Tugas Mata Kuliah Pengendalian ProsesPengukur Komposisi untuk Pengendalian Proses

Disusun Oleh :

Noor Hafidlullah (I 0512039)Pengesti Willistania (I 1512045)Prana Jaya Ruslandi (I 0512046)Rifka Intan Puspita (I 0512051)Rizqa Amalia Devi (I 0512054)

UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTAFAKULTAS TEKNIKJURUSAN TEKNIK KIMIA2015

1. CHROMATOGRAPHIC ANALYZERa. Deskripsi alatSecara umum,chromatography merupakan suatu istilah yang menggambarkan teknik yang digunakan untuk memisahkan komponen-komponen dari suatu campuran/sample. Dalam gaschromatography(GC), gas (yang biasa disebutcarrier gas) digunakan untuk membawasample melewati lapisan (bed) material. Karena gas yang bergerak, maka disebutmobile phase(fasa bergerak), sebaliknya lapisan material yang diam disebutstationary phase(fasa diam). Ketika mobile phase membawasample melewati stationary phase, sebagian komponen sample akan lebih cenderung menempel ke stationaryphase dan bergerak lebih lama dari komponen lainnya, sehingga masing-masing komponen akan keluar dari stationary phase pada saat yang berbeda. Dengan cara ini komponen-komponen sample dipisahkan.

b. Bagian-bagian alatSecara umum, peralatan GC terdiri dari: 1)Injection System;2)Oven; 3)Control System; 4)Column; 5)Detector; dan 6)Data Acquisition System.

Gambar 1. Bagian-bagian Peralatan GC1. Injection systemdigunakan untuk memasukkan/menyemprot gas dan sample kedalam column. Ada beberapa jenis injection system:1)Packed column injector; umumnya digunakan dengan package column atau capillary column dengan diameter yang agak besar; injeksi dilakukan secara langsung (direct injection).2)Split/Splitless capillary injector, digunakan dengan capillary column; sebagian gas/sample dibuang melalui split valve.

3)Temperature programmable cool on-column, digunakan dengan cool capillary column, injeksi dilakukan secara langsung.2. Oven, digunakan untuk memanaskan column pada temperature tertentu sehingga mempermudah proses pemisahan komponen sample.3. Column, berisi stationary phase dimana mobile phase akan lewat didalamnya sambil membawa sample. Secara umum terdapat 2 jenis column, yaitu:1) Packed column, umumnya terbuat dari glass atau stainless steel coil dengan panjang 1 5 m dan diameter kira-kira 5 mm.2)Capillary column, umumnya terbuat dari purified silicate glass dengan panjang 10-100 m dan diameter kira-kira 250mm. Beberapa jenis stationary phase yang sering digunakan:a)Polysiloxanesuntuk nonpolar analytes/sample.b)Polyethylene glycoluntuk polar analytes/sample.c)Inorganicataupolymer packinguntuk sample bersifat small gaseous species.4. Control system, berfungsi untuk: 1) Mengontrol pressure dan flow dari mobile phase yang masuk ke column. 2) Mengontrol temperature oven.5. Detector, berfungsi mendeteksi adanya komponen yang keluar dari column. Ada beberapa jenis detector, yaitu:1)Atomic-Emission Detector (AED); cara kerjanya adalah: campuran sample-gas yang keluar dari column diberi tambahan energy dengan menggunakan microwave sehingga atom-atomnya bereksitasi; sinar eksitasi ini kemudian diuraikan oleh diffraction grating dan diukur oleh photodiode array; kehadiran komponen dalam sample dapat ditentukan dari adanya panjang gelombang eksitasi komponen tersebut yang diukur oleh photodiode array.2)Atomic-Emission Spectroscopy(AES) atauOptical Emission Spectroscopy(OES); cara kerjanya: campuran sample-gas yang keluar dari column diberi tambahan energy sehingga atom-atomnya bereksitasi; sumber energy tambahan ini (excitation source) terdiri dari beberapa jenis yaitu direct-current-plasma (DCP), flame, inductively-coupled plasma (ICP) dan laser-induced breakdown (LIBS); sinar eksitasi dari berbagai atom ini kemudian diukur secara simultan oleh polychromator dan multiple detector; polychromator disini berfungsi sebagai wavelength selector. 3)Chemiluminescense Spectroscopy; cara kerjanya sama seperti pada AES yaitu mengukur sinar eksitasi dari sample yang diberi tambahan energy; perbedaan dari AES adalah eksitasi molekul sample bukan atom sample; selain itu, energy tambahan yang diberikan bukan berasal dari sumber energy luar seperti lampu atau laser tetapi dihasilkan dari reaksi kimia antara sample dan reagent; sinar eksitasi molekul sample ini kemudian diukur dengan photomultiplier detector (PTM)6. Data Aquisition, berfungsi sebagai:1)Control automatic calibration2)Gas analysis3)Graphics & Reporting.Data aquisition merupakan perangkat gabungan dari Software dan Hardware (PC, Interface & Communication)

