 6000 379.392 0.525114155 7200 339.264 0.575342466


c) Laju Alir Umpan 5 Lpm

t (detik)


0 797.696 0 1200 666.368 0.164634146 2400 563.008 0.294207317 3600 476.672 0.402439024 4800 403.712 0.493902439 6000 335.616 0.579268293 7200 288.192 0.638719512

Gambar 1. Persen Penyisihan pada Proses Penyisihan Amonia dengan Membran dengan

Vaariasi Laju Alir Umpan


a) Temperatur 200C

t (detik)


0 797.696 0 1200 683.392 0.143292683 2400 601.92 0.245426829 3600 520.448 0.347560976 4800 473.024 0.407012195 6000 424.384 0.467987805 7200 338.048 0.576219512


b) Temperatur 300C

t (detik)


0 797.696 0 1200 666.368 0.164634146 2400 563.008 0.294207317 3600 476.672 0.402439024 4800 403.712 0.493902439 6000 335.616 0.579268293 7200 288.192 0.638719512

c) Temperatur 400C

t (detik)


0 796.48 0 1200 655.424 0.177099237 2400 553.28 0.305343511 3600 475.456 0.403053435 4800 391.552 0.508396947 6000 318.592 0.6 7200 265.088 0.667175573

Gambar 2. Persen Penyisihan pada Proses Penyisihan Amonia dengan Membran dengan

Variasi Temperatur Umpan


2.1.2 Efisiensi Penyisihan Amonia Menggunakan Proses RHOP

a) pH Umpan 10

t (detik)


0 797.696 0 1200 766.080 0.040 2400 758.784 0.049 3600 752.704 0.056 4800 742.976 0.069 6000 736.896 0.076 7200 721.088 0.096

b) pH Umpan 11

t (detik)


0 795.264 0 1200 758.784 0.046 2400 751.488 0.055 3600 741.760 0.067 4800 735.680 0.075 6000 727.168 0.086 7200 707.712 0.110

c) pH Umpan 12

t (detik)


0 800.128 0.000 1200 755.136 0.056 2400 751.488 0.061 3600 742.976 0.071 4800 735.68 0.081 6000 723.52 0.096 7200 706.496 0.117


Gambar 3. Persen Penyisihan pada Proses Penyisihan Amonia dengan RHOP

2.1.3 Efisiensi Penyisihan Amonia Menggunakan Proses RHOP-Ozon

a) pH Umpan 10

t (detik)


0 798.912 0.0000 1200 763.648 0.0441 2400 746.624 0.0654 3600 736.896 0.0776 4800 715.008 0.1050 6000 699.200 0.1248 7200 672.448 0.1583

b) pH Umpan 11

t (detik)


0 802.560 0.0000 1200 764.864 0.0470 2400 747.840 0.0682 3600 728.384 0.0924 4800 707.712 0.1182 6000 690.688 0.1394 7200 665.152 0.1712


c) pH Umpan 12

t (detik)


0 798.912 0.0000 1200 755.136 0.0548 2400 738.112 0.0761 3600 718.656 0.1005 4800 700.416 0.1233 6000 672.448 0.1583 7200 652.992 0.1826

Gambar 4. Persen Penyisihan pada Proses Penyisihan Amonia dengan RHOP-Ozon

2.1.4 Efisiensi Penyisihan Amonia Menggunakan Proses Membran-RHOP


a) Temperatur 20oC

t (detik)


0 797.696 0 1200 661.504 0.170731707 2400 569.088 0.286585366 3600 452.352 0.432926829 4800 397.632 0.50152439 6000 346.56 0.56554878 7200 259.008 0.675304878


b) Temperatur 30oC

t (detik)


0 798.912 0 1200 643.264 0.194824962 2400 518.016 0.351598174 3600 417.088 0.477929985 4800 335.616 0.579908676 6000 269.952 0.662100457 7200 217.664 0.727549467

c) Temperatur 40oC

t (detik)


