TEKNOLOGI PENGENDALIAN PENCEMAR GAS Semester Ganjil 2010-2011

ADSORPSIJoni Hermana Rachmat Boedisantoso

Jurusan Teknik Lingkungan FTSP ITS Kampus Sukolilo, Surabaya 60111

PENGENDALIAN PENCEMAR GAS

Pengenceran

Pengenceran di udara dapat dilakukan dengan meninggikan cerobong. Cerobong yang tinggi dapat mendispersikan pencemar ke lapisan udara bagian atas Untuk jangka panjang akan menimbulkan efek

Kontrol Pada Sumber Pencemar

Untuk jangka panjang, kontrol terhadap sumber pencemar lebih efektif daripada metoda pengenceran. Dapat dilakukan, misalnya dengan mengganti bahan bakar fosil pada proses pembakaran dengan tenaga hidrolis, geothermal atau sinar matahari. Cara lain dengan mengganti peralatan, meningkatkan standar operasi dan pemeliharaan, mengganti proses dan lain-lain.

TEKNOLOGI PENGENDALIAN GASAdsorpsi Absorpsi Combustion Condensation

Adsorpsi

Secara umum adsorpsi dapat diartikan sebagai peristiwa fisika pada permukaan suatu bahan, yang tergantung dari spesifikasi antara adsorbent dengan zat yang diserap (adsorbat). Sedangkan Weber (1972) mengartikan sebagai akumulasi interphase atau konsentrasi dari substances pada permukaan. Bahan yang dapat digunakan sebagai adsorbent. Antara lain activated carbon, alumina, bauxite, silica gel, strontium sulfate, magnesia dan lain-lain. Karakteristik penting dari adsorbent antara lain rasio luas permukaan terhadap volume. Rasio luas permukaan terhadap volume dapat meningkatkan daya adsorpsi beberapa jenis adsorbent.

Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap proses adsorpsi, diantaranya adalah :

Luas permukaan adsorbent Afinitas adsorbent terhadap adsorbate, yang dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk pori, polaritas dan reaktivitas Karakteristik adsobate, yang meliputi : Densitas dan berat molekul Ukuran dan bentuk molekul Tekanan uap Konsentrasi Adanya senyawa lain sebagai competitor Polaritas Reaktivitas adsorbate Temperatur dan Tekanan Waktu kontak antara adsorbate dengan adsorbent.

Gambar berikut adsorpsi

menunjukkan

konsep

Adsorpsi yang terjadi pada permukaan adsorbent dapat bersifat : Adsorpsi Fisika (adsorpsi Van der Waals) Adsorpsi Kimia (chemisorption)

Adsorpsi Fisik (Adsorpsi Van Der Waals) Adsorpsi

fisik terjadi akibat adanya perbedaan energi atau gaya tarik bermuatan listrik (gaya van der Walls). Molekul adsorbat mulai diikat secara fisik menuju molekul adsorbent. Tipe adsorpsi ini multilayer, karena masing-masing molekul membentuk lapisan diatas lapisan sebelumnya, dengan nomor lapisan sesuai dengan konsentrasi kontaminan. Adsorpsi ini tidak spesifik dan mirip dengan proses kondensasi. Adsorpsi Fisika ini terjadi pada zat-zat yang bersuhu rendah dengan adsorpsi relatif rendah. Dalam hal ini perubahan panas adsorpsi mempunyai derajat yang sama dengan panas kondensasi dari gas menjadi cair, sehinga gaya yang menahan adsorpsi molekul-molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversibel, karena kebutuhan energi yang sangat kecil.

Adsorpsi Kimia (Chemisorption) Adsorpsi

ini bersifat specifik dan terjadi berdasarkan ikatan kimia antara adsorbent dengan zat yang teradsorpsi (adsorbat), sehingga dibandingkan dengan adsorpsi fisik, kerja yang terjadi jauh lebih besar begitu juga dengan panas adsorpsi dibanding dengan adsorpsi fisik, selain itu adsorpsi kimia terjadi pada suhu yang tingi. Karena terjadinya ikatan kimia, maka pada permukaan adsorbent dapat berbentuk suatu lapisan dan apabila hal ini berlanjut maka adsorbent tidak akan mampu lagi menyerap zat lainnya. Dan proses adsorpsi secara kimia ini bersifat irreversible.