c. Prinsip kerja alatSampel yang akan diteliti diuapkan lalu diinjeksikan dalam kolom kromatografi kemudian diteliti komposisinya. Salah satu kekurangan alat ini adalah dibutuhkan waktu yang lama untuk analisis kompisisi suatu bahan. Gas yang akan dianalisis dimasukkan ke dalam column, kemudian menyalakan oven untuk memanaskan column pada temperature tertentu sehingga mempermudah proses pemisahan komponen sample. Column berisi stationary phase dimana mobile phase akan lewat didalamnya sambil membawa sample. Kemudian detector akan mendeteksi adanya komponen yang keluar dari column. Detector dihubungkan ke Data Acquisition yang berfungsi untuk mengetahui Control automatic calibration, Gas analysis dan Graphics & Reporting.

d. Aplikasi alatChromatographic Analyzer digunakan untuk mengetahui adanya suatu zat organik yang mudah menguap dan senyawa-senyawa gas anorganik dalam suatu campuran.

2. INFRARED ANALYZERa. Deskripsi alatDalam menganalisa trace gas, infrared analyzer menggunakan pancaran cahaya infrared. Pancaran cahaya memiliki daerah (spectrum) panjang gelombang yang luas, seperti yang terlihat pada tabel berikut :Tabel 1. Berbagai Jenis Pancaran Cahaya & Rentang Panjang GelombangnyaJenis pancaranPanjang gelombang

UltravioletCahaya tampakInfra merah100-400nm400-700nm700-1.000.000nm

Jika cahaya mengenai sebuah benda, sebagian cahaya akan dipantulkan dan sebagian lagi diserap dan sebagian cahaya akan diteruskan ke benda lain, Banyaknya pancaran yang dipantulkan, diserap dan diteruskan tergantung pada bahan pada benda tersebut. Sifat seperti ini kemudian dimanfaatkan untuk melakukan analisis, yaitu membedakan benda atau zat yang satu dengan zat yang lainnya serta mengukur kandungannya. Dari hasil percobaan tersebut dapat membedakan satu zat dari zat lainnya diamati menggunakan infra merah.Infrared Gas Analyzermelacak trace gas dengan mengukur absorpsi cahaya inframerah yang dipancarkan melalui sampel gas. Metode ini memanfaatkan sifat trace gas yang ditemukan di atmosfer bumi ternyata mengalami eksitasi oleh cahaya pada panjang gelombang tertentu dalam kisaran inframerah. Molekul yang berbeda di udara menyerap frekuensi cahaya yang berbeda. Alat ini sangat cocok dengan sampel yang terdiri dari sedikit komponen. Tidak diperlukan penghancuran sampel,kontak dengan sampel pun bisa diminamilisir. Infrared analyzer bisa digunakan untuk mengukur kadar kelembaban,kadar lemak,kadar protein,kadar abu,dll.

b. Bagian-bagian alatInfrared Gas Analyzer biasanya terdiri dari 2 ruangan, yaitu ruang referensi &ruang pengukuran. Ruang referensi mengandung komponen yang nilai konsentrasinya untuk komponen tertentu telah diketahui. Biasanya, nilai konsentrasi pada ruang referensi untuk zat yang akan diukur pada umumnya bernilai 0 (tidak mengandung zat yang akan diukur konsentrasinya).

