KIMIA ANORGANIK (Kode : D-15) PERPINDAHAN MASSA OKSIGEN DARI UDARA KE AIR SUNGAI DAN BIODEGRADASI ZAT ORGANIK DALAM AIR SUNGAI

Transkripsi

1 MKH PEDMPI KIMI ORIK (Kode : D-5) IS : PERPIDH MSS OKSIE DRI UDR KE IR SUI D IODERDSI ZT ORIK DM IR SUI Maria Enda Prasadja Program Studi Teni Kimia, Faultas Teni, Universitas Setia udi, Suraarta, Indonesia (enda_usb@yaoo.om) Jl. etjen Sutoyo, Suraarta 5727, Telp. : , Fax : , info@setiabudi.a.id bstra Pada pembuangan limba organi e dalam sungai aan mengalami deomposisi dengan menggunaan osigen dari udara yang terlarut dalam air, seingga terjadi perpindaan massa osigen dari udara e air sungai yang diiuti dengan reasi imia. Penelitian ini bertujuan menyusun persamaan empiris untu meramal arga oefisien perpindaan massa osigen dari udara e air sungai. Penelitian dilauan dengan mengaliran air sungai e dalam suatu model sungai yang berupa saluran air terbua. Dilauan pada variasi eepatan antara,2393 ml deti - sampai,994 ml deti - dan variasi edalaman sungai antara, m sampai,4 m. Kadar osigen yang terlarut diuur dengan Dissolved Oxygen Meter dan adar baan organi dietaui dengan analisa emial Oxygen Demand. Dari asil penelitian diperole tetapan reasi rerata sebesar 2,7.0-6 deti - dan oefisien perpindaan massa osigen berisar antara 6,4.0-8 m deti - sampai,6.0-7 m deti -. Hubungan antar elompo ta berdimensi untu oefisien perpindaan massa osigen dengan peuba peuba operasinya dinyataan S 2,6.0-5 ( Re ),922 dengan isaran ilangan Reynolds antara.236,76 sampai.989,9 dan besar esalaan rerata 0,2857%. Kata uni : Transfer Massa, Osigen, aan Organi PEDHUU Perembangan tenologi yang begitu pesat dan terus berlanjut serta meningatnya urbanisasi yang diaibatan ole pembangunan yang dilauan ole negara - negara berembang pada dewasa ini menyebaban ebutuan teradap perlindungan dan pemeliaraan lingungan idup yang seat dan aman perlu mendapat peratian yang main besar. Pembangunan industri diarapan dapat meningatan esejateraan bagi masyaraat. amun bila dalam perumusan ebijasanaan pembangunan industri tida memasuan unsur - unsur pertimbangan yang berorientasi pada lingungan, maa tiga unsur poo dalam eosistem, yaitu air, udara dan tana, aan mengalami penurunan ualitas yang substansial sebagai aibat penemaran ole baan sisa buangan atau limba. Sisa buangan atau limba dapat berupa gas dan debu, airan atau padatan. imba tida anya berasal dari industri tetapi juga dari ruma tangga, pelayanan umum (seperti ruma sait, perantoran, pertooan dsb., dari ativitas pertanian, transportasi, dll. [2]. Pembuangan limba organi, seperti sampa ota dan limba industri e dalam suatu aliran alami (sungai), menjadi masala yang sangat penting. Deomposisi baan organi dalam badan air ole bateri aerob untu proses metabolisme menggunaan osigen yang terlarut Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..486