0 797.696 0 1200 629.888 0.210365854 2400 483.968 0.393292683 3600 381.824 0.521341463 4800 288.192 0.638719512 6000 239.552 0.699695122 7200 196.992 0.75304878

Gambar 5. Persen Penyisihan pada Proses Penyisihan Amonia dengan Membran RHOP

dengan Variasi Temperatur


2.1.4.2 Variasi pH Umpan

a) pH Umpan 10

t (detik)


0 798.912 0 1200 678.528 0.150684932 2400 590.976 0.260273973 3600 466.944 0.415525114 4800 403.712 0.494672755 6000 347.776 0.564687976 7200 273.6 0.657534247

b) pH Umpan 11

t (detik)


0 798.912 0 1200 643.264 0.194824962 2400 518.016 0.351598174 3600 417.088 0.477929985 4800 335.616 0.579908676 6000 269.952 0.662100457 7200 217.664 0.727549467

c) pH Umpan 12

t (detik)


0 800.128 0 1200 645.696 0.193009119 2400 531.392 0.335866261 3600 403.712 0.495440729 4800 321.024 0.598784195 6000 266.304 0.667173252 7200 209.152 0.738601824



dengan Variasi pH

2.1.4.3 Variasi Jumlah Serat Membran


t (detik)


0 798.912 0 1200 683.392 0.144596651 2400 584.896 0.267884323 3600 499.776 0.374429224 4800 428.032 0.464231355 6000 366.016 0.541856925 7200 313.728 0.607305936


t (detik)


0 800.128 0 1200 663.936 0.170212766 2400 550.848 0.311550152 3600 457.216 0.428571429 4800 379.392 0.525835866 6000 314.944 0.606382979 7200 261.44 0.67325228



t (detik)


0 798.912 0 1200 643.264 0.194824962 2400 518.016 0.351598174 3600 417.088 0.477929985 4800 335.616 0.579908676 6000 269.952 0.662100457 7200 217.664 0.727549467


dengan Variasi Serat Membran


2.1.5 Efisiensi Penyisihan Amonia Menggunakan Proses Membran-RHOP-

Ozon


a) Temperatur 20oC

t (detik)


0 797.696 0 1200 643.264 0.193597561 2400 500.992 0.37195122 3600 412.224 0.483231707 4800 342.912 0.570121951 6000 263.872 0.669207317 7200 189.696 0.762195122

b) Temperatur 30oC

t (detik)


0 800.128 0 1200 612.864 0.234042553 2400 481.536 0.398176292 3600 380.608 0.524316109 4800 293.056 0.633738602 6000 229.824 0.712765957 7200 159.296 0.800911854

c) Temperatur 40oC

t (detik)


0 797.696 0 1200 616.512 0.227134146 2400 465.728 0.416158537 3600 362.368 0.545731707 4800 266.304 0.666158537 6000 207.936 0.739329268 7200 149.568 0.8125



Ozon dengan Variasi Temperatur


a) pH Umpan 10

t (detik)


0 797.696 0 1200 651.776 0.182926829 2400 519.232 0.349085366 3600 430.464 0.460365854 4800 363.584 0.544207317 6000 319.808 0.599085366 7200 228.608 0.713414634

b) pH Umpan 11

t (detik)


0 800.128 0 1200 612.864 0.234042553 2400 481.536 0.398176292 3600 380.608 0.524316109 4800 293.056 0.633738602 6000 229.824 0.712765957 7200 159.296 0.800911854


c) pH Umpan 12

t (detik)


0 800.128 0 1200 609.216 0.238601824 2400 465.728 0.417933131 3600 355.072 0.556231003 4800 276.032 0.655015198 6000 228.608 0.714285714 7200 158.08 0.802431611


Ozon dengan Variasi pH

2.1.5.3 Variasi Jumlah Serat Membran


t (detik)


0 798.912 0 1200 648.128 0.188736682 2400 518.016 0.351598174 3600 438.976 0.450532725 4800 358.72 0.550989346 6000 314.944 0.605783866 7200 244.416 0.694063927



t (detik)


