Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Kinematika Partikel pada ...eprints.ulm.ac.id/639/1/KE-63.pdf ·...

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-63

Kinematika Partikel pada Proses Flotasi

Warjito1, a*, Harinaldi 2, b , Kevin Irdyan Hardwin3.c, Yudistira4.d, Manus Setyantono5, e

1,2,3,4,5Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424 Jawa Barat, Indonesia.aEmail : [email protected] , bEmail : [email protected] dEmail : [email protected]

eEmail : [email protected]

ABSTRAKFlotasi adalah teknologi pemisahan material berharga dari kotoran dan bekerja berdasarkan sifatpermukaaan material yaitu hidrophobik (takut air) dan hidrophilik (suka air). Efisiensi prosespemisahan dengan flotasi ditentukan oleh beberapa sub proses yaitu tubrukan antara gelembung danpartikel, penempelan partikel pada permukaan gelembung dan stabilitas agregat gelembung-partikel. Sub proses tersebut ditentukan oleh sifat permukaan, geometri dan ukuran serta pergerakanpartikel maupun gelembung. Penelitian ini bertujuan untuk memahami pergerakan partikel sebelumdan saat berinteraksi dengan gelembung sehingga diperoleh pemahaman tentang pengaruh geometridan ukuran partikel pada proses tersebut. Partikel yang digunakan berasal dari tambang mineral diIndonesia dan berukuran mesh 300, 212, 150 dan 106 mikron. Sel flotasi berupa bak air transparan.Digunakan particle feed berupa pipet Burnet untuk melepas partikel ke dalam sel flotasi.Gelembung yang digunakan berdiameter 0,9 mm, dihasilkan oleh nosel berdiameter 0,3 mm. Udaradiberikan oleh programmable syringe pump pada debit 1,5 l/min. Pergerakan partikel direkamdengan menggunakan High Speed Video Camera. Image yang dihasilkan diproses dengan imageprocessing software untuk mendapatkan lintasan dan pergerakan partikel. Data hasil pengamatandan pengukuran dengan menggunakan SEM diperoleh hasil bahwa partikel yang digunakandominan berbentuk bladed – sub angular. Kecepatan terminal partikel dipengaruhi oleh ukuran,semakin besar ukuran partikel semakin tinggi kecepatan terminalnya. Probabilitas interaksi antarapartikel sangat ditentukan oleh jarak antara partikel dengan sumbu gelembung saat awal pergerakanpartikel yang disebut dengan Rc. Jarak Rc paling efektif didapatkan pada jarak Rc = 0 atau tepatditengah gelembung dan jarak Rc = 1/2 jari-jari gelembung.

Kata kunci: Flotasi, gelembung, partikel, kecepatan terminal, Interaksi partikel-gelembung.

PendahuluanProses flotasi adalah proses pemisahan

material berharga dari pengotornya denganmenggunakan sifat permukaan hidrophobikdan hidrophilik material [1, 2]. Pada prosesflotasi umumnya gelembung udara dilepaspada bagian bawah sel flotasi dan partikeldilepas pada bagian atas sel flotasi. Gayagravitasi dan gaya apung menyebabkanpartikel bergerak ke bawah dan gelembungudara bergerak naik sehingga pada suatutempat terjadi interaksi antara gelembungdengan partikel. Hasil interaksi inimenyebabkan partikel yang memiliki sifathidrophobik menempel pada gelembungudara, membentuk agregat partikel

gelembung dan terbawa ke bagian atas selflotasi terpisah dari partikel pengotornya yangtertinggal di air karena memiliki sifathidrophilik [2].

Aspek-aspek penting dalam proses flotasimeliputi aspek engineering, fisik dan kimia.Aspek engineering meliputi desain sistemflotasi, pembuatan gelembung dan sistempelepasan partikel. Aspek fisik meliputigeometri dan dinamika partikel dangelembung. Sedangkan aspek kimia meliputimekanisme penempelan partikel padapermukaan gelembung dimana melibatkanreagent untuk mengubah sifat permukaanpartikel.