Gambar 2. Contoh Skema Infrared Analyzer

Secara garis besarinstrumentanalitik yang menggunakan pancaran infra merah dapat dibagi atas dua jenis :a.InstrumentdispersifPada alat jenis ini, terdapat alat pengurai/pendispersi infra merah. Dengan bantuan komponen penguraian (komponen dispersif), pancaran yang diteruskan oleh zat sampel diuraikan atas panjang gelombang dan kemudian diukur intensitasnya pada setiap panjang gelombang.b.InstrumentnondispersifPadainstrumentnondispersif ini, yang disebut NDIR (Nondispersive Infrared Analyzer), pengukuran terhadap zat sampel dilakukan tanpa menguraikan/mendispersikan berkas infra merah.Karena itu, digunakanlah filter yang hanya mampu melewatkan gelombang tertentu, yang sesuai dengan spektrum zat yang akan diukur.Sebagai contoh, untuk mengukur kandungan gas CO, digunakan filter yang akan meneruskan panjang gelombang di sekitar 4,6m, dimana panjang gelombang ini merupakan panjang gelombang spesifik dari CO.

c. Prinsip kerja alat

Gambar 3. Prinsip Kerja Infrared Gas Analyzer

Prinsip kerja alat ini adalah merefleksikan sinar infrared jarak dekat pada sampel yang ingin diketahui komposisinya. Sinar inframerah akan mengenai molekul zat tertentu kemudian sebagian dari sinar tersebut akan terserap. Semakin tinggi komposisi sampel,maka semakin banyak sinar infrared yang terserap. Misalnya, jika analisa ini adalah untuk mengukur karbon monoksida dan dioksida, ruang harus berisi sejumlah gas-gas tersebut. Cahaya inframerah yang dipancarkan dan melewati gas sampel, gas referensi dengan campuran diketahui dari gas tersebut dan kemudian melalui "detektor" ruang yang berisi bentuk murni dari gas tersebut. Ketika "detektor" ruang menyerap sebagian radiasi inframerah, memanas dan mengembang. Hal ini menyebabkan peningkatan tekanan dalam disegel kapal yang dapat dideteksi baik dengan transduser tekanan atau dengan perangkat serupa. Kombinasi tegangan output dari ruang detektor dari gas sampel kemudian dapat dibandingkan dengan tegangan output dari ruang referensi

d. Aplikasi alatDalam aplikasi industri, tempat yang paling mungkin bahwa gas analyzer inframerah akan ditemukan dalam boiler, sampah insinerator, atau tungku. Hal ini mungkin untuk industri swasta atau untuk fasilitas penelitian. Ada saat-saat di mana jenis ini analyzer diwajibkan oleh hukum untuk industri untuk dapat terus memantau dan gas record yang dilepaskan dari sistem pembuangan mereka

3. ULTRAVIOLET ANALYZERa. Deskripsi alatSpektrofotometri UV merupakan salah satu metode analisis yang dilakukan dengan panjang gelombang 100-400 nm. Sinar ultraviolet atau sinar ungu terbagi menjadi dua jenis yaitu ultraviolet jauh& ultaviolet dekat.Ultraviolet jauh memiliki rentang panjang gelombang 10 200 nm, sedangkan ultraviolet dekat memiliki rentang panjang gelombang 200-400 nm.Cahaya UV tidak bisa dilihat oleh manusia, namun beberapa hewan, termasuk burung, reptil dan serangga seperti lebah dapat melihat sinar pada panjang gelombang UV.Pada spektrofotometer UV biasanya menggunakan lampu deuterium sebagai sumber cahaya. Deuterium merupakan salah satu isotop hidrogen yang memiliki 1 proton dan 1 neutron pada intinya. Deuterium berbeda dengan hidrogen yang hanya memiliki 1 neutron tanpa proton.Zat yang dapat dianalisis menggunakan spektrofotometri UV adalah zat dalam bentuk larutan dan zat tersebut tidak tampak berwarna.Jika zat tersebut berwarna maka perlu direaksikan dengan reagen tertentu sehingga dihasilkan suatu larutan tidak berwarna. Namun biasanya zat yang berwarna lebih banyak dianalisis menggunakan spektrofotometri sinar tampak.Senyawa-senyawa organik sebagian besar tidak berwarna sehingga spektrofotometer UV lebih banyak digunakan dalam analisis senyawa organik.Larutan-larutan tidak berwarna yang dianalisis menggunakan spektrofotometer UV tidak boleh ada partikel koloid ataupun suspensi.Karena adanya partikel-partikel koloid ataupun suspensi akan memperbesar absorbansi, akibatnya bila dihubungkan dengan rumus yang diturunkan darihukum Lambert-Beerkonsentrasi zat yang dianalisis makin besar dan apabila digunakan untuk penentuan struktur suatu senyawa maka pita pada spektrum akan melebar dari yang sesungguhnya.

