5

BAB IITINJAUAN PUSTAKA2.1 Perpindahan MassaPerpindahan 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 menggunakan 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. 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. Perpindahan massa makroskopis ini tidak tergantung pada konveksi dalam sistem. Proses ini didefinisikan sebagai difusi molekul. Guna menelaah perpindahan massa dalam wetted wall column, perhatikan gambar berikut ini:

Gambar 2.1.Penampang membujur dari watted wall column untuk bagian dimana perpindahan massa fasa diukur/ditelaah(Sumber : Treybal edisi 3 ,1987)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 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 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 tersebut. 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.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 kerendah. Proses difusi itu terbagi kedalam 3 jenis yaitu :1) Difusi cairDikatakan difusi cair jika terjadi perpindahan molekul cairan dari konsentrasi tinggi kekonsentrasi 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) kedalam kedelai (yang kadar airnya rendah).2) Difusi padatDikatakan difusi padat jika terjadi perpindahan molekul padatan dari konsentrasi tinggi kekonsentrasi 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) kedalam 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 gasDikatakan difusi gas jika terjadi perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi kekonsentrasi rendah. Ketika kita menggunakan pengemas plastik untuk membungkus suatu bahan, maka selama penyimpanan akan terja didifusi oksigen dan uap air dari lingkungan luar kedalam plastik pengemas. Jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam plastic 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. Pada persamaan perpindahan massa ditunjukkan hubungan antara flux dari substansi yang terdifusi dengan gradien konsentrasi.

JA,Z = -DAB (2.1)Keterangan : JA,Z = molar flux pada Z

= perubahan konsentrasi DAB = difusitas massa atau koefisien difusitas komponen A yang terdifusi melalui komponen BKarena 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 campuran harus dihitung dari kecepatan rata-rata tiap komponen. Persamaan di atas dikenal dengan persamaan Hukum Freks ,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 5.10-6 10-5 m2/s ; untuk cairan 10-10 10-9 m2/s dan untuk padatan 10-14 10-10 m2/s.Perpindahan massa konvektif termasuk perpindahan antara fluida yang bergerak atau dua fluida yang bergerak yang tidak tercampur. Persamaan laju perpindahan massa konvektif sebagai berikut:NA = k . A (2.2)Keterangan : NA = Perpindahan massa molar zat AA =Perbedaan konsentrasi antara permukaan dengan konsentrasi rata-rata fluida.k =Koefisien perpindahan massa konvektifoperasi 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 :

(2.3)keterangan : NAZ = laju perpindahan molarDAB = difusivitasP = tekananR = konstanta gasT = temperaturZ = jarakPersamaan 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 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, dan3) Perpindahan massa pada wetted 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 :

