Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

11
STUDI TRANSFER MASSA OZONISASI GELEMBUNG MIKRO DALAM KOLOM Pendahuluan Keberadaan air bersih sangat penting bagi makhluk hidup. Perkembangan teknologi dan industri meningkatkan polusi di lingkungan termasuk polusi air. Air bersih menjadi sulit didapatkan khusunya di daerah kota besar. Cakupan riset air bersih dan air limbah adalah untuk memproduksi air bersih untuk industri dan kebutuhan domestik. Proses Ozonisasi telah banyak digunakan pada air minum dan pengolahan limbah. Proses ini menggunakan bagian ozon sebagai oksidan kuat dan desinfektan, Namun, penggunaanya masih dibatasi oleh rendahnya kelarutan ozon dan stabillitas di air. Ditambah, Ozon bersifat selektif yang beberapa bagian tidak dapat dioksidasi seperti amonia, pestisida, aromatic compound dan pelarut berklorinasi (Van Gunten, 2003) Dosis ozon yang berlebihan digunakan untuk meningkatkan kelarutan ozon. Hal ini menyebabkan tidak efektifnya ozon yang berimbas pada biaya yang mahal. Selain itu, kadar yang berlebih menghasilkan formasi dari bromate yang berbahaya bersifat recalcitrant dan karsinogenik. Salah satu cara meningkatkan kelarutan ozon dalam air ialah mengunakan fenomena kavitasi. Kavitasi ialah teknik untuk membuat gelembung mikro dalam cairan. Hal tersebut merupakan fenomena dari pembentukan, pertumbuhan, dan penghilangan gelembung mikro dalam cairan, mengerakkan energi lokal yang sangat tinggi dalam interval yang pendek (Jyoti dan Pandit, 2004). Gelembung mikro memiliki diameter kurang dari lima puluh mikron, yang jauh lebih kecil dari gelembung biasa yang berdiameter sekitar milimeter. Penggunaan gelembung mikro meningkatkan ozon kontak area permukaan sehingga

Transcript of Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Page 1: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

STUDI TRANSFER MASSA OZONISASI GELEMBUNG MIKRO DALAM KOLOM

Pendahuluan

Keberadaan air bersih sangat penting bagi makhluk hidup. Perkembangan

teknologi dan industri meningkatkan polusi di lingkungan termasuk polusi air. Air

bersih menjadi sulit didapatkan khusunya di daerah kota besar. Cakupan riset air

bersih dan air limbah adalah untuk memproduksi air bersih untuk industri dan

kebutuhan domestik.

Proses Ozonisasi telah banyak digunakan pada air minum dan pengolahan

limbah. Proses ini menggunakan bagian ozon sebagai oksidan kuat dan

desinfektan, Namun, penggunaanya masih dibatasi oleh rendahnya kelarutan

ozon dan stabillitas di air. Ditambah, Ozon bersifat selektif yang beberapa bagian

tidak dapat dioksidasi seperti amonia, pestisida, aromatic compound dan pelarut

berklorinasi (Van Gunten, 2003)

Dosis ozon yang berlebihan digunakan untuk meningkatkan kelarutan ozon.

Hal ini menyebabkan tidak efektifnya ozon yang berimbas pada biaya yang

mahal. Selain itu, kadar yang berlebih menghasilkan formasi dari bromate yang

berbahaya bersifat recalcitrant dan karsinogenik.

Salah satu cara meningkatkan kelarutan ozon dalam air ialah mengunakan

fenomena kavitasi. Kavitasi ialah teknik untuk membuat gelembung mikro dalam

cairan. Hal tersebut merupakan fenomena dari pembentukan, pertumbuhan, dan

penghilangan gelembung mikro dalam cairan, mengerakkan energi lokal yang

sangat tinggi dalam interval yang pendek (Jyoti dan Pandit, 2004). Gelembung

mikro memiliki diameter kurang dari lima puluh mikron, yang jauh lebih kecil dari

gelembung biasa yang berdiameter sekitar milimeter. Penggunaan gelembung

mikro meningkatkan ozon kontak area permukaan sehingga transfer massa

terjadi lebih cepat. Dibanding gelembung biasa, gelembung mikro memiliki

interface yang sangat besar dan kerapatan gelembung, kecepatan gerak

permukaan yang rendah dalam bentuk cairan dan tekanan inner yang tinggi. (Li-

Bing Chu, 2008)

Dalam studi sebelumnya, Jyoti dan Pandit menggunakan metode hybrid

cavitasi dalam proses desinfeksi bakteri coliform dalam air. Hasil menunjukkan

bahwa presentase reduksi jumlah bakteri dalam lima belas menit ialah 80%.