Dari penjelasan diatas, dan menurut Noll, et al. (1992), maka adsorpsi fisik dapat dibedakan dari adsorpsi kimia sebagai berikut : Adsorpsi fisik tidak melibatkan trasfer elektron dan selalu mempertahankan individualitas dari senyawa yang berinteraksi. Interaksi yang terjadi adalah reversible, yang memungkinkan terjadinya desorpsi pada temperatur yang sama, walaupun proses terjadi secara lambat akibat efek difusi. Adsorpsi kimia melibatkan ikatan kimia dan bersifat irreversible. Adsorpsi fisik tidak site spesifik, molekul yang terserap bebas menutupi seluruh permukaan. Hal ini memungkinkan dilakukannya pengukuran luas area solid adsorbent. Sebaliknya, adsorpsi kimia bersifat site spesifik, molekul hanya terserap pada tempat-tempat tertentu saja. Panas pada adsorpsi fisik lebih rendah dibandingkan dengan panas dari adsorpsi kimia.

Jenis-jenis adsorbent penting :1. Karbon aktif Merupakan arang yang diperoleh dari carbinisation kayu, coconul shells, peat, fruit pits. Sebagai activating agent digunakan zinc chlorida, magnesium chlorida, kalsium chlorida dan phosphoric acid. Digunakan untuk control polusi, solvent recovery, mengurangi bau dan gas purification. 2. Activated alumina Activated alumina (hydrated aluminium oxide) berasal dari native aluminas atau bauxite, berbentuk granular atau pellet dengan tipical properties sebagaimana tabel 2. Umumnya digunakan untuk drying gas. 3. Silica gel Berasal dari netralisasi sodium silikat kemudian gel dicuci untuk menghilangkan garam garam yang terbentuk selama proses reaksi netralisasi dilanjutkan dengan proses pengeringan, pemanasan dan grading.Umumnya berbentuk granular tetapi ada juga yang berbentuk bead. Properties silica gel sebagaimana tabel 3. Terutama digunakan untuk drying gas tetapi bisa juga untuk gas desulfurization dan purification. 4. Molecular sievas Berbentuk kristal dehydrated zeolit yang berasal dari aluminosilicate gel dengan typical properties sebagaimana tabel 4.

Secara garis besar, mekanisme proses adsorpsi dapat berlangsung berdasarkan tahapan sebagai berikut : Transfer

molekul-molekul adsorbat menuju lapisan film yang mengelilingi adsorbent Difusi adsorbat melalui lapisan film Difusi adsorbat melalui kapiler atau pori-pori dalam adsorbent Adsorpsi adsorbat pada dinding kapiler atau permukaan adsorbent.

Pengendalian suatu polutan/ pencemar gas dengan proses adsorpsi dibedakan menjadi 3 tahap, yaitu : Tahap

adsorpsi Tahap desorpsi Tahap recovery

Tahap Adsorpsi Tahap

dimana terjadi proses adsorpsi Adsorbate tertahan pada permukaan adsorbent (tertahannya gas atau uap atau molekul pada permukaan padatan). Pada proses adsorpsi umumnya dilakukan untuk senyawa organic dengan berat molekul (BM) lebih besar dari 46 dan dengan konsentrasi yang kecil.. Semakin besar BM maka proses adsorpsi akan semakin baik.

Tahap Desorpsi Tahap

ini merupakan kebalikan pada tahap adsorpsi, dimana adsorbate dilepaskan dari adsorbent (lepasnya gas atau uap atau molekul pada permukaan padatan). Desorpsi dapat dilakukan dengan beberapa cara, diantarnya adalah : Menaikkan temperature adsorbent di atas temperature didih adsorbent, dengan cara mengalirkan uap panas/ udara panas atau dengan pemansan Menambahkan bahan kimia atau secara kimia Menurunkan tekanan

Tahap Recovery Tahap

ini merupakan tahap pengolahan dari gas, uap atau molekul yang telah di desorpsi, dimana recovery dapat dilakukan dengan :Kondensasi Dibakar Solidifikasi

Tipe Sistem adsorpsi1.Fixed or stationary bedTerdiri dari satu atau dua adsorbent (1=on stream adsorbing, 2= regeneration). Dual adsorber system dapat dioperasikan secara simultan Kedalaman bed 12 36 inchi

2. Moving bed Continuous regeneration Waktu regenerasi untuk setiap segmen bed pendek sehingga tidak memerlukan bed yang panjang Compac system dan mampu reduce pressure drop Kerugian maintaining seal pada moving parts

3. Fluidized bed Resirkulasi kontinyu melalui adsorption regeneration cycle Velocity udara sekitar 240 fpm Countercurrent movement meningkatkan efektivitas penggunaan karbon, lebih banyak solvent yang dapat direcovery dibandingkan dengan stationary atau rotary bed sistem

Desain dan performanceGambar 11 menggambarkan operasional adsorbent dengan initial consentration pollutan gas Co dengan konsentrasi effluent C1, C2, C3 dan C4. Kurva berbentuk S dengan dengan ketajaman bentuk yang berbeda beda tergantung konsentrasi initial polutan,velocity fluida, rate dan mekanisme proses adsorbsi, panjang bed adsorber.