0 797.696 0 1200 626.24 0.214939024 2400 491.264 0.384146341 3600 402.496 0.495426829 4800 318.592 0.600609756 6000 273.6 0.657012195 7200 200.64 0.74847561


t (detik)


0 800.128 0 1200 612.864 0.234042553 2400 481.536 0.398176292 3600 380.608 0.524316109 4800 293.056 0.633738602 6000 229.824 0.712765957 7200 159.296 0.800911854


Ozon dengan Variasi Serat Membran


2.2 Perhitungan Koefisien Perpindahan Massa

Untuk menghitung koefisien perpindahan massa (k), diperlukan slope dari

perubahan konsentrasi amonia terhadap waktu. Slope ini diperoleh dengan

memplot grafik ln C0/C terhadap waktu. Berikut adalah tabel data hasil

perhitungan ln C0/C, serta grafik hubungan ln C0/C vs t. Penentuan koefisien

perpindahan massa (k) tiap interval waktu dihitung menggunakan rumus berikut:

Dimana:

k = koefisien perpindahan massa (m/s)

V = Volume amonium sulfat (m3)

Am = luas permukaan membran (m2)

t = waktu (detik)

C0 = konsentrasi limbah awal (mg/l)

Ct = konsentrasi limbah pada waktu (mg/l)

Contoh perhitungan koefisien perpindahan massa pada variasi serat 70 laju alir 3

Lpm pada t = 1200 detik.

Luas permukaan membran (Am) =

= 0,070336 m2

Volume limbah = 0,005 m3

2.2.1 Koefisien Perpindahan Massa pada Proses Penyishan dengan Membran


a) Laju alir 3 Lpm

t (detik)

Laju Alir 3 Lpm C0 (ppm) Ct (ppm) Ln C0/Ct k (m/s)

0 795.264 795.264 0 0 1200 795.264 707.712 0.116636904 6.90951E-06 2400 795.264 623.808 0.242831506 7.1926E-06 3600 795.264 558.144 0.354057141 6.99138E-06 4800 795.264 493.696 0.476754192 7.06067E-06 6000 795.264 443.84 0.583209998 6.90981E-06 7200 795.264 386.688 0.721055969 7.11916E-06


b) Laju alir 4 Lpm

t (detik)


0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 684.608 0.15440439 9.14683E-06 2400 798.912 589.76 0.303535128 8.99063E-06 3600 798.912 513.152 0.442678704 8.74135E-06 4800 798.912 436.544 0.60436163 8.95051E-06 6000 798.912 379.392 0.744680831 8.8229E-06 7200 798.912 339.264 0.856472237 8.45616E-06

c) Laju alir 5 Lpm

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 666.368 0.179885502 1.06563E-05 2400 797.696 563.008 0.348433735 1.03205E-05 3600 797.696 476.672 0.514898949 1.01674E-05 4800 797.696 403.712 0.68102582 1.00859E-05 6000 797.696 335.616 0.865759923 1.02574E-05 7200 797.696 288.192 1.018100648 1.0052E-05

Gambar 11. Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Membran Variasi Laju Alir Umpan



a) Temperatur 200C

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 683.392 0.154658939 9.16191E-06 2400 797.696 601.92 0.281603026 8.34101E-06 3600 797.696 520.448 0.427037593 8.43249E-06 4800 797.696 473.024 0.522581445 7.73936E-06 6000 797.696 424.384 0.631088867 7.47707E-06 7200 797.696 338.048 0.858539675 8.47657E-06

b) Temperatur 300C

t (detik)


0 798.912 797.696 0.00152323 0 1200 798.912 666.368 0.181408732 1.07466E-05 2400 798.912 563.008 0.349956964 1.03656E-05 3600 798.912 476.672 0.516422179 1.01975E-05 4800 798.912 403.712 0.68254905 1.01085E-05 6000 798.912 335.616 0.867283153 1.02755E-05 7200 798.912 288.192 1.019623877 1.0067E-05

c) Temperatur 400C

t (detik)


