BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Perpindahan massa merupakan perpindahan suatu komponen dari campuran

yang terjadi karena adanya perubahan dalam keseimbangan sistemnya yang

disebabkan karena adanya perbedaan konsentrasi. Adanya perbedaan konsentrasi

zat kimia antara bahan dan lingkungan disebut sebagai driving force atau gaya

penggerak dari proses transfer massa. Perpindahan tersebut dapat terjadi dalam

satu fase maupun antara satu fase dengan fase lainnya (Singh and Heldman,

2001). Proses transfer massa dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:

1. Luas permukaan kontak bahan dengan air perendam;

2. Kadar air di dalam bahan;

3. Konsentrasi;

4. Jarak dari permukaan ke pusat bahan;

5. Waktu;

6. Karakteristik bahan (hubungannya dengan koefisien difusi bahan);

7. Suhu;

8. Tekanan osmosis;

9. Porositas.

Pada umumnya kebanyakan perpindahan massa larutan antara gas dan cairan

melalui sebuah aliran dipelajari dengan menggunakn kolom wetted wall.Suatu

porses dimana terjadi suatu perpindahan suatu unsur pokok dari daerah yang

berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah dinamakan perpindahan massa.

Perpindahan massa yang terjadi dari suatu unsur yang berkonsentrasi tinggi ke

konsentrasi rendah dipengaruhi oleh ciri aliran cairan, seperti pada kasus heat

transfer, mekanisme perpindahan massa terjadi dengan cepat. Jika sejumlah

campuran gas yang terdiri dari dua jenis molekul atau lebih, di mana konsentrasi

masing-masing berbeda, maka masing-masing molekul ini cenderung menuju ke

komposisi yang sama (seragam). Proses ini terjadi secara alami. Perpindahan

massa makroskopis ini tidak tergantung pada konveksi dalam sistem. Proses ini

didefinisikan sebagai difusi molekul.

4

5

Guna menelaah perpindahan massa dalam wetted wall column, perhatikan

gambar berikut ini:

Gambar 2.1.Bagian Penampang Membujur dari Wetted Wall

Kita tinjau sistem setinggi dz. Neraca material komponen A yang dilakukan

terhadap segmen tersebut menghasilkan persamaan differensial sebagai berikut:

d (W . X A)dz

=J AY . D ···························· (2.1)

Keterangan:

W adalah laju alir massa gas dalam arah z (gr mole/det)

Dengan menggunakan kenyataan bahwa penambahan laju alir massa dalam arah z

hanyalah karena adanya fluks massa JAy maka dapat dituliskan hubungan sebagai

berikut:

dWdZ

=J AY . π . D ···························· (2.2)

Persamaan 2.1 dan persamaan 2.2 akan menghasilkan hubungan berikut :

W .d X A

dz=(1−X A ) . J AY . π . D ··················· ( 2.3)

Proses absorpsi yang terjadi didalam wetted wall absorption column dapat

menggambarkan adanya perpindahan massa didalam kolom tersebut. Perpindahan

massa ini terjadi akibat adanya penyerapan (dalam hal ini berupa absorpsi) yang

terjadi didalam kolom tersebut. Dengan adanya perpindahan massa yang terjadi,

maka akan ditemui pula suatu bilangan yang merupakan koefisien perpindahan

massa. Dimana koefisien perpindahan massa itu sendiri merupakan besaran

6

empiris yang diciptakan untuk memudahkan persoalan-persoalan perpindahan

massa antarfase. Pada wetted wall columns, cairan murni yang mudah menguap

dialirkan ke bawah di dalam permukaan pipa ciecular sementara itu gas ditiupkan

dari atas atau dari bawah melalui pusat inti pengukuran kelajuan penguapan cairan

ke dalam aliran gas diatas permukaan.

Perpindahan massa merupakan perpindahan satu unsur dari konsentrasi yang

lebih tinggi ke konsentrasi yang lebih rendah. Misalnya kita masukan gula ke

dalam secangkir kopi, dimana gula akan larut dan kemudian berdifusi secara

seragam ke dalam secangkir kopi. Perpindahan massa merupakan proses penting

dalam proses industri, misalnya dalam penghilangan polutan dari suatu aliran

keluaran pabrik dengan absorpsi, pemisahan gas dari air limbah, difusi neutron

dalam reaktor nuklir.Absorpsi gas merupakan operasi dimana campuran gas

dikontakan dengan cairan yang bertujuan untuk melewatkan suatu komposisi gas

atau lebih dan menghasilkan larutan gas dalam cairan.