(2.4)Keterangan : Z = panjangDAB = difusivitas massa antara komponen A dan B = densitas cairan B =viskositas cairan Bg =percepatan gravitasisc =Schmidt Number (dievaluasikan pada temperature film liquid)Re =Reynold numberKoefisien cairan lebih rendah 10 sampai 20% daripada persamaan secara teoritis untuk absorpsi dalam film laminer. Untuk menghitung koefisien perpindahanmassapada 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 : (2.5)Keterangan : Sh =Sherwood numberRe = Reynold numberSc =Schmidt numberDalam beberapa operasi perpindahan massa, massa berubah antara dua fase. Contohnya dalam peristiwa absorpsi. Absorbsi adalah penyerapan gas pada seluruh permukaan cairan. Salah satu alat yang digunakan untuk mempelajari mekanisme yang terjadi dalam operasi perpindahan massa adalah wetted 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 ( tidak berubah ). Kecepatan falling film sebenarnya tidak dipengaruhi oleh proses difusi. Pada proses ini terjadi perpindahan massa dan perpindahan momentum. Maka dari penjelasan diatas dapat dirumuskan sebagai Persamaan differensial untuk perpindahan momentum adalah : ( 2.6)Keterangan : =shear stress =densityg =gravitasiy =jarak Persamaan untuk profil kecepatan: (2.7)Keterangan :vx: kecepatan arah x: tebal film: viskositasCampuran gas umumnya terdiri dari komponen yang dapat diserap dan gas sukar diserap atau bereaksi (inert), sedangkan cairannya bersifat tidak melarut dalam fasa gas. Dalam perpindahan massa antar fasa, 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 cukup kekuatan gerak (driving force) dari suatu fasa yang lain atau dinamakan koefisien perpindahan massa ( mass transfer coefficient). Laju perpindahan massa juga tergantung antara lain luas permukaan kontak antarfasa. 2.2 Sistem Dua KomponenBila 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. 2.3 Sistem MultikomponenBila 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 dalam cairan. 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 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.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) Mengandung cukup banyak laluan untuk kedua arus tanpa terlalu banyak zat cair yang terperangkap atau menyebabkan penurunan tekanan terlalu tinggi,4) Memungkinkan terjadinya kontak yang baik antara zat cair dengan gas,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.Keempat cara tersebut digunakan tergantung pada kondisi yang dihadapi.2.4 Tipe Kolom Absorpsi2.3.1 Wetted Wall TowerLiquid dengan lapisan film yang tipis mengalir turun pada bagian dalam pipa vertical dengan aliran gas concurrent atau counter current 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 hydrochloric acid, dimana absorbs disertai oleh panas yang sanga tinggi. Dalam keadaan ini wetted wall tower dikelilingi dengan aliran cooling water. Multitube alat yang digunakan untuk distilasi dimana liquid film dihasilkan pada bagian atas oleh kondensasi parsial dari kenaikan vapour. 2.3.2 Spray Tower dan Spray ChambersZat cair akan disemprotkan kedalam gas stream oleh nozzle dimana zat cair disebarkan kedalam penurunan penyemprotan yang baik. Aliran mungkin counter-current dalam tower vertical dengan penyemprotan zat cair kebawah, atau paralel, jika tower horizontal dilakukan spray chambers. Alat ini menguntungkan pada tekanan rendah untuk gas, tetapi juga mempunyai jumlah yang tidak menguntungkan. Biaya pemompaan yang relative tinggi diberikan untuk penurunan tekanan dengan spray nozzle. Kecenderungan untuk menaikkan zat cair oleh sisa gas dan kabut pembersih akan hamper selalu dibutuhkan. Kecuali kalau diameter atau ratio panjang sangat kecil, gas akan lebih baik dicampur sepenuhnya oleh spray dan keuntungan aliran counter-current tidak akan didapatkan. Diameter atau ratio panjang tidak dapat dibuat sangat kecil karena itu spray harus dengan cepat mencapai dinding tower dan menjadi tidak berguna sebagai spray.2.3.3 Packed TowerPacked tower digunakan untuk kontak secara continue liquid dan gas untuk kedua aliran yaitu counter-current dan cocurrent, kolom vertikal dimana diisi dengan packing atau dengan memperluas permukaan kontak. Packet tower pada umumnya digunakan dalam proses industri.2.5 Teori FilmTeori film bersifat elementer di mana semua aliran di dalam aliran fluida turbulen terkonsentrasi dalam suatu stagnantfilm. Berikutnya terhadap dinding atau batas stasioner fluida, menurut model ini semua driving force konsentrasi untuk mengurangi stagnant film serta konsentrasi di dalam fluida adalah konstan, hal ini dikarenakan adanya turbulen yang tingi. Turbulen yang tingi mengurangi stagnantfluida. Tebal dari film hayalan yang digunakan untuk masa pada kecepatan aliran yang sebanding adalah tidak sama kecuali pada kondisi batas. Dari Reynold numberdiketahui koefisien dari transfer massa banyak digunakan, tetapi lebih sedikit dibandingkan dengan koefisien transfer atau juga apabila dibandingkan dengan koefisien permukaan. Dalam teori film ketebalan film efektif ditentukan oleh bagaimana kondisi laminer dan turbulen. Gradien konsentrasi merupakan karakteristik steady state. Persyaratan kontak antara likuid dan gas merupakan persyaratan yang paling sulit dicapai, terutama pada tower yang besar. Film tersebut, cenderung menebal pada beberapa tempat dan menipis di tempat lain.BAB IIIMETODOLOGI PERCOBAAN3.1 Alat dan Bahan3.1.1 AlatWetted Wall Absorption Column terdiri dari komponen berikut.1) Tabung 1 berupa kolom deoksigenator merupakan tabung bebas O2.2) Pompa 1 berfungsi untuk mengalirkan ke kolom deoksigenator.3) Pompa 2 berfungsi untuk menyedot air dan dialirkan ke flowmetter air.4) Kompresor berfungsi untuk menyedot udara.5) Tabung 2 berupa wetted wall yang merupakan tempat terjadinya absorpsi dan adanya aliran film.6) Sensor probe inlet dan outlet berfungsi untuk mendeteksi O2 yang terserap.3.1.2 Bahan1) Air2) Udara3.2 Prosedur Percobaan1) Tekan tombol power lalu tekan tombol supply.2) Tekan tombol pumpuntuk mengalirkan air dari bak penampung ke kolom deoksigenator.3) Atur flowmetter untuk air sesuai dengan laju alir yang ditetapkan.4) Bila kolom deoksigenator penuh dengan air, hidupkan pump 2 yang berfungsi untuk menyedot air dan dialirkan ke flowmetter dan sensor probe dimana alat ini digunakan untuk menghitung laju alir air dan O2 yang terserap dari inlet.5) Kemudian air akan mengalir ke puncak wetted wall absorption colomn dan selanjutnya akan turun dari puncak ke dasar kolom secara laminer yang berupa lapisan tipis (film).

4