0 796.48 796.48 0 0 1200 796.48 655.424 0.194919665 1.15469E-05 2400 797.696 553.28 0.36586337 1.08368E-05 3600 797.696 475.456 0.517453229 1.02179E-05 4800 797.696 391.552 0.711609243 1.05388E-05 6000 797.696 318.592 0.917816285 1.08742E-05 7200 797.696 265.088 1.101665726 1.0877E-05


Gambar 12. Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Membran Variasi Temperatur Umpan

2.2.2 Koefisien Perpindahan Massa pada Proses Penyisihan dengan

Membran-RHOP


a) Temperatur 200C

t (detik)

Suhu 20 C0 (ppm) Ct (ppm) Ln C0/Ct k (m/s)

0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 661.504 0.187211542 1.10903E-05 2400 797.696 569.088 0.337692493 1.00024E-05 3600 797.696 452.352 0.567266935 1.12015E-05 4800 797.696 397.632 0.696200618 1.03106E-05 6000 797.696 346.56 0.833671609 9.87725E-06 7200 797.696 259.008 1.124868623 1.11061E-05


b) Temperatur 300C

t (detik)


0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 643.264 0.216695587 1.28369E-05 2400 798.912 518.016 0.433244672 1.28326E-05 3600 798.912 417.088 0.649953571 1.28343E-05 4800 798.912 335.616 0.867283153 1.28443E-05 6000 798.912 269.952 1.085006637 1.2855E-05 7200 798.912 217.664 1.300298213 1.28382E-05

c) Temperatur 400C

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 629.888 0.236185547 1.39915E-05 2400 797.696 483.968 0.499708784 1.48012E-05 3600 797.696 381.824 0.736767803 1.45486E-05 4800 797.696 288.192 1.018100648 1.50779E-05 6000 797.696 239.552 1.20295706 1.42525E-05 7200 797.696 196.992 1.398564454 1.38084E-05

Gambar 13. Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Membran

RHOP Variasi Temperatur Umpan



a) pH 10

t (detik)

pH 10 C0 (ppm) Ct (ppm) Ln C0/Ct k (m/s)

0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 678.528 0.163325056 9.67529E-06 2400 798.912 590.976 0.301475395 8.92962E-06 3600 798.912 466.944 0.537041466 1.06047E-05 4800 798.912 403.712 0.68254905 1.01085E-05 6000 798.912 347.776 0.831692208 9.8538E-06 7200 798.912 273.6 1.071583616 1.058E-05

b) pH 11

t (detik)


0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 643.264 0.216695587 1.28369E-05 2400 798.912 518.016 0.433244672 1.28326E-05 3600 798.912 417.088 0.649953571 1.28343E-05 4800 798.912 335.616 0.867283153 1.28443E-05 6000 798.912 269.952 1.085006637 1.2855E-05 7200 798.912 217.664 1.300298213 1.28382E-05

c) pH 12

t (detik)


0 800.128 800.128 0 0 1200 800.128 645.696 0.21444291 1.27035E-05 2400 797.696 531.392 0.406227594 1.20324E-05 3600 797.696 403.712 0.68102582 1.34479E-05 4800 797.696 321.024 0.910211686 1.34801E-05 6000 797.696 266.304 1.097089059 1.29982E-05 7200 797.696 209.152 1.338666312 1.3217E-05



RHOP Variasi pH Umpan


a) Serat 50

t (detik)

Serat 50 C0 (ppm) Ct (ppm) Ln C0/Ct k (m/s)

0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 683.392 0.156182169 1.2953E-05 2400 798.912 584.896 0.311816748 1.29303E-05 3600 798.912 499.776 0.469090804 1.29681E-05 4800 798.912 428.032 0.624052843 1.2939E-05 6000 798.912 366.016 0.780573754 1.29474E-05 7200 798.912 313.728 0.934724434 1.29203E-05


b) Serat 60

t (detik)