Perpindahan massa berlangsung melalui proses difusi, maka proses-

prosespemisahan yang melibatkan proses difusi juga disebut sebagai operasi

difusional. Difusi terjadi apabila fasa-fasa yang ada tidak berada dalam

kesetimbangan, dan akan berakhir saat kesetimbangan sudah tercapai. Hampir

semua proses pemisahan dengan difusi terjadi melalui kesetimbangan antara dua

fasa yang tidak saling melarutkan yang mempunyai perbedaan komposisi pada

saat kesetimbangan. Difusi adalah perpindahan molekul dari konsentrasi tinggi ke

rendah. Ini berarti perpindahan komponen/molekulnya terjadi karena adanya

perbedaan konsentrasi (Singh and Heldman, 2001). Proses difusi itu terbagi ke

dalam 3 jenis yaitu :

1) Difusi cair

Dikatakan difusi cair jika terjadi perpindahan molekul cairan dari

konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita merendam

kedelai dalam air saat pembuatan tempe. Selama perendaman akan terjadi difusi

air dari lingkungan luar (yang kadar airnya tinggi) ke dalam kedelai (yang kadar

airnya rendah).

2) Difusi padat

7

Dikatakan difusi padat jika terjadi perpindahan molekul padatan dari

konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita melakukan

perendaman buah dengan larutan gula dalam pembuatan manisan buah. Selama

perendaman selain terjadi difusi air dari lingkungan luar ke dalam buah juga

terjadi difusi molekul gula (molekul padatan) ke dalam buah dan ini berarti difusi

padatan juga terjadi dalam pembuatan manisan buah ini. Selama ini batasan antara

kapan terjadinya difusi air dengan difusi padatan masih belum jelas karena

prosesnya sering terjadi bersamaan dan susah untuk dibedakan.

3) Difusi gas

Dikatakan difusi gas jika terjadi perpindahan molekul gas dari konsentrasi

tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu difusi O2 pada pengemas plastik.

Ketika kita menggunakan pengemas plastik untuk membungkus suatu bahan,

maka selama penyimpanan akan terjadi difusi oksigen dan uap air dari lingkungan

luar ke dalam plastik pengemas. Jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke

dalam plastik pengemas bervariasi tergantung permeabilitas dari plastik pengemas

tersebut. Semakin banyak jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam

plastik pengemas berarti  kualitas plastik pengemasnya semakin buruk. Disini,

difusi oksigen merupakan difusi gas dan difusi uap air merupakan difusi cair. 

Pada persamaan perpindahan massa ditunjukkan hubungan antara flux dari

substansi yang terdifusi dengan gradien konsentrasi.

JA,Z = –DAB

dτ A

dZ ························ (2.4)

Keterangan :

JA,Zadalah molar flux pada Z

dτ A

dZ adalah perubahan konsentrasi

DAB adalah difusitas massa atau koefisien difusitas komponen A yang terdifusi

melalui komponen B

Karena perpindahan massa atau difusi hanya terjadi dalam campuran, maka

pengaruh dari tiap komponen harus diperhitungkan. Misalnya untuk mengetahui

laju difusi dari setiap komponen relatif terhadap kecepatan campuran. Kecepatan

8

campuran harus dihitung dari kecepatan rata-rata tiap komponen. Persamaan di

atas dikenal dengan persamaan Hukum Frek’s ,di mana DAB adalah koefisien

difusivitas. Koefisien difusivitas tergantung pada tekanan, temperatur, dan

komposisi sistem. Koefisien difusivitas masing-masing fase berbeda-beda.

Koefisien difusivitas untuk gas lebih tinggi, yaitu antara 5.10-6sampai 10-5 m2/s ;

untuk cairan 10-10sampai 10-9 m2/s dan untuk padatan 10-14sampai 10-10 m2/s.

Perpindahan massa konvektif termasuk perpindahan antara fluida yang

bergerak atau dua fluida yang bergerak yang tidak tercampur. Model ini

tergantung pada mekanisme perpindahan dan karakterisitk gerakan fluida.

