Elektrostatik yang berguna

Mungkin tidak banyak dari kita yang menyadari beberapa aplikasi penting yang didasarkan pada prinsip elektrostatik. Perkataan elektrostatik atau listrik statik kemungkinan besar akan mengingatkan kita pada kejadian atau fenomena buruk, seperti sambaran petir saat hujan badai, kain baju (dari bahan sintetis) yang lengket di badan, layar tv atau monitor (pakai tabung) yang kotor, kebakaran di pompa bensin (terutama di negara dengan kelembaban rendah), dan efek perusakan pada komponen elektronik yang dikenal sebagai ESD.Bila mendengar kata ion, mungkin tidak banyak yang mengkaitkannya dengan elektrostatik. Jadi ketika kita membeli pendingin udara (AC) atau pembersih udara (air purifier) atau lemari es yang dilengkapi dengan pembangkit ion-ion, mungkin tidak terbayang bahwa itu merupakan sisi baik dari penggunaan elektrostatik.

Barangkali kita bisa mendaftar aplikasi sederhana dari elektrostatik di rumah kita. Salah satunya adalah sikat atau kemoceng untuk membersihkan debu di permukaan perabot rumah tangga. Selain itu, ada cairan pembersih permukaan yang dipromosikan dapat memberikan lapisan anti-debu, sebenarnya ini adalah cairan anti-statik – yang membuat permukaan benda bersangkutan tidak mudah menarik partikel debu atau membuat permukaan benda mudah dibersihkan.

Kebanyakan aplikasi elektrostatik terkait dengan penanganan partikel – baik partikel di udara atau di dalam cairan. Pada semua aplikasi elektrostatik, beberapa material harus di-elektrifikasi yaitu dengan memberi muatan listrik pada partikel bersangkutan. Proses elektrifikasi yang sering digunakan adalah elektrifikasi korona, kontak, triboelektrik, serta induksi dan polarisasi di dalam medan listrik. Berikut ini adalah contoh aplikasi tersebut :

Penyaringan

Elektrofilter adalah aplikasi tertua dari prinsip elektrostatik di dunia industri, sejak tahun 1906 ketika Frederick Cottrell membuat alat penyaring pertamanya. Gambar 1 menunjukkan sketsa sederhana dari elektrofilter dan gambar 2 menunjukkan cara kerjanya

Kawat tunggal (atau deretan kawat) diberi beda tegangan tinggi, menyebabkan ion negatif dan positif terbentuk disekitar kawat. Seperti terlihat pada gambar, ion-ion negatif tertarik ke kawat dan ter-netral-kan, sedangkan ion-ion positif membentuk daerah “awan” muatan berkonsentrasi tinggi dan memberi muatan positif pada partikel debu/udara yang lewat daerah ini. Aliran udara membawa partikel bermuatan ke bagian dalam, dan kemudian bergerak membelok ke arah lempengan elektroda pengumpul dan menempel disana.

Pemisahan

Prinsip pemisahan elektrostatik adalah memberi muatan pada komponen atau unsur-unsur dari campuran partikel dengan polaritas yang berlawanan (atau membiarkan bahan konduktif tidak bermuatan) dan selanjutnya memisahkan komponen dengan gaya tolak atau medan listrik luar, kemungkinan ditambah dengan gaya gravitasi.

Contoh proses pemisahan ini diperlihatkan pada gambar 3. Suatu campuran partikel konduktif dan insulatif dicurahkan ke drum/tong yang di-ground, dan semua partikel diberi muatan (dalam contoh ini bermuatan positif) dengan cara elektrifikasi korona. Ketika partikel meninggalkan daerah disekitar elektroda, partikel konduktif kehilangan muatan ke drum kemudian jatuh dan terpisah karena gaya gravitasi dan sentrifugal. Partikel insulatif melekat pada drum sampai ke sebuah sikat atau pengelupas untuk

melepaskannya, bisa juga dibantu dengan pemberian muatan negatif untuk menetralkannya.

Electrostatic Precipitator adalah alat yang digunakan untuk menangkap partikel-partikel (mis: debu) dengan menggunakan prinsip elektrostatis.

Dari asal katanya, Precipitator adalah alat yang digunakan untuk mengendapkan sesuatu. Sedangkan Electrostic adalah sebuah fenomena listrik dimana muatan listrik berpindah dari satu potensial tinggi ke potensial rendah tanpa adanya bagian yang bergerak (bandingkan dengan generator).

Jadi terjemahan bebas Electrostatic Precipitator adalah alat yang digunakan untuk mengendapkan debu/partikel padat dengan memanfaatkan prinsip elektrostatis.

Yappp…mari kita mulai. Pertama-tama yang perlu dipahami adalah bahwa setiap partikel di dunia persilatan ini memiliki dan atau dapat diberikan muatan listrik baik itu positif maupun negatif.

Salah satu buktinya adalah saat zaman dahulu kala anda masih SD, pernah mencoba menarik potongan kertas kecil dengan penggaris mika yang sebelumnya digosok-gosok di rambut anda?

Yuppp..itulah namanya elektrostatis. Penggaris sebelum digosok-gosokkan di rambut anda, tidak memiliki muatan listrik yang cukup untuk “menarik” potongan kertas tersebut namun ajaibnya setelah digosok-gosok, penggaris menjadi cukup bermuatan untuk menarik potongan-potongan kertas tersebut.