0 800.128 800.128 0 0 1200 800.128 663.936 0.186585956 1.28955E-05 2400 800.128 550.848 0.373312806 1.29003E-05 3600 800.128 457.216 0.559615788 1.28922E-05 4800 800.128 379.392 0.746201744 1.2893E-05 6000 800.128 314.944 0.93237687 1.28878E-05 7200 800.128 261.44 1.118566903 1.28845E-05

c) Serat 70

t (detik)


0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 643.264 0.216695587 1.28369E-05 2400 798.912 518.016 0.433244672 1.28326E-05 3600 798.912 417.088 0.649953571 1.28343E-05 4800 798.912 335.616 0.867283153 1.28443E-05 6000 798.912 269.952 1.085006637 1.2855E-05 7200 798.912 217.664 1.300298213 1.28382E-05

Gambar 15. Koefisien Perpindahan Massa pada Penyisihan Amonia pada Membran RHOP Variasi Serat Membran


2.2.3 Koefisien Perpindahan Massa pada Proses Penyisihan dengan

Membran-RHOP-Ozon


a) Temperatur 200C

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 643.264 0.215172357 1.27467E-05 2400 797.696 500.992 0.46513744 1.37772E-05 3600 797.696 412.224 0.660160682 1.30359E-05 4800 797.696 342.912 0.844253718 1.25033E-05 6000 797.696 263.872 1.106263435 1.31069E-05 7200 797.696 189.696 1.436304782 1.4181E-05

b) Temperatur 300C

t (detik)


0 800.128 800.128 0 0 1200 800.128 612.864 0.266628663 1.57949E-05 2400 800.128 481.536 0.50779072 1.50406E-05 3600 800.128 380.608 0.743001741 1.46717E-05 4800 800.128 293.056 1.004407998 1.48751E-05 6000 800.128 229.824 1.247457916 1.47797E-05 7200 800.128 159.296 1.614007608 1.59355E-05

c) Temperatur 400C

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 616.512 0.257649785 1.5263E-05 2400 797.696 465.728 0.5381258 1.59391E-05 3600 797.696 362.368 0.789067302 1.55813E-05 4800 797.696 266.304 1.097089059 1.62477E-05 6000 797.696 207.936 1.344497232 1.59295E-05 7200 797.696 149.568 1.673976434 1.65276E-05



RHOP Ozon Variasi Temperatur Umpan


a) pH 10

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 651.776 0.202026628 1.19679E-05 2400 797.696 519.232 0.429376776 1.2718E-05 3600 797.696 430.464 0.616863876 1.21809E-05 4800 797.696 363.584 0.785717216 1.16364E-05 6000 797.696 319.808 0.914006757 1.08291E-05 7200 797.696 228.608 1.249718826 1.23388E-05


b) pH 11

t (detik)


0 800.128 800.128 0 0 1200 800.128 612.864 0.266628663 1.57949E-05 2400 800.128 481.536 0.50779072 1.50406E-05 3600 800.128 380.608 0.743001741 1.46717E-05 4800 800.128 293.056 1.004407998 1.48751E-05 6000 800.128 229.824 1.247457916 1.47797E-05 7200 800.128 159.296 1.614007608 1.59355E-05

c) pH 12

t (detik)


0 800.128 800.128 0 0 1200 800.128 609.216 0.27259883 1.61486E-05 2400 797.696 465.728 0.5381258 1.59391E-05 3600 797.696 355.072 0.809406987 1.59829E-05 4800 797.696 276.032 1.061210771 1.57164E-05 6000 797.696 228.608 1.249718826 1.48065E-05 7200 797.696 158.08 1.618626338 1.59811E-05


RHOP Ozon Variasi pH Umpan



a) Serat 50

t (detik)


0 798.912 798.912 0 0 1200 798.912 648.128 0.209162594 1.7347E-05 2400 798.912 518.016 0.433244672 1.79656E-05 3600 798.912 438.976 0.59880606 1.6554E-05 4800 798.912 358.72 0.800708662 1.66017E-05 6000 798.912 314.944 0.930855957 1.54402E-05 7200 798.912 244.416 1.18437911 1.63711E-05

b) Serat 60

t (detik)