Persamaan laju perpindahan massa konvektif sebagai berikut:

NA = k . A ······························ (2.5)

Keterangan:

NAadalah perpindahan massa molar zat A

Aadalah perbedaan konsentrasi permukaan dengan konsentrasi rata-rata fluida.

kadalah koefisien perpindahan massa konvektif

Beberapa operasi perpindahan massa yang termasuk difusi suatu

komponen gas ke suatu komponen yang tidak berdifusi antara lain adalah absorpsi

dan humidifikasi. Persamaan yang digunakan untuk menggambarkan koefisien

perpindahan massa konvektif adalah :

N A ,Z=DAB .P

RT (Z2−Z1 )PA 1−PA 2

LnPB ··················· (2.6)

Keterangan:

NAZ adalah laju perpindahan molar

DAB adalah difusivitas

P adalah tekanan

R adalah konstanta gas

T adalah temperatur

Z adalah jarak

Persamaan ini diperoleh dari teori lapisan atau film theori, di mana gas

melewati permukaan cairan. Teori lapisan ini didasarkan pada model dimana

tahanan untuk berdifusi dari permukaan cairan ke aliran gas diasumsikan terjadi

9

dalam suatu stagnant film atau laminer film tebal. Dengan kata lain,

menunjukkan:

1) tebal lapisan cairan,

2) perpindahan massa dari gas ke falling liquid film, dan

3) perpindahan massa padawetted wall column.

Kebanyakan data dari perpindahan massa dan aliran fluida telah ditentukan

dengan menggunakan wetted wall columns. Alasan mendasar menggunakan

kolom-kolom ini untuk penyelidikan perpindahan massa adalah untuk

mengontakkan luas area antara dua fase sehingga dapat dihitung dengan tepat.

Koefisien perpindahan massa konvektif untuk falling liquid film

dikorelasikan oleh Vivian dan Peacemen dengan korelasi :

KL Z

DAB

=0,433 (Sc )1 /2[ ρ2 g Z3

μ2 ]1/6

(ℜ )0,4 ·············· (2.7)

Keterangan:

Z adalah panjang

DABadalah difusivitas massa antara komponen A dan B

adalah densitas cairan B

adalah viskositas cairan B

g adalah percepatan gravitasi

Scadalah Schmidt Number (dievaluasikan pada temperature film liquid)

Re adalah Reynold number

Koefisien film cairan lebih rendah 10 sampai 20% daripada persamaan secara

teoritis untuk absorpsi dalam film laminer.Untuk menghitung koefisien

perpindahan massapada fase gas, gunakan perbedaan gas-gas dan cairan

menghasilkan variasi. Untuk itu, Sherwood dan Gilland menetapkan nilai-nilai

untuk Re dari 2000 sampai 35000, sc dari 0,6 sampai 2,5 dan tekanan gas 0,1

sampai 3 atm.Hubungan data-data tersebut secara empirik adalah

Shav=0,023 ℜ0,83 sc13 ····················· (2.8)

Keterangan:

Sh adalahSherwood number

10

Readalah Reynold number

Sc adalah Schmidt number

Dalam beberapa operasi perpindahan massa, massa berubah antara dua fase.

Contohnya dalam peristiwa absorpsi. Salah satu alat yang digunakan untuk

mempelajari mekanisme yang terjadi dalam operasi perpindahan massa

adalahwetted wall column. Pada wetted-wall column, area kontak antara dua fase

dibuat sedemikian rupa.

Dalam operasi ini aliran lapisan tipis cairan (Thin Liquid Film) sepanjang

dinding kolom kontak dengan gas. Dalam percobaan ini gas yang digunakan

adalah udara biasa. Lama waktu kontak dengan gas dan lcairan ini relatif singkat

selama operasinya normal. Karena hanya sejumlah kecil massa yang terabsorpsi

sedangkan cairan diasumsikan konstan atau tidak berubah. Kecepatan falling film

sebenarnya tidak dipengaruhi oleh proses difusi. Pada proses ini terjadi

perpindahan massa dan perpindahan momentum.Persamaan differensial untuk

perpindahan momentum:

dτ xy

dy+ρg=0 ························ (2.9)

Keterangan:

adalahshear stress

adalah densitas

g adalah gravitasi

y adalah jarak

Persamaan untuk profil kecepatan:

vx=ρg δ2

μ [ y6−1

2 ( yδ )