Model persamaan dari adsorpsi1. Model Dari Langmuir Model

dari Langmuir pertama kali dikembangkan pada tahun 1918 yaitu untuk proses penyerapan gas pada permukaan solid. Model langmuir diambil berdasarkan asumsi-asumsi sebagai berikut :

Energi dari adsorpsi adalah konstan dan tidak tergantung pada sifat permukaan. Adsorpsi terjadi hanya pada bagian yang terbatas dan tidak ada interaksi antara molekul-molekul adsorbat. Adsorpsi terjadi maksimum pada saat terbentuk monolayer yang menyeluruh. Permukaan bersifat heterogenous, afinitas pada tiap tempat terjadinya ikatan adalah sama

Untuk sistem solid gas, persamaan Langmuir bisa dituliskan sebagai :

Qo kC e qc = 1 + kC e

dimana : qc

: jumlah dari adsorbet yang diserap persatuan berat adsorbent. Qo : adsorpsi maksimum. Ce : konsentrasi akhir pada saat keseimbangan k = ka / kd

kd dan ka adalah konstanta untuk proses penguapan dan kondensasi.

2. Model Dari Freundlich Persamaan

Freundlich sangat tepat dipergunakan untuk adsorpsi secara fisik. Persamaan Freundlich sangat tepat dipergunakan bila :Tidak ada assosiasi atau dissosiasi dari molekul setelah teradsorp pada permukaan adsorbent. Tidak terjadi adsorpsi kimia.

Persamaan Freundlich dinyatakan sebagai berikut :

qc = k f Ce

1

n

atau :

log q c = log k f + 1 n log C e

dimana : qc

: banyaknya adsorbat yang diserap oleh adsorbent, atau

kf , Ce

n

: konstanta : konsentrasi akhir pada saat kesetimbangan tercapai.

x qc = m

1.Model mathematic Langmuir Isotherm

Teori ini berdasarkan pada asumsi bahwa : Phase adsorbed adalah unimolecular layer Pada kondisi equilibrium, rate adsorption sama dengan rate desorption dari permukaan media

Rate adsorption =Dimana :

ra = Ca p(1 f )

p = tekanan partial Ca= konstanta adsorbsi f = fraksi total solid surface dengan adsorbate molecule

Rate desorption =

rd = Cd fCa p * f = Cd + Ca p *

Pada saat equilibrium, maka rate adsorption = rate desorption sehingga f menjadi :

Karena adsorbed phase adalah unimolecular layer maka massa adsorbate per unit massa adsorbent (m) sebanding dengan permukaan media yang tertutupi.

m = Cm fsehingga dengan menggabungkan dua persamaan diatas maka

k1 p* m= k2 p* + 1

Langmuir Isotherm

dimana k1 = CaCm/Cd dan k2 = Ca/Cd Pada very low equilibrium maka tekanan partial k2p* = 0 sehingga m = k1 p* Sedangkan pada high equilibrium m = k1/k2

2. Model mathematic Freundlich Isotherm Pada persamaan Langmuir isotherm di atas, apabila pada kondisi intermediate maka

m=k pDimana :

( )

* n

Freundlich Isotherm

k = konstanta n = konstanta dengan nilai antara 0 1 Nilai k dan n merupakan nilai berdasarkan data eksperimen untuk adsorbates Calgon type BPL activated carbon (4 x 10 mesh) dengan nilai seperti table berikut ini ;

3. Persamaan lain Service time

t B = ( A / VC0 )( X St LSt + X z Lz )

Dimana : A = Luas area bed adsorbent (ft2 atau cm2) V = Total gas volumetric flow rate (ft3/min atau L/min) XSt = kapasitas adsorpsi per volume adsorbent bed dalam zona saturated (lb/ft3 atau g/cm3) Xz = Rata rata kapasitas adsorpsi per unit volume dalam zona adsorption (lb/ft3 atau g/cm3)

Working Change (Working Capacity) MTZ Z MTZ WC = CAP = HEEL + 0.5 Z Z

Untuk multicomponent adsorption, makaWC = 1.0

n i 1

(wi / CAPi )

Untuk dua compartment (WC), persamaan menjadi : WC = (CAPA) (CAPB)/[(wA)(CAPB) + (wB) (CAPA)