0 797.696 797.696 0 0 1200 797.696 626.24 0.241993888 1.67249E-05 2400 797.696 491.264 0.484745911 1.67511E-05 3600 797.696 402.496 0.684042414 1.57587E-05 4800 797.696 318.592 0.917816285 1.58582E-05 6000 797.696 273.6 1.070060387 1.4791E-05 7200 797.696 200.64 1.380215315 1.58984E-05

c) Serat 70

t (detik)


0 800.128 800.128 0 0 1200 800.128 612.864 0.266628663 1.57949E-05 2400 800.128 481.536 0.50779072 1.50406E-05 3600 800.128 380.608 0.743001741 1.46717E-05 4800 800.128 293.056 1.004407998 1.48751E-05 6000 800.128 229.824 1.247457916 1.47797E-05 7200 800.128 159.296 1.614007608 1.59355E-05



RHOP Ozon Variasi Serat Membran

2.2.4 Koefisien Difusivitas Knudsen untuk Variasi Temperatur Umpan

Dalam teori difusivitas Knudsen yakni

dimana T adalah temperatur,

dp adalah diameter partikel amonia = 0,025 µm,

M adalah berat molekul amonia = 17,

R = 8,314 kJ/kmol.K..

Dengan variasi temperatur diperoleh perhitungan sebagai berikut :

T (0C) DKn 20 2.82149E-07 30 2.86923E-07 40 2.91619E-07


Gambar 19. Koefisien Difusivitas Knudsen untuk Variasi Temperatur Umpan

Dari gambar 19 dapat kita ketahui semakin tinggi temperatur akan

meningkatkan koefisien difusivitas. Semakin tinggi koefisien difusivitas maka

akan meningkatkan koefisien perpindahan massa.

2.2.5 Perbandingan Koefisien Perpindahan Massa Literatur dan Hasil

Penelitian dangan Variasi pH Umpan

Dari data literatur dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh

Ashrafizadeh dan Khorasani pada tahun 2010 dengan hasil penelitian diperoleh

data koefisien perpindahan massa sebagai berikut :

pH kL Literatur kL

Perhitungan

10 0.000013 0.0000127 11 0.0000145 0.0000159 12 0.0000147 0.0000160


Gambar 20. Perbandingan Koefisien Perpindahan Massa Literatur dan Hasil

Percobaan dengan Variasi pH Umpan.


LAMPIRAN 3

GAMBAR ALAT

Pada lampiran ini akan dijelaskan mengenai spesifikasi peralatan yang

digunakan dalam penelitian ini. Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini

adalah :

1. Membran Serat Berongga

a. Modul membran

Modul membran serat berongga yang digunakan dalam penelitian ini

adalah membran serat berongga dengan material polivinil klorida, gambar

membran serat berongga dapat dilihat pada gambar I.1., dengan ukuran

modul sebagai berikut:

• Selongsong

Diameter luar : 3 cm

Diameter dalam : 2,4 cm

Panjang : 40 cm

• Serat

Diameter luar : 1,5 mm

Diameter dalam : 0,8 mm

Ketebalan : 0,35 mm

Jumlah serat : 50,60 dan 70

Gambar III.1 Membran Serat Berongga


b. Pompa

Pompa peristaltik, digunakan untuk mengalirkan larutan penyerap dari

reservoir menuju modul membran. Pompa air digunakan untuk

mengalirkan limbah dari reservoar menuju modul membran dengan

spesifikasi:

• Produk : aquila P 3900 • H max : 2,5 m

Gambar III.2 Pompa Peristaltik dan Pompa Air

2. Reaktor Hibrida Plasma-Ozon

Reaktor hibrida plasma-ozon ini didesain oleh Prof. Dr. Ir. Setijo

Bismo, DEA, rangkaian peralatannya terdiri dari :

a. Media Dielektrik (selubung dielektrik)