2] ··················· (2.10)

Keterangan:

vxadalah kecepatan arah x

adalah tebal film

adalah viskositas

Kecepatan maksimum:

11

vmax=ρg δ 2

2 μ·························· (2.11)

Keterangan:

vmax adalah kecepatan maximum

Absorbsi gas oleh cairan merupakan proses perpindahan massa antarfasa,

dimana komponen dalam campuran gas diserap oleh cairan. Campuran gas

umumnya terdiri darikomponen yang dapat diserap dan gas sukar diserap/

bereaksi (inert), sedangkan cairannyabersifat tidak melarut dalam fasa gas. Dalam

perpindahan massa antarfasa, terdapat batasantara kedua fasa tersebut, dimana

komponen yang terserap melalui fasanya sendiri kemudian melewati batas

antarfasa dan masuk kefasa yang lain. Hal ini terjadi bila terdapat cukupkekuatan

gerak (driving force) dari suatu fasa yang lain atau dinamakan koefisien

perpindahan massa (mass transfer coefficient). Laju perpindahan massa juga

tergantung antara lain luaspermukaan kontak antarfasa. Pada operasi absorpsi gas

terjadi perpindahan massa dari fase gas ke fase cair. Kecepatan larut gas dalam

absorben cair tergantung pada kesetimbangan yang ada, karena itu diperlukan

karakteristik kesetimbangan sistem gas-liquid.

2.1. Sistem Dua Komponen

Bila sejumlah gas tunggal dikontakkan dengan cairan yang tidak mudah

menguap, yang akan larut sampai tercapai keadaan setimbang. Konsentrasi gas

yang larut disebut kelarutan gas pada kondisi temperatur dan tekanan yang ada.

Pada T tetap, kelarutan gas akan bertambah bila P dinaikkan pada absorben yang

sama. Gas yang berbeda mempunyai kelarutan yang berbeda. Pada umumnya

kelarutan gas akan menurun bila T dinaikkan.

2.2. Sistem Multikomponen

Bila campuran gas dikontakkan dengan cairan pada kondisi tertentu,

kelarutan setimbang, gas tidak akan saling mempengaruhi kelarutan gas, yang

dinyatakan dalam tekanan parsial dalam campuran gas. Bila dalam campuran gas

ada gas yang sukar larut maka kelarutan gas ini tidak mempengaruhi kelarutan gas

yang mudah larut. Pada beberapa komponen dalam campuran gas mudah larut

12

dalam cairan, kelarutan masing-masing gas tidak saling mempengaruhi bila gas

tidak dipengaruhi oleh sifat cairan. Ini hanya terjadi pada larutan ideal.

Karakteristik larutan ideal yaitu:

1) Gaya rata-rata tolak-menolak dan tarik-menarik dalam larutan tidak berubah,

dalam campuran bahan, volume larutan berubah secara linear:

2) Pada pencampuran bahan tidak ada panas yang diserap maupun yang

dilepaskan;

3) Tekanan uap total larutan berubah secara linear dengan komposisi.

Suatu alat yang banyak digunakan dalam absorpsi gas dan beberapa operasi

lain ialah menara isian. Alat ini terdiri dari sebuah kolom berbentuk sekunder atau

menara yang dilengkapi dengan pemasukan gas dan ruang distribusi pada bagian

bawah, pemasukan zat cair dan distributornya pada bagian atas, sedang

pengeluaran gas dan zat cair masing-masing pada bagian atas dan bagian bawah

serta tower packing. Penyangga itu harus mempunyai fraksi ruang terbuka yang

cukup besar untuk mencegah terjadinya pembanjiran pada piring penyangga itu.

Zat cair yang masuk disebut weak liquor berupa pelarut murni atau larutan encer

zat terlarut di dalam pelarut, didistribusikan di atas isian itu dengan distributor,

sehingga pada operasi yang ideal membebaskan permukaan isian secara seragam.

Gas yang mengandung zat terlarut disebut fat gas, masuk ke ruang pendistribusian

yang terdapat di bawah isian dan mengalir ke atas melalui celah-celah antara isian

berlawanan arah dengan aliran zat cair. Isian itu memberikan permukaan yang

luas untuk kontak zatcair dan gas serta membantu terjadinya kontak antara kedua

fase.