Kehadiran dari jumlah gelembung yang banyak dalam cairan meningkatkan

persentase proses desinfeksi. (Jyoti dan Pandit, 2003).

Page 2: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Pada studi yang lain, gabungan antara ozonisasi dan kavitasi menurunkan

konsentrasi ozon setengah atau sepertiga dari desinfeksi yang dibutuhkan pada

proses biasa (Jyoti dan Pandit, 2004). Maka, penggunaan glembung mikro yang

digerakkan dengan teknik kavitasi membuat proses lebih ekonomis.

Penelitian ini mempelajari signifikasi dari dari penggunaan gelembung

mikro untuk meningkatkan kelarutan dalam air yang dievaluasi dengan nilai dari

transfer massa koefisien (KLa,O3) gas hold up (εG) dan perkiraan dari dekomposisi

ozon.

Ruang lingkup dari studi ialah proses semi batch, ozonator, ozonator berisi

udara (21% mol oksigen), cairan dari air aquades, Injektor Mazzei digunakan

untuk mengkontakkan ozon dalam air, debit dari gas dalam kolom gelembung

bergerak dari bawah dan kalkulasi dari koefisien transfer massa ozon

dipengaruhi dari hubungan antara KLa,O3 dan KLa,O2.

Riset ini diharapkan untuk memverifikasi penggunaan gelembung mikro

untuk meningkatkan efisiensi dari tranfer massa ozon, sehingga dalam

memproduksi sistem pengolahan air bersih menjadi solusi lebih baik dari

masalah kelangkaan air.

Teori umum

Koefisien transfer massa ozon (KLa,O3) ditentukan dengan metode tidak

langsung, yaitu korelasi antara KLa,O3 dan KLa,O2 . Maka, studi ini bertujuan untuk

mencari KLa,O2 yang akan dikonversi menjadi KLa,O3 melalui persamaan. Nilai dari

KLa,O2 dapat dihitug dengan rumus:

Dimana KLa,O2 adalah koefisien difusi oksigen, C*O2 adalah konsentrasi

saturasi oksigen terlarut. CO2 merupakan konsentrasi oksigen terlarut pada

waktu tertentu. Kemudian nilai KLa,O2 dikonversi ke KLa,O3 dengan rumus: n

Dimana DO3 adalah koefisien difusi ozon yang bernilai 1,26 x 10 -9 m2s-1

pada T = 200 C(Matrozov, at al 1978). DO2 merupakan koefisien difusi yang

Page 3: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

bernilai 2,025 x 10-9 m2s-1 pada 200 C. (St. Denis dan Fell, 1971) dan n adalah

faktor yang tegabung dalam reaktor hidrodinamic. Nilai dari range antara 0,5

hingga 1. Untuk ozonisasi dalam gelembung kolom, n biasanya diasumsikan 1,

sehingga terjadi persamaan:

Persamaan 3, valid pada suhu 200 C. Pada temperatur yang berbeda, faktor

empiris yang disebut faktor theta Ө sering digunakan dengan perhitungan:

Dimana KLat adalah KLa pada temperatur T OC, KLa20 adalah KLa pada suhu

20OC dan Ө adlah faktor koreksi remperatur yang bernilai 1,024.

Penelitian

Penentuan nilai KLa,O3 pada studi transfer massa

Pada penelitian ini, studi transfer massa digunakan pada kolom gelembung

dengan dimensi 0,055 m dan tinggi 0,7 m. Generasi gelembung mikro

menggunakan Injektor Mazzei. Prototipe gelembung kolom di lihat pada gambar

1. Pencampuran udara ozon terjadi pada arus cairan dimana oksigen terlarut

ditentukan tiap menit selama 60 menit operasi.