Reaktor Hibrida Ozon Plasma merupakan reaktor DBD (Dielectric Barier

Discharge) . Media dielektrik yang digunakan berbentuk pipa selongsong

yang terbuat dari bahan gelas borosilikat. Kedua ujungnya dilengkapi

dengan tutup berulir (screw cap) sebagai penyangga elektroda tegangan

tinggi. Pada jarak 3 cm dari ujung bagian atas diberi lubang kecil

berdiameter 3 mm yang digunakan sebagai keluaran (output) aliran limbah

setelah proses. Spesifikasi dielektrik adalah sebagai berikut :

Panjang : 24 cm

Diameter : 2 cm

Tebal : 1 mm

Media dielektrik dapat dilihat pada Gambar I.3.


Gambar III.3. Media dielektrik

b. Elektroda Tegangan Tinggi

Elektroda yang digunakan berbentuk pipa berbahan Stainless Steel tipe SS-316

dengan diameter 3/8 dimana salah satu ujungnya disumbat dan diberi lubang

sebagai keluaran aliran limbah, sedangkan ujung yang lainnya dibiatkan terbuka

yang akan dihubungkan dengan source limbah. Spesifikasi elektroda tegangan

tinggi adalah sebagai berikut :

Panjang : 36 cm

Diameter dalam : 0,7 cm

Diameter luar : 1 cm

Elektroda tegangan tinggi dapat dilihat pada Gambar I.4.

Gambar III.4. Elektroda tegangan tinggi

c. Elektroda Massa (Elektroda Kassa)

Elektroda kassa terbuat dari bahan Stainless Steel tipe SS-316 yang dililitkan

pada dinding reaktor bagian luar yang berfungsi sebagai elektroda.

Liquida + gas O2 masuk

Elektroda massa (Kassa)

Dielektrik

Elektroda Tegangan Tinggi


Elektroda kassa dapat dilihat pada Gambar I.5.

Gambar III.5. Kawat Kasa SS-316

d. Transformer Step-Up

Transformer Step-Up, berfungsi untuk menaikkan tegangan sehingga akan

menghasilkan energi yang cukup untuk menghasilkan corona discharge.

Plasmatron dapat dilihat pada Gambar I.6.

Gambar III.6. Transformer Step-Up

e. Voltmeter

Voltmeter bermerek Heles yang digunakan untuk mengukur besar tegangan

bolak balik (AC) yang dialirkan ke NST untuk pembangkitan plasma dalam

reaktor dipasang secara paralel. Voltmeter dapat dilihat pada Gambar I.7.

Gambar III.7. Voltmeter

f. Amperemeter

Amperemeter digunakan untuk mengukur besar arus yang mengalir ke dalam

rangkaian. Amperemeter dipasang seri pada rangkaian dengan NST (pembangkit

plasma. Amperemeter dapat dilihat pada Gambar I.8.


Gambar III.8. Amperemeter

g. Flow meter

Flowmeter digunakan terdiri dari dua macam, yaitu :

• Flowmeter gas/ udara

Flowmeter udara digunakan untuk mengetahui laju alir udara yang mengalir

yang ditentukan sesuai dengan variabel. Voltmeter dapat dilihat pada Gambar

I.9(a).

Gambar III.9(a). Flowmeter gas

• Flowmeter air

Flowmeter air digunakan untuk mengetahui debit limbah (umpan) yang

mengalir dalam rektor hybrid plasma ozon yang ditentukan sesuai dengan

variabel. Voltmeter dapat dilihat pada Gambar I.9(b).