Persyaratan pokok yang diperlukan untuk isian menara ialah:

1) Harus tidak bereaksi kimia dengan fluida di dalam menara,

2) Harus kuat, tetapi tidak terlalu berat,

3) Harus mengandung cukup banyak laluan untuk kedua arus tanpa terlalu

banyak zat cair yang terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan

terlalu tinggi,

4) Harus memungkinkan terjadinya kontak yang memuaskan antara zat cair

dengan gas,

13

5) Harus tidak terlalu mahal.

Prinsip-prinsip absorpsi tergantung pada banyaknya gas atau zat cair yang

akan diolah sifat-sifatnya, rasio antara kedua arus itu, tingkat perubahan

konsentrasi dan pada laju perpindahan massa persatuan volume isian. Laju

optimum zat cair untuk absorpsi didapatkan dengan menyeimbangkan biaya

operasi untuk kedua unit dan baiaya tetap untuk peralatan. Bila gas hanya

diumpankan ke dalam menara absorpsi, suhu di dalam menara itu berubah secara

menyolok dari dasar menara ke puncaknya. Kalor absorpsi zat terlarut

menyebabkan naiknya suhu larutan, penguapan pelarut cenderung menyebabkan

suhu turun. Efeknya secara menyeluruh ialah peningkatan suhu larutan, tetapi di

dekat dasar kolom suhu itu bisa sampai melewati maksimum. Bentuk profil suhu

bergantung pada laju penyerapan zat terlarut, penguapan dan kondensasi pelarut,

serta perpindahan kalor antara kedua fase. Laju absorpsi dapat dinyatakan dengan

4 cara yang berbeda yaitu:

1) Menggunakan koefisien individual,

2) Menggunakan koefisien menyeluruh atas dasar fase gas atau zat cair,

3) Menggunakan koefisien volumetrik,

4) Menggunakan koefisien persatuan luas.

2.3. Tipe Kolom Absorpsi

2.3.2. Wetted Wall Tower

Liquid dengan lapisan film yang tipis mengalir turun pada bagian dalam pipa

vertikal dengan aliran gas cocurrent atau countercurrent yang disebut dengan

wetted wall tower. Seperti yang telah digunakan pada studi teoritis perpindahan

massa, karena permukaan interfacial diantara fase dapat dikontrol dan mampu

diukur.Di industri, alat ini digunakan sebagai absorber hydrochloricacid, dimana

absorbsi disertai oleh panas yang sangat tinggi. Dalam keadaan ini wetted wall

tower dikelilingi dengan aliran cooling water. Alat multitube yang digunakan

untuk distilasi dimana liquid film dihasilkan pada bagian atas oleh kondensasi

parsial dari kenaikan vapour. Penurunan tekanan gas dalam tower ini mungkin

lebih lambat dari pada alat kontak gas-cair lainnya, untuk memberi perlengkapan

kondisi operasi.

14

2.3.3. Spray Tower dan Spray Chambers

Zat cair akan disemprotkan ke dalam gas stream oleh nozzle dimana zat cair

disebarkan ke dalam penurunan penyemprotan yang baik. Aliran mungkin

counter-current dalam towervertikal dengan penyemprotan zat cair ke bawah,

atau paralel, jika tower horizontal dilakukan spray chambers. Alat ini

menguntungkan pada tekanan rendah untuk gas, tetapi juga mempunya jumlah

yang tidak menguntungkan.Biaya pemompaan yang relatif tinggi diberikan untuk

penurunan tekanan dengan spray nozzle. Kecenderungan untuk menaikkan zat cair

oleh sisa gas dan kabut pembersih akan hampir selalu dibutuhkan. Kecuali kalau

diameter/ratio panjang sangat kecil, gas akan lebih baik dicampur sepenuhnya

oleh spray dan keuntungan aliran counter-current tidak akan didapatkan.

Diameter/ratio panjang tidak dapat dibuat sangat kecil karena itu spray harus

dengan cepat mencapai dinding tower dan menjadi tidak berguna sebagai spray.

2.3.4. Packed Tower

Packed Tower digunakan untuk kontak secara continue liquid dan gas untuk

kedua aliran yaitu counter-current dan co-current, kolom vertikal dimana diisi

dengan packing atau dengan memperluas permukaan kontak.