2 dalam air. dapun reasi umum yang mungin berlangsung sangat omples, yang disederanaan dalam persamaan reasi sebagai beriut : miroba x H y O z + O 2 O 2 + H 2 O + dll. enzim Jadi dalam al ini, baan organi ( x H y O z ) bereasi dengan osigen terlarut dalam air. ila adar osigen terlarut dalam air lebi renda dari adar jenunya, maa aan terjadi perpindaan osigen dari udara e air. Ole arena itu, dalam proses biodegradasi baan organi dalam sungai, terjadi dua proses simultan, yaitu reasi imia dan perpindaan massa dari udara e air. ila adar baan organi dalam air sangat tinggi, maa eepatan reasi imia aan sangat besar, seingga eepatan pemaaian osigen aan lebi tinggi dari eepatan perpindaan osigen dari udara. ibatnya adar osigen terlarut dalam air aan turun dan berarti ualitas airnya menurun. Studi lingungan di Indonesia seja air dasawarsa ini banya dilauan. ai studi, penelitian, disusi dan seminar yang beraitan dengan upaya pananganan lingungan berdasaran pengamatan, lebi banya masi bersifat ualitatif. Sedangan studi uantitatif yang diperluan untu menentuan apaa suatu baan itu membaayaan atau tida masi urang. esaran uantitatif, misalnya jenis, onsentrasi, sifat fisi dan imia, eepatan perpindaan, dan watu penemaran sangat diperluan untu evaluasi dan pengambilan eputusan. Pada proses biodegradasi baan organi pada sungai, jia adar osigen terlarut dalam air sungai turun menapai arga di bawa suatu batas tertentu, maa miroba aan mati. Hal ini perlu diega, antara lain dengan pembatasan jumla buangan limba baan organi e sungai, atau dengan aerasi sungai tersebut [4]. Ole arena itu, disripsi uantitatif proses biodegradasi baan organi dalam sungai diperluan. Dalam al ini suatu model matemati aan sangat membantu dalam menentuan parameter yang diari seara uantitatif [3]. Proses perpindaan baan imia dalam eadaan sesunggunya adala sangat omples. Untu memaami perilau suatu sistem maa dibuat suatu model yang disederanaan []. Penelitian ini bertujuan menyusun persamaan empiris untu meramal arga oefisien perpindaan massa osigen dari udara e air sungai, berdasar data perobaan laboratorium untu berbagai nilai peuba. Taanan teradap perpindaan massa antarfase anya terdapat di dalam edua lapisan fase, tetapi tida terdapat pada antar permuaan edua fase. Sedangan onsentrasi - onsentrasi pada antar permuaan p i dan i merupaan onsentrasi eseimbangan. Keepatan perpindaan massa ( ) dalam masing - masing fase adala sebagai beriut : (p - p i ) ( i - ) () Dp D (2) Persamaan () dapat juga ditulisan beriut : p - p - i i - (3) sebagai Jadi bila oefisien perpindaan dan dietaui, maa onsentrasi - onsentrasi pada antar mua p i dan i dapat ditentuan seara grafis, atau seara analitis apabila dietaui persamaan urva esetimbangannya, p i f ( i ) (4) Pada umumnya tidala mungin menguur onsentrasi - onsentrasi pada antar permuaan edua fase. Seingga lebi sesuai menggunaan oefisien eseluruan yang berdasaran gaya pendorong eseluruan antara omposisi edua fase, p dan. Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..487

3 Untu H (tetapan Henry) berlau persamaan : p i H i + b (5) p H * + b (6) Jia p * adala onsentrasi dalam fase gas yang beresetimbangan dengan onsentrasi dalam fase air, maa berlau persamaan : p * H + b (7) Selanjutnya perpindaan massa antar fase dapat ditulis : K (p - ) (8) Persamaan (8) mempunyai satuan onsentrasi yang tida onsisten, dan perlu diuba menjadi : K (p - p *) K Dp o (9) dengan K adala oefisien perpindaan massa eseluruan fase gas, di dalamnya suda teraup taanan bai dalam fase air dan fase gas. Dalam enyataannya p * itu tida ada. ila * adala onsentrasi dalam fase air dan jia seandainya beresetimbangan dengan onsentrasi dalam fase gas p, maa dapat ditulis dengan ara yang sama : K ( * - ) K D o (0) dengan K adala oefisien perpindaan massa eseluruan fase air, di dalamnya suda teraup taanan bai fase air maupun fase gas. Hubungan antara oefisien perpindaan massa eseluruan dengan oefisien perpindaan massa individual dapat diari dengan jalan Dari persamaan (9) : K p - p * p - pi pi - p * + () Persamaan (5) dan (7) dimasuan e persamaan (), maa diperole persamaan K p - p i Dari persamaan (), H( i - ) + (2) p - p (3) i - (4) i Persamaan (3) dan (4) dimasuan e persamaan (2), maa diperole persamaan H + (5) K Sama dengan ara di atas, dari persamaan (0) : K *- *- i + i - (6) Persamaan (5) dan (6) dimasuan e persamaan (6), maa diperole persamaan K p - p H i + i - (7) Persamaan (3) dan (4) dimasuan e persamaan (7), maa diperole persamaan + (8) K H Persamaan (5) dan (8) menunjuan bawa besarnya taanan relatif masing - masing fase tergantung pada elarutan gas yang ditunjuan ole H. Untu gas yang sangat muda larut, misalnya H 3 dalam air, maa arga H sangat eil. Seingga dari persamaan (5) dapat disimpulan», seingga dapat K ditulisan K» (9) Dalam al ini taanan teradap perpindaan massa sebagian besar terleta dalam fase gas, dan untu sistem semaam ini diataan fase gas memegang peranan. Untu gas yang suar larut, misalnya osigen dalam air, maa arga H sangat besar. Dari persamaan (8) dapat disimpulan Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..488