Gambar III.9 (b). Flowmeter air

h. Auto Transformator

Regulator tegangan berfungsi sebagai pengatur tegangan keluaran untuk NST

sesuai dengan yang diinginkan agar terjadi pelepasan korona, dapat dilihat pada

Gambar I.10. Spesifikasi Regulator yang kita gunakan adalah sebagai berikut :


Kapasitas : 0,5 kVA

Range : Input 220V

Output 0-250V

Gambar III.10. Auto Transformator

i. Injektor-mixer

Injektor yang digunakan berfungsi sebagai tempat berkontaknya udara dan

aliran fluida, sehingga terjadi proses pencampuran dan akan terbentuk

gelembung-gelembung di dalam fluida. Gelembung-gelembung ini

merupakan hasil diinjeksikan udara ke dalam aliran fluida agar fluida kaya

oksigen untuk proses ozonasi. Injektor dapat dilihat pada gambar di bawah

ini.

Gambar III.11. Injektor/ Mixer


3. Ozonator

Spesifikasi selongsong:

• Satu CD-Chamber

• Panjang : 43 cm

• Diameter selongsong : 4,53 cm

• Tebal : 0,47 cm

Spesifikasi elektroda tegangan tinggi (bahan SS-304):

• Panjang : 40 cm

• Diameter dalam : 0,78 cm

• Diameter luar : 0,975 cm

Ozonator berfungsi sebagai alat yang menghasilkan ozon. Alat ini dapat

dilihat pada Gambar I.12.

Gambar III.12. Ozonator


4. Thermo-circulator, sebagai pengatur suhu dengan spesifikasi:

• Model : LCB-R08

• Serial No: 02050901

• Volts : 220 VAC, 50 Hz

Gambar III.13. Thermo-circulator

5. Kompresor, adalah suatu alat untuk melayani udara bertekanan yaitu dengan

cara mengisap udara luar dan mengkompreskannya ke dalam ozonator atau

reaktor RHOP.

Gambar III.14. Kompresor


6. Amonia Meter, gambar alat amonia meter dapat dilihat pada gambar I.15

digunakan untuk mengukur konsentrasi amonia dengan spesifikasi:

• Tipe : MI - 405

• Produk : Martini – USA

• Range : 0.00 to 9.99 mg/L

• Range temperatur : 0 – 50 oC

Gambar III.15. Amonia meter

7. pH meter, merk thermo electron corporation.

8. Rotameter, untuk mengatur laju alir pelarut.

9. Pipa PVC, sebagai tempat mengalirnya pelarut dan menghubungkan antara

tangki reservoar pelarut dengan kontaktor membran serat berongga.

10. Selang, berfungsi sebagai penghubung antara satu alat dengan alat lainnya.

Selang yang digunakan terdiri dari tiga macam, yaitu :

• Selang berbahan Polivinyl Chloride (PVC) yang digunakan untuk aliran

gas berwarna agak buram dan kaku.

• Selang berbahan silikon yang digunakan untuk aliran limbah berwarna

putih dan lentur.

• Selang berbahan polikarbonat yang digunakan untuk aliran liquida

berwarna putih dan kaku.

Selang dapat dilihat pada Gambar I.16.


Gambar III.16. Selang

11. Nipple, Elbow, Mur, Baut

Nipple berfungsi sebagai masukan umpan, terbuat dari bahan plastik dan

Stainless Steel, dan berukuran 1/4 inci dan 3/8 inci. Elbow berfungsi sebagai

penghubung antara media dielektrik dan selang, terbuat dari bahan plastik dan

dan berukuran 1/4 inci dan 3/8 inci. Mur dan baut digunakan sebagai alat

kontak dan juga sebagai alat penguat pada papan penyangga, terbuat dari

bahan besi berukuran 2 mm dan 3 mm.

Gambar III.17. Nipple, Elbow, Mur, Baut

12. Wadah reservoir, sebagai tempat untuk larutan ammonia dan larutan

penyerap. Wadah reservoir dapat dilihat pada Gambar I.18.

Gambar III.18. Tangki penampungan


lontar.ui.ac.idlontar.ui.ac.id/file?file=digital/20334880-T33016-Silvia Rahmi...lontar.ui.ac.id

Documents

Transcript of lontar.ui.ac.idlontar.ui.ac.id/file?file=digital/20334880-T33016-Silvia Rahmi...lontar.ui.ac.id