KE-63

Efisiensi proses flotasi ditentukan olehprobabilitas tumbukan, probabilitaspenempelan partikel pada permukaangelembung dan terbentuknya agregat stabilgelembung partikel. Proses interaksi partikeldengan gelembung terbagi menjadi sub prosestumbukan, partikel meluncur pada permukaangelembung dan diikuti dengan terbentuknyaagregat partikel gelembung atau partikelterlepas dari permukaan gelembung. Subproses tersebut menentukan efisiensipemisahan dan dipengaruhi oleh kinematikapartikel sebelum dan saat berinteraksi dengangelembung.

Kinematika partikel ditentukaan olehbeberapa variabel seperti geometri dan ukuranpartikel. Pengaruh geometri dan ukuran padakinematika partikel telah diteliti sebelumnya[3]. Penelitian-penelitian tersebut telahmampu menjelaskan berbagai phenomena,namun demikian umumnya penelitian tersebutmenggunakan geometri berbentuk bola danterbuat dari gelas, padahal geometri partikelmineral yang nyata berbentuk jauh dari bolasehingga aplikasi langsungnya terbatas.

Diperlukan pengetahuan tentangkinematika partikel dengan geometri singulardan terbuat dari bahan mineral untukmemahami proses flotasi sesungguhnya.Karena itu diperlukan penelitian kinematikapartikel dengan menggunakan partikel darihasil tambang dengan bentuk angular.Penelitian ini bertujuan untuk mempelajarikarakteristik kinematika partikel tambangbergeometri angular yang meliputi pengaruhgeometri dan ukuran pada lintasan, kecepatanterminal dan interaksi dengan gelembung.

Metode

Metode penelitian mengikuti diagramalur seperti ditunjukkan pada gambar 1.Experimental set up terdiri dari kolom flotasi,bubble generator, image capturing device danimage processing software. Kolom flotasiberupa wadah fluida berbentuk balok terbuatdari kaca dengan ukuran 9 x 9 dan tinggikolom 26 cm. Bubble generator adalahperalatan penghasil gelembung, terdiri darinosel dengan diameter 0,3 mm yangdilengkapi programmable control syringe.Peralatan ini menghasilkan gelembung

dengan diameter rata-rata 1,8 mm. Imagecapturing device terdiri dari High Speed videoCamera , lensa mikro dan sistempencahayaan. Pada penelitian ini imagediambil dengan kecepatan 1000 frame/second.Image processing software digunakan untukmengolah data image menjadi data kuantitatif.Dalam penelitian ini digunakan softwareimage J. Partikel yang digunakan padapenelitian ini adalah partikel hasil asli darisalah satu perusahaan pertambangan terbesardi Indonesia. Partikel tersebut memilikiukuran 106, 150, 212, dan 300 mikro meter.Pada penelitian ini digunakan dua jenis fluidayaitu fluida dengan campuran reagent danfluida air (H2O). Reagent ini berfungsi untukmengubah sifat fluida menjadi hydrophobic.Larutan reagent yang digunakan padapenelitian ini adalah larutan bertipe primarycollector 7249. Gambar skematik experimentset up ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 1 Diagram alur penelitian

Gambar 2 Skematik experimental set up


KE-63

HASIL DAN PEMBAHASAN

Deskripsi PartikelImage partikel hasil Scanning Electron

Microscope (SEM) untuk partikel ukuransieve diameter [1, 4] 300, 212, 150 dan 106mikro ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3 Hasil foto SEM

Selanjutnya image ini diproses denganimage software (Image J) sehingga dapatdiketahui dan dihitung sphericity, roundness,zingg form index dan roundness degree [4, 5,6]. Hasil image processing menunjukkanbahwa bentuk partikel adalah bladed-subangular kecuali untuk partikel berukuransieve diameter 300 mikrometer sepertiditunjukkan pada gambar 4 dan 5.

Tabel 1 Nilai sphericity, roundness, zinggform index dan roundness degree

Gambar 4 Zingg form index

Gambar 5. Perbandingan sphericity dengannilai roundness class

Lintasan (Trajectory) PartikelKinematika partikel di dalam kolom flotasi

direkam dengan menggunakan high speedvideo camera dengan kecepatan pengambilangambar 500 frame/second. Tipikal frameditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 6. Visualisasi lintasan partikeldiambil dengan video camera pada 500 fps.