Lo tadi katanya elektrostatis terjadi pada benda yang diam??Yakkk..anda betull. Proses anda menggosok-gosok penggaris tersebut adalah proses pemberian muatan listrik pada penggaris sedangkan proses elektrostatis terjadi ketika anda mendekatkan penggaris ke potongan kertas dan kemudian kertas “tertarik” ke arah penggaris. Terlihat bedanya bukan??Bagaimana? Any Question so far?? :D

Yang kedua yang perlu dipahami adalah bahwa listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah dan yang mengalir itu adalah elektronnya. Jadi dapat pula dikatakan bahwa aliran listrik adalah aliran elektron.

 Lalu kapan sesuatu dikatakan sebagai potensial tinggi dan kapan dikatakan sebagai potensial rendah?

Potensial tinggi adalah suatu keadaan dimana di daerah tersebut kaya dengan elektron sedangkan potensial rendah adalah suatu keadaan dimana di daerah tersebut miskin dengan elektron.

Hal ini sesuai dengan prinsip aliran listrik yaitu listrik mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah (banyak elektron –> sedikit elektron).

 Untuk memudahkan, kita ambil analogi batere saja yah…yah..yah..

Batere memiliki dua kutub, positif dan negatif..

Kutub positif adalah kutub yang memiliki lebih sedikit elektron sedangkan kutub negatif adalah kutub yang memiliki lebih banyak elektron. Saat batere dipakai, elektron mengalir menuju kutub yang memiliki jumlah elektron lebih sedikit sehingga akhirnya jumlah elektron yang ada di kedua kutub menjadi sama yang kemudian batere dikatakan habis.

Nah, sekarang kembali ke pembicaraan tentang ESP. Sifat listrik diatas inilah yang kemudian digunakan sebagai ide awal pembuatan Electro Static Precipitator (ESP). ESP secara garis besar terdiri dari 3 (tiga) komponen utama yaitu Discharge Electrode, Collection Electrode dan Hammering Device (tidak tampak dalam gambar).

Discharge Electrode (DE) adalah elektroda yang dialiri pulsa arus DC tegangan tinggi negatif sehingga menghasilkan medan listrik negatif.

Collection Electrode (CE) adalah elektroda yang di-tanahkan.

Sedangkan Hammering Device (HD) adalah alat yang digunakan untuk melepaskan debu/partikel yang menempel pada Collecting Electrode.

Karena DE adalah elektroda yang mendapat suplai energi listrik, maka pada daerah sekitar DE merupakan daerah dengan medan listrik terkuat. Semakin jauh dari DE, maka medan listrik negatif akan semakin lemah.

 Oke..cukup segitu tentang dalamnya ESP.

Lalu bagaimana dengan prinsip kerjanya??

Di area antara DE dan CE terbagi menjadi dua area yang mengalami kejadian berbeda pula. Di daerah dekat dengan DE dimana pengaruh medan listrik negatif sangat besar, elektron bebas menabrak elektron molekul gas, sedang pada inter electrode region dimana pengaruh medan listrik negatif tidak terlalu besar, elektron bebas menempel pada molekul gas.

 Daerah Discharge Electrode

Dischage Electrode menghasilkan medan listrik negatif dimana medan listrik tersebut menghasilkan elektron dalam jumlah banyak di sekitar daerah DE.

Setelah diketahui ternyata di daerah DE ada bejibun elektron dan CE yang ditanahkan maka sudah kodratnya lah, elektron yang berkeliaran pada DE akan menuju CE. Elektron ini bergerak dengan kecepatan tinggi menuju CE. Jika dipetakan berdasarkan tingkat kecepatan, kecepatan elektron tertinggi berada pada daerah di sekitar DE dan semakin menurun kecepatannya apabila semakin jauh dari DE.

Kodrat elektron yang menuju CE inilah yang kemudian dimanfaatkan untuk menangkap debu hasil pembakaran boiler yang dilewatkan melalui ESP.

Debu yang dilewatkan ke dalam medan listrik tersebut akan menabrak elektron yang berkeliaran menyebabkan molekul gas kehilangan elektron dan menjadi molekul bermuatan positif saja. Kenapa bisa begitu??ane juga tidak tahu..tapi itulah yang sebenarnya terjadi.  

Begitu seterusnya sehingga semakin banyak elektron bebas. Karena satu elektron menabrak satu molekul gas dan dihasilkan dua elektron, begitu seterusnya. Proses multiplikasi elektron ini dinamakan dengan avalanche multiplication. Lalu bagaimana dengan proton bebas tersebut? Proton bebas ini bergerak menuju ke arah DE, mencari dimana potensial berbeda terbesar berada. (mirip seperti magnet, dimana Kutub Selatan tarik menarik dengan Kutub Utara). Baiklah, kita lewati proton bebas tersebut.

 Inter Electrode Region

Lalu bagaimana dengan yang berada di Inter Electrode Region?

Alih-alih menabrak molekul gas, karena kecepatan elektron yang sudah tidak secepat di daerah sekitar DE, elektron bebas justru menempel pada molekul gas sehingga terdapat 2 (dua) buah elektron dan 1 (satu) proton pada molekul gas..

Negative gas ion ini kemudian menempel dengan partikel debu yang lewat. Semakin lama semakin banyak negative gas ion yang menempel pada pertikel debu sehingga debu menjadi bermuatan negatif dan semakin lama semakin mampu menarik semakin banyak negative gas ion yang pada akhirya partikel tersebut menjadi jenuh (saturated charge particle) lalu menempel di CE.

Partikel jenuh yang menempel di CE, akan dilepas dari CE dengan menggunakan hammering device (alat perontok debu).