Penentuan penguraian gas (εG)

Penguraian gas dilakuakan dengan persamaan:

εG adalah penguraian gas, VG adalah volume gas dalam kolom gelembung.

VL adalah volume cairan dalam kolom. VG + VL ditentukan selama operasi pada

kseluruhan perlengkapan, dimana VL ditentukan ketika tidak ada gas dan aliran

cairan dalam kolom.

Page 4: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Tes Dekomposisi Ozon

Tes Dekomposisi Ozon dilakukan untuk memperkirakan ukuran dekomposisi

ozon yang terjadi dalam sistem. Data didirekap dalam form nilai konduktivitas

dengan satuan mili siemens (mS). Konduktivitas menunjukkan jumlah dari ion

dalam larutan. Semakin banyak ion dalam larutan, makin besar nilai

konduktivitasnya.

Dalam studi, contoh air yang mengandung ozon. (100 mL) dicampur

dengan 0,12 M KI (10 mL). KI akan terdekomposisi menjadi K+ dan I- dalam air.

Kemudian ozon dalam air mengoksidasi I- menjadi I2 menghasilkan perubahan

nilai konduktivitas larutan.

Hasil dan Pembahasan

Koefisien tansfer Massa (KLa,O3)

Koefisien transfer masa ozon air adalah jumlah yang dapat diterangkan

melalui ozon yang ditransfer atau terlarut dalam bentuk cairan per waktu. Studi

dilakukan untuk memeperkirakan pengaruh dari gas dan aliran air pada

konsentrasi ozon terlarut dalam air.

Gambar 2 menunjukkan bahwa pada laju gas yang konstan, laju aliran air

yang lebih besar, nilai KLa adalah lebih tinggi, walaupun kecenderungannyanya

menurun pada debit yang lebih tinggi. Pada laju aliran air 0,06 m/s adalah

sangat kecil (0,0054 min-1) dibandingkan dengan KLa pada aliran lain (0,0273

/min hingga 0,291 /min). Nilai KLa yang rendah menunjukkan performa injektor

tidak optimum. Batas minimal untuk optimum injektor pada penelitan ini ialah

0,25 m/s.

Page 5: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Injektor Ozon bekerja berdasarkan prinsip venturi yag nampak pada

gambar 3. Ketika tekanan air memasuki injektor, air akan ditempatkan seperti

dalam ruangan injeksi dan diubah dalam aliran yang sangat cepat. Peningkatan

kecepatan akan mengurangi tekanan. Tekanan akan turun bersamaan ozon

masuk dalam bagian tesebut dan terbawa aliran. Semakin rendah kecepatan

masukannya membuat injektor gagal dalam memasukkan ozon di dalamnya.

Pada debit air sebesar 0,12 m/s, KLa bertambah lebih dari kali. Peningkatan

debit ini menyebabkan proses ozon nampak pada injektor menjadi lebih effektif

dimana transfer massa terjadi dengan baik. Sehingga, KLa bertambah. Pada air

dengan debit 0,19 hingga 0,25 m/s. Nilai KLa juga bertambah namun tidak

signifikan dan dipertimbangkan konstan ( dari 0,00280 /min hingga 0,0291/min).

Pada aliran air rata-rata 0,31 dan 0,37 m/s, transfer massa tidak

berlangsung secara efektif. KLa telah konstan dan nampak terjadi penurunan.

Penurunan disebabkan pendeknya waktu tinggal air di kolom. Hal ini

menyebabkan kontak gas dan air menjadi tidak efisien yag transfer massa

cenderung menurun.

Gambar 4 menunjukkan aliran konstan rata-rata, semakin tinggi aliran,

semakin besar nilai KLa. Hal ini membuat nergi kinetik yang lebih besar dari gas

Page 6: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

ketika peningkatan aliran gas. Peningkatan energi kinetik gas menghasilkan

peningkatan kemampuan masuknya atau terlarutnya dalam fase cair. Ditambah,

gas yang berhenti bertambah ditiingkatkan melalui aliran aliran gas yang

dihasilkan dalam peningkatan kontak area permukaan dari cair gas. Hal ini

terjadi semakin banyk ozon yang terlarut ke dalam air seperti nilai KLa yang

meningkat.