Visualisasi menunjukkan bahwa partikelbergerak ke bawah dengan gerakan relatiflurus dan kemudian menumbuk gelembungyang diam. Setelah menumbuk gelembung,partikel akan menempel atau terlepas daripermukaan gelembung. Lintasan partikel dan


KE-63

interaksi dengan gelembung dipengaruhi olehukuran dan lokasi awal partikel.

Image dari high speed video cameraselanjutnya diproses dengan image processingsoftware untuk mengetahui lokasi partikelsetiap waktu. Lokasi pelepasan partikeldinyatakan sebagai Rc yang menunjukkanjarak lokasi pelepasan dengan sumbugelembung (sumbu nosel). Pada penelitian ininilai Rc divariasikan mulai dari Rc = 0 (posisi1), yakni partikel berada tepat di sumbugelembung, Rc = 1/2 r (posisi 2), Rc = r(posisi 3) dan Rc > r (posisi 4) dengan rmenyatakan jari-jari gelembung. Hasil imageprocessing dinyatakan sebagai trayektoripartikel ditunjukkan oleh grafik pada gambar7, 8, 9, dan 10. Dari grafik-grafik tersebutdapat diketahui pengaruh ukuran dan lokasipelepasan partikel pada interaksi partikel dangelembung. Posisi sumbu nosel pada grafik-grafik ini adalah pada x = 0.

Partikel berukuran 300 mikro meter padaposisi 1 dan 2, berinteraksi dengangelembung, menempel pada permukaangelembung kemudian meluncur padapermukaan gelembung dan terlepas kembali.Sedangkan partikel pada posisi 3 dan 4 tidakberinteraksi dengan gelembung. Trayektoripartikel ini ditunjukkan pada gambar 7.

Pola interaksi partikel berukuran 212mikro meter berbeda dengan partikelberukuran 300 mikro meter. Partikel iniberinteraksi dengan gelembung untuk posisi1, 2, dan 3. Partikel menempel dan meluncurpada permukaan gelembung kemudianberhenti membentuk agregat partikelgelembung. Hal ini dikarenakan bentuk daripartikel 212 mikron yang lebih bladed ataulebih bulat sehingga luas permukaan untukmenempelnya lebih besar, selain itu bentuksub-angularnya juga membuat penempelandengan gelembung semakin efisien. Kondisiyang serupa terjadi pada partikel berukuran150 dan 106 mikro meter seperti ditunjukkanpada grafik di gambar 9 dan 10.

Gambar 7 Lintasan partikel berukuran 300mikro meter

Gambar 8 Lintasan partikel berukuran 212mikrometer



KE-63


Probabilitas Tumbukan Partikel denganGelembung

Interaksi antara partikel dan gelembungdiawali dengan proses tumbukan. Karenaefisiensi flotasi dipengaruhi oleh proses ini,maka penting untuk mengetahui probabilitastumbukan antara partikel dan gelebung.Grafik pada gambar 11, 12, 13, dan 14menunjukkan probabilitas tumbukan partikeldengan berbagai ukuran pada berbagai posisipelepasan partikel.

Grafik-grafik ini menunjukan bahwa posisidan ukuran menentukan probabilitastumbukan. Nilai probabilitas tumbukan turundengan naiknya nilai Rc. Sebaliknya nilaiprobabilitas tumbukan naik denganbertambahnya ukuran partikel. Nilaiprobabilitas tumbukan terbaik untuk setiapukuran partikel dicapai pada Rc = 0 dandiikuti Rc = ½ r.

Gambar 11. Probabilitas tumbukan pada Rc =0

Gambar 12. Probabilitas tumbukan pada Rc =½ r

Gambar 13. Probabilitas tumbukan pada Rc =

r

Gambar 14. Probabilitas tumbukan pada Rc >r


KE-63

Probabilitas Pelekatan PartikelInteraksi partikel dan gelembung diawali

dengan tumbukan kemudian diikuti denganpelekatan partikel pada permukaangelembung dan terbentuknya agregat partikelgelembung. Dari pengamatan menunjukkanbahwa proses tumbukan dalam beberapakasus tidak diikuti dengan pelekatan partikelpada dinding gelembung, padahal proses inimenentukan efisiensi pemisahan, maka perludiketahui probabilitas pelekatan.

Probabibilitas pelekatan pada penelitian inididefinisikan sebagai perbandingan jumlahpartikel yang melekat dengan jumlah partikelyang dilepaskan untuk setiap ukuran partikeldan posisi pelepasan. Probabilitas pelekatanditunjukkan pada gambar 15, 16, 17, dan 18.