b. Bagian-bagian alatAnalisis menggunakan sinar ultraviolet biasanya dilakukan menggunakan ultraviolet dekat, sedangkan analisis menggunakan ultraviolet jauh maka instrumen yang digunakan harus dalam keadaan vakum.Hal ini disebabkan jika digunakan ultraviolet jauh maka udara akan ikut menyerap panjang gelombang yang digunakan.Akbatnya kesalahan yang dilakukan makin fatal, karena jika udara ikut menyerap maka absorbansi yang dihasilkan akan makin besar, jika hal ini dihubungkan dengan hukum Lambert-Beer maka konsentrasi zat yang dianalisis lebih tinggi dari yang seharusnya.Instrumen spektrofotometer terdiri atas :1. Sumber radiasi, yaitu lampu deuterium2. MonokromatorDigunakan untuk memperoleh sumber sinar yang monokromatis. Alatnya berupa prisma ataupungrating. Untuk mengarahkan sinar monokromatis yang diinginkan dari hasil penguraian dapat digunakan celah3. Sel / KuvetPada pengukuran di daerah sinar tampak kuvet kaca dapat digunakan, tetapi untuk pengukuran pada daerah UV kita harus menggunakan sel kuarsa karena gelas tidak tembus cahaya pada daerah ini. Umumnya tebal kuvetnya adalah 1 cm, tetapi yang lebih kecil ataupun yang lebih besar dapat digunakan.4. DetektorPeranan detektor adalah memberikan respon terhadap cahaya pada berbagai panjang gelombang.

Gambar 4. Skema Instrumen Ultraviolet Analyzer

c. Prinsip kerja alatPrinsip kerja alat ini adalah menganalisis interaksi antara sinar ultraviolet dengan sampel. Sinar UV yang dipakai memiliki panjang gelombang 190-380 nm. Sampel yang akan diketahui komposisinya harus dalam keadaan jernih dan larut sempurna tidak boleh ada partikel koloid ataupun suspensi. Penggunaan alat ini harus dilakukan secara hati-hati karena banyak kemungkinan adanya interfensi dari senyawa lain yang dapat menyerap sinar UV.

Gambar 5. Prinsip Kerja Spektrofotometer UVCahaya yang berasal dari lampu deuterium maupun wolfram yang bersifat polikromatis di teruskan melalui lensa menuju ke monokromator pada spektrofotometer dan filter cahaya pada fotometer. Monokromator kemudian akan mengubah cahaya polikromatis menjadi cahaya monokromatis (tunggal). Berkas-berkas cahaya dengan panjang tertentu kemudian akan dilewatkan pada sampel yang mengandung suatu zat dalam konsentrasi tertentu. Oleh karena itu, terdapat cahaya yang diserap (diabsorbsi) dan ada pula yang dilewatkan. Cahaya yang dilewatkan ini kemudian di terima oleh detector. Detector kemudian akan menghitung cahaya yang diterima dan mengetahui cahaya yang diserap oleh sampel. Cahaya yang diserap sebanding dengan konsentrasi zat yang terkandung dalam sampel sehingga akan diketahui konsentrasi zat dalam sampel secara kuantitatif.