Pressure Drop75(1 ) + 0.875 = 2 ( Z )(2) u (1 ) Re Pg c d p 3

Dimana : P = Pressure drop gas Z = Kedalaman packing gc = constanta konversi 4.18x108 ft-lb/lb-h2 dp = diameter efektive partikel (feet=6(1-)/ap = fraksi volume kosong dalam dry packed bed (ft3 voids/ft3 packed volume) ap = surface solid particle ft2/ft3 packed colum = densitas gas lb/ft3 u = superficial velocity gas melalui bed (fph) Re = Bilangan Reynolds = dp u/ = Viscositas gas (lb/ft-h)

Gambar dibawah ini sering digunakan untuk perhitungan pressure drop pada berbagai ukuran (mesh) carbon

Dimana : = koefesien pressure drop ft-h2/in2 (ditentukan dari plot figure 13) CT f = friction factor (ditentukan dari Figure 13) G = superficial velocity lb/h-ft2 = P = Pressure drop gas

Sedangkan untuk adsorbent tipe molecular sieves, pressure drop dapat ditentukan berdasarkan persamaan Ergun yang lebiih sedarhana P fC T G 2 = Z d p

Untuk molecular sieves pellet, diameter efektive partikel ditentukan berdasarkan : dc dp = 2 + 1 (d / l ) 3 3 c cDimana dc = diameter partikel lc = panjang partikel

Tabel 6. Molecular Sieves Pressure Drop CoefficientsSize 1/8 inch pellets 1/16 inch pellets 14x30 mesh granular 0.37 0.37 0.37 dp 0.0122 0.0061 0.0033

Breakthroughwa wg wB a = = G G

E =za = Z

w G=Z wa wE (1 ) wa

E (1 ) aYe

a

G dY za = Y Y * = H tOG NtOG pers. 4.18 KY a YBdY z YB Y Y * w wB = = YE wa za dY Y Y * YBY

pers. 4.19

Kurva breakthrough merupakan hasil plot persamaam 4.18 dan 4.19

Hal-hal yang harus dipertimbangkan : Ukuran partikel adsorbent Berpengaruh pada pressure drop dan diffusion rate. Pressure drop akan rendah jika bentuk dan ukuran partikel (d) adsorbent seragam dan spherical. Peningkatan pressure drop terjadi dengan peningkatan angka Reynolds. Kecepatan transfer massa meningkat berbanding terbalik dengan d3/2 dan internal adsorption rate berbanding terbalik dengan d2. Physical adsorbent bed depth Berhubungan dengan kedalaman zona transfer dan kapasitan adsorpsi. total _ bed _ depthMTZ =Dimana : = time required for saturation tst = time required until break point tB X = degree of saturation in the mass transfer zone MTZ = Mass Transfer Zone

[tst /(tst tB ] X

Kecepatan gas yang melalui bed ditentukan dengan crushing velocity (dari manufactured adsorbent). Panjang MTZ proporsional dengan velocity, biasanya lebih tinggi dari velocity dan lebih lama dari MTZ. Suhu meningkat maka adsorbent capacity menurun. Adsoption proses terjadi exothermic, selama aktivitas penyerapan panas akan tertransfer ke bed adsorbent. Perbedaan suhu yang terjadi selama adiabatic operasi dapat diperkirakan dengan rumus :T = 6.1 (C p / C1 ) x105 + 0.51(C A / CAP )

Gas velocity

T inlet gas buang dan adsorbent

Dimana : T = temperature = heat capacity udara (Btu/ft3-oF) Cp = Konsentrasi polutan di inlet (ppm) C1 = Heat capacity adsorbent (sesuai table 5 dalam Btu/ft3-oF) CA CAP = Equilibrium capacity bed adsorbent pada temperature rata rata (T + T)

Table 5. Spesific Adsorbent Heat Capacity values (ambient Conditions, Btu/ft3-oF) Activated carbon Alumina Molecular Sieve 0.25 0.21 0.25

Konsentrasi kontaminan yang akan diserap Removal efisiensi (60 80%) Kemungkinan terjadinya dekomposisi dan polymerization ketika kontak dengan adsorbent. Sehinggs dapat menyebabkan menurunkan kapasitas adsorpsi dan proses regenerasi Frekuensi operasi Regenerasi/desorption, diklasifikasikan dalam empat type : Thermal Swing cycle Menggunakan direct heat transfer yaitu mengkontakkan bed dengan hot fluida atau indirect transfer melalui permukaan adsorbent dengan peningkatan suhu. Suhu antara 300 600oF, memerlukan cooling step. Pressure swing cycle Menggunakan tekanan rendah atau vacumm untuk desorpsi bed. Dioperasikan mendekati kondisi isothermal dengan tanpa heating atau cooling step. Purge gas stripping cycles Desorption bed dengan reduksi tekanan partial adsorbed, lebih efisien dioperasikan pada suhu lebih tinggi dan pressure yang lebih rendah Displacement cycles

Reaktor Adsorpsi