Grafik-grafik ini menunjukkan bahwaprobabilitas pelekatan semakin kecil untukukuran partikel yang semakin besar.Probabilitas pelekatan juga sensitif terhadapposisi pelepasan partikel. Semakin besar Rcsemakin kecil nilai probabilitas pelekatan danmencapai nol saat Rc > r.

Gambar 15 Probabilitas pelekatan, Rc = 0

Gambar 16 Probabilitas pelekatan,Rc = ½ r

Gambar 17 Probabilitas pelekatan, Rc = r

Gambar 18 Probabilitas pelekatan, Rc > r

Kecepatan Terminal PartikelKedudukan partikel sebagai fungsi waktu

ditunjukkan oleh grafik pada gambar 19.Seperti pemahaman yang ada, partikelberukuran besar karena mengalami gayagraviasi lebih besar bergerak lebih cepat.


KE-63

Gambar 19 Posisi partikel vs waktu

Gambar 20 Kecepatan terminal partikel.

Gambar 20 menunjukkan kecepatanterminal hasil penelitian ini dibandingkandengan kecepatan terminal sesuai hukumStokes. Hasil yang didapat saat penelitian inimemiliki trend yang sama seperti hasil dari.Perbedaan antara hasil penelitian denganStoke’s Law karena tidak dipenuhinya syaratnilai Re, dimana untuk Stoke Law adalahuntuk Re < 1, sedangkan nilai Re padapenelitian ini 1 [7].

KesimpulanDari hasil penelitian yang dilakukan

disimpulkan :

Bentuk dari partikel ukuran 106, 150 dan 212mikron adalah bladed – sub angular,sedangkan ukuran 300 mikron berbentukprolate – sub angular.

Rc yang paling efisien untuk tumbukan danpelekatan dalam proses flotasi adalah Rc = 0

(tepat ditengah gelembung) dan Rc = 1/2 rgelembung. Probabilitas tumbukan palingtinggi dimiliki ukuran 300 mikron dan 212mikron pada jarak Rc = 0 dan Rc = 1/2 r.Sedangkan probabilitas pelekatan palingtinggi dimiliki oleh partikel berukuran 106mikron pada jarak Rc = 1/2 r. Probabilitastumbukan dengan probabilitas pelekatanberbanding terbalik.

Kecepatan terminal juga sebanding denganukuran partikel, semakin besar ukuranpartikel maka semakin cepat. Partikel denganukuran 300 mikron memiliki kecepatan palingtinggi sebesar 50. 5 mm/s sedangkan partikelberukuran 106 mikron memiliki kecepatan26.1 mm/s.

DAFTAR REFERENSI[1] Kelly, E. G., Spottiswood, D. J.

(1982). Introduction to MineralProcessing. New York: WilleyInterscience Publication.

[2] Kawatra. S. K. Froth Flotation –Fundamental Principle.http://www.chem.mtu.edu/chem_eng/faculty/kawatra/Flotation_Fundamentals.pdf

[3] D. I. Verrelli, W. J. Bruckard, P. T. L.Koh, M. P. Schwarz, and B. Follink,“Particle shape effects in flotation.Part 1: Microscale experimentalobservations,” Miner. Eng., vol. 58,pp. 80–89, 2014.

[4] Clift, R., Grace, J. R. & Weber, M. E.(1978). Bubbles, Drops, and Particles.New York: Academic Press, Inc.

[5] G. H. Bagheri, C. Bonadonna, I.Manzella, and P. Vonlanthen, “On thecharacterization of size and shape ofirregular particles,” PowderTechnology., vol. 270, pp. 141–153,2015.

[6] Rawle, A. Basic Principles of ParticleSize Analysis. Worcestershire :Malvern Instruments Limited.

[7] Sam, A. (1995). Single BubbleBehavior Study in a Flotation Column.Motreal: Department of Mining andMetallurgical Engineering, McGillUniversity

Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Kinematika Partikel pada ...eprints.ulm.ac.id/639/1/KE-63.pdf ·...

Documents

Transcript of Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Kinematika Partikel pada ...eprints.ulm.ac.id/639/1/KE-63.pdf ·...