d. Aplikasi alat

4. VISIBLE RADIATION ANALYZERa. Deskripsi alatVisible-radiation Analyzer adalah alat yang digunakan untuk mengetahui komposisi suatu larutan menggunakan radiasi sinar tampak (400-780 nm) yang mengalami absorbansi.Setiap perubahan komposisi akan mengakibatkan perubahan absorbansi. Alat ini menggunakan metode spektrofotometri, yaitu metode untuk untuk mengukur berapa banyak senyawa yang menyerap cahaya dengan mengukur intensitas cahaya yang melewati larutan. Prinsip dasarnya adalah bahwa setiap senyawa mampu menyerap atau mentransmisikan (meneruskan) cahaya pada rentang panjang gelombang tertentu. Pengukuran ini juga dapat digunakan untuk mengukur jumlah senyawa. Spektrofotometer adalah instrumen yang mengukur jumlah foton (intensitas cahaya) yang diserap oleh suatu senyawa setelah melewati larutan. Dengan spektrofotometer , jumlah senyawa (konsentrasi) dalam larutan juga dapat ditentukan dengan mengukur intensitas cahaya yang terdeteksi . Tergantung pada kisaran panjang gelombang dari sumber cahaya.Violet:400 - 420 nmIndigo:420 - 440 nmBlue:440 - 490 nmGreen:490 - 570 nmYellow:570 - 585 nmOrange:585 - 620 nmRed:620 - 780 nm

b. Bagian-bagian alat

Gambar 6. Skema Rangkaian Visible-radiation AnalyzersSpektrofotometri secara umum terdiri dari dua alat yaitu spektrometer dan fotometer. Spektrometer adalah alat untuk produksi biasanya utuk mendispersi dan memesah cahaya. Fotometer untuk indikator fotoelektik detektor untuk mengatur intensitas cahaya. Spektrometer: untuk menghasilkan range panjang cahaya yang dibutuhkan. Photometer: untuk menerima panjang gelombang dari cahaya yang dilewatkan melalui larutan di cuvvet.

c. Prinsip kerja alatPrinsip kerja alat ini hampir sama dengan Ultraviolet Analyzer. Yang membedakan adalah sinar yang digunakan. Alat ini menggunakan sinar tampak dengan panjang gelombang 380 sampai 780 nm. Spektrometer: untuk menghasilkan range panjang cahaya yang dibutuhkan. Yang pertama adalah kolimator(lensa) untuk mentransmisikan sinar yang kuat dari cahaya (foton)yang akan melewati monokromator(prisma) untuk memecah menjadi berbagai panjang gelombang(spektrum). Kemudian alat penerima panjang gelombang akan menerima panjang gelombang. Photometer: Ssetelah menerima panjang gelombang dari cahaya yang dilewatkan melalui larutan di cuvvet, photometer akan mendeteksi jumlah photon yang terabsorbsi dan kemudian mengirim sinyal menuju galvanometer digital display

d. Aplikasi alatBerikut ini beberapa aplikasi UV/Visble analiser: Unsur Halogen. Biasanya klorin, dalam fase gas maupun cair yang dapat dimonitori oleh UV/VIS analiser Agen Pengkoksidasi yang memiliki ikatan kuat. Disamping unsur halogen, contohnya sodium hypochlorite (NaOCl), chlorine dioxide (ClO2), hydrogen peroxide (H2O2), ozone (O3) and potassium permanganate (KmnO4). Bleaching steps biasanya dikontrol dengan memonitori konsentrasi agen oksidasi. Senyawa aromatik, seperti benzene yang kuat dalam UV absorber. Konsentrasi aromatik di rantai alifatik hidrokarbon dapat dimonitori saat konsentrasi rendah. Aromatik seperti fenol Unsur Sulfur sering mengabsorbsi radiasi UV dengan kuat. Konsentrasi rendah dari hidrogen sulfida, carbonyl sulfit, carbon sulfit, dan sulfur dioksidayang termonitori, dan terkontrol aman, tanpa mencemari lingkungan dan efisiensi proses. Ukuran dari SO2 mungkin adalah aplikasi terbesar dari analiser UV. Garam anorganik, seperti logam transisi seperti besi, tembaga, kromium, mangan dan nikel yang seringdigunakan sebagai absorben yang kuat untuk UV?VIS radiation. Unsur Antibiotik yang kuat menggunkanan absorbsi UV. Selama mereka berproduksi , beberapa proses dapat dikontrol dengan alat dari ukuran konsentrasi antibiotik oleh UV analiser.