Nilai KLa dari gelembung mikro dibandingkan dengan gelembung

konventional menggunakan kolom yang sama, dimana gelembung konvensional

dibuat dai pengunaan diffuser dengan diameter lubang 2 mm pada aliran air

0,25 m/s dan aliran udara 11,69 m/s. Perbandingan nilai KLa dapat dilihat dari

gambar 5:

Nilai KLa gelembung mikro adalah 0,0499/min dimana gelembung biasa

0,0203 /min. KLa untuk gelembung mikro 2,45 kali lebih besar dari gelembuang

biasa. Gelembung mikro memiliki ukuran lebih kecil (1-50 mikron). Semakin kecil

ukuran gelembung menambah ukuran area kontak permukaan yang

meningkatkan transfer massa ozon dalam air. Sehingga KLa gelembung mikro

lebih besar dari pada gelembung biasa.

Page 7: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Gas Hold-up (εG)

Penguraian gas menunjukkan total gas dalam sistem pencampuran gas-air.

Maka εG adalah fraksi gas dalam sistem. Studi dilakukan memperkirakan

pengaruh aliran gas dan air.

Gambar 6 menunjukkan aliran konstan gas 0,71 m/s semakin tinggi dari

aliran air, makin rendah nilai εG dalam kolom. Hal ini menunjukkan semakin besar

volume dari air dalam kolom saat volume gas konstan seperti peningkatan aliran

air sehingga nilai εG semakin kecil.

Gambar 7 menunjukkan aliran konstan air 0,25 m/s, εG meningkat secara

linier dengan pertambahan laju aliran gas. Hal ini disebabkan semakin tinggi

volume gas dalam kolom seperti aliran gas dinaikkan, ketika volume air tetap

menghasilkan peningkatan nilai εG.

Page 8: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Dekomposisi Ozon

Dekomposisi ozon pada kolom telah diteliti pada periode konduktivitas

berubah dalan larutan. Larutan konduktivitas berasosiasi dengan kemampuan

dari larutan untuk menghasilkan arus listrik. Konduktivitas digunakan untuk

mengukur konsentrasi ion terlarut dalam pelarut polar seperti air pada saat

jumlah ion dalam larutan. Semakin banyak ion dalam larutan, semakin besar

konduktivitasnya.

Gambr 8 mengindikasikan dekomposisi dari ozon terjadi pada pH 7 hingga

11,23. Kedua kurva menunjukkan tren yang sama. Pada saat waktu nol, saat

ozon belum terdekomposisi, Konduktivitas larutan rendah. Hal ini mengidiksikan

kehadiran dari konsentrasi ozon yang tinggi akan mengoksidasi I- dan I2 sehingga

konduktivitas terukur rendah. Walaupun demikian nilai konduktivitas naik secara

periodik yang mengidentifikasikan bahwa konsentrasi ozon semakin menurun.

Indikasi kehadiran ozon telah mulai menghilang.

Gambar 8 menunjukkan bahwa nilai konduktivitas pada pH 11,23

cenderung lebih rendah dari pH 7. Kondisi semakin alkali semakin banyak io OH-.

OH- merupakan inisiator dekomposisi ozon seperti persamaan berikut:

Page 9: Studi Transfer Massa Ozonisasi Gelembung Mikro Dalam Kolom

Semakin besar nilai pH, semakin besar konsentrasi OH-, dekomposisi terjadi

lebih intensif, semakin banyak I- dioksidasi menjadi I2 menyebabkan konduktivity

yang rendah.

Kesimpulan

1. Nilai KLa sangat dipengaruhi oleh aliran air (UG)

2. Nilai KLa meningkat saat laju aliran gas ditambah pada laju aliran air yang

konstan

3. Nilai KLa gelembung mikro 2,45 kali lebih besar dari gelembung

konvensional

4. Nilai KLa gelembung mikro adalah 0,0499/min sedangkan gelembung

konvensional 0,0203/min

5. Pada laju alira air konstan, semakin besar laju aliras gas, semakin besar

gas berhenti (εG). Ketika laju gas konstan, semakin besar laj aliran air,

semakin kecil gas yang berhenti

6. Peningkatan pH air meningkatkan kecepatan dekomposisi ozon terlarut

dalam air.