5. POTENTIOMETRYa. Deskripsi alatPotensiometri adalah suatu cara analisis berdasarkan pengukuran beda potensial sel dari suatu sel elektrokimia. Metode potensiometri digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu ion.

b. Bagian-bagian alatAlat-alat yang diperlukan dalam metode potensiometri adalah :1. Elektrode pembanding (reference electrode), yang diletakkan dalam suatu larutan dengan konsentrasi yang telah diketahui, sehingga nilai potensial reduksi juga telah diketahui.2. Elektroda indikator (indicator electrode), yang diletakkan dalam suatu larutan sampel yang komposisinya belum diketahui. Untuk mengukur besarnya konsentrasi suatu ion di larutan tersebut, digunakan elektroda indicator berupa logam yang merupakan bentuk unsur dari ion tersebut (ion selective electrode).3. Alat pengukur potensial.Komponen-komponen tersebut disusun membentuk suatu sel potensiometri seperti gambar berikut

Gambar 7. Skema Metode PotensiometriDari gambar dapat dilihat bahwa sel potensiometri disusun dari dua setengah sel yang dihubungkan dengan jembatan garam yang berfungsi penyeimbangkan muatan larutan pada masing-masing setengah sel, selain itu juga berfungsi sebagai penghubung antara dua setengah sel tersebut. Masing-masing setengah sel terdapat elektroda yang tercelup dalam larutan elektrolit untuk ditentukan konsentrasinya oleh potensial elektrodanya. Pemisahan elektrode ini diperlukan untuk mencegah terjadinya reaksi redoks spontan dari laruan-larutan elektrolit yang digunakan dalam sel potensiometri.

c. Prinsip kerja alatBeda potensial antara dua elektroda diukur menggunakan voltmeter dengan nilai impedansi tinggi. Tingginya nilai impedansi menyebabkan nilai arus listrik sangat kecil dan dapat diabaikan. Karena tidak ada resultan arus listrik, maka tidak ada resultan reaksi elektrokimia, sehingga sistem berada dalam kesetimbangan.Potensiometri digunakan sebagai salah satu metode untuk mengukur konsentrasi suatu larutan, dalam hal ini hubungan antara potensial sel dan konsentrasi dapat dijelaskan melalaui Persamaan Nerst.

di mana :Instrumen-Instrumen Sensor KomposisiTugas Terstruktur MK Pengendalian Proses Jurusan Teknik Kimia Universitas Sebelas Maretd. 2

Ecell : potensial reduksiEo : potensial reduksi standarR : konsanta gas idealT : temperatur (K)n : jumlah elektron yang terlibat dalam reaksi reduksiF : konstanta faradayKeq : konstanta kesetimbangane. Hubungan antara potensial sel dan konsentrasi larutan sampel diperjelas pada algoritma berikut :

Eo pada indicatorEo pada referensi[ion] pada referensiPerhitungan Eref (Potensial reduksi referensi) dengan Persamaan NerstPengukuran EcellPerhitungan nilai Eind (Potensial reduksi indicator)Ecell = Eref - EindPerhitungan Keq pada indicator dengan persamaan NerstPerhitungan [ion] pada indicatorKeq = f([ion])Perhitungan Keq pada referensiKeq = f([ion])Gambar 8. Algoritma Perhitungan Konsentrasi Larutan Sampel Berdasarkan Potensial Sel Hasil Pengukuran Potensiometri

f. Aplikasi alat1. Penentuan kandungan karbon organik total tanah dengan metode potensiometri adalah mengubah senyawa-senyawa karbon menjadi CO2. Selanjutnya CO2 yang dihasilkan diukur konsentrasinya secara potensiometri dengan elektroda selektif CO2 sebagai elektroda penunjuk2. Digunakan untuk mengukur nitrit dalam air minum, air limbah, dan air reagen