4 », seingga dapat ditulisan K K» (20) Dalam al ini taanan teradap perpindaan massa sebagian besar terdapat dalam fase air, dan untu sistem semaam ini diataan fase air memegang peranan [5]. Pada aliran air sungai sederana yang mengandung osigen () dan baan organi (), maa eepatan reasi imianya dengan bantuan miroba uup omples, namun biasanya diasumsian sebagai bentu yang sangat sederana, yaitu : r b + a (2) Dalam al ini r r. Keepatan perpindaan massa osigen dari udara e air ditunjuan ole persamaan sebagai beriut ; K ( * - ) (22) Persamaan (20) dimasuan e persamaan (22), maa diperole persamaan ( * - ) (23) [4] Persamaan neraa baan untu baan organi adala Rate of input - rate of output - rate of reation rate of aumulation [ ] [ ]-[ Dzr ] 0 z z+dz Dz - z+ Dz - z r - Jia diambil lim Dx 0, maa diperole : d dz r - (24) Persamaan neraa baan untu osigen adala Rate of input - rate of output - rate of reation rate of aumulation [ Dz ( *- )]-[ ]-[ Dzr ] 0 z+ z+ Dz z+dz Dz - z ( - ) diambil lim Dz 0, maa diperole : d dz r * - Jia r ( *- ) - (25) v (26) di mana, debit air, v eepatan aliran air, lebar model sungai, edalaman model sungai. Hubungan antara oefisien perpindaan massa dan variabel - variabel yang berpengaru pada perobaan ini adala f (v,,, D O2, r, m ) (27) Dengan analisis dimensi, variabel - variabel dapat dielompoan dalam bentu elompo ta berdimensi r v K m a (28) Kelompo ta berdimensi / D O2 merupaan elompo ilangan Serwood (S) dan r v m merupaan elompo ilangan Reynolds (Re). Kondisi dijaga pada suu yang tetap, seingga variabel D O2 (diffusivitas moleuler O 2 ), r (densitas air) dan m (visositas air) tetap, maa persamaan (28) dapat ditulis S K ( Re ) a (29) PROSEDUR PERO Penelitian yang dilauan terdiri atas :. Penelitian dengan perobaan di laboratorium Perobaan di laboratorium dimasudan untu mendapatan data onsentrasi osigen ( ) dan onsentrasi baan organi eseluruan ( ) (dinyataan dalam OD) pada berbagai posisi. Dari data tersebut dan dengan bantuan model matematis yang diajuan maa dapat Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..489

5 diitung arga a, b dan. Peuba - peuba operasi yang dilauan dalam penelitian ini adala ilangan Re dan perbandingan antara edalaman dengan lebar sungai. 2. Penelitian dengan simulasi omputer erdasaran model matemati yang tela tersusun, dan diselesaian seara numeris dengan bantuan omputer, dapat dilauan peritungan simulasi seingga dapat dietaui arga dan sebagai fungsi jara pada eadaan steady state, untu arga a, b dan tertentu. Harga dan yang sesuai dengan data perobaan aan diperole dengan ara menguba - uba arga a, b dan. Harga a, b dan yang dipili adala yang memberian jumla uadrat selisi tereil ( SSE Sum of Squares of Error ) antara dan asil simulasi dengan asil perobaan yang tereil. Dengan ara ini, sealigus nilai a, b dan dapat ditentuan. 3. Penyusunan persamaan empiris untu Setela nilai - nilai pada sejumla variasi nilai peuba dapat diperole, maa diari persamaan empiris ubungan dengan peuba - peubanya, dinyataan dalam persamaan ubungan antar elompo ta berdimensi seperti pada persamaan (29). aan bau berupa air sungai yang diambil dari Sungai ode dan limba pabri ulit dari P.T. udi Mamur Jaya Murni Yogyaarta. Rangaian alat yang digunaan dalam penelitian ini adala model sungai yang berupa saluran air yang terbua. ampuran air sungai dan limba dialiran e saluran air dengan eepatan tertentu yang sebelumnya suda diambil sediit untu dianalisis adar osigennya dan adar baan organinya. Dibiaran air mengalir sampai abis dan ditampung di tangi penampung setela aliran. Kemudian air dipindaan e tangi penampung awal untu dialiran lagi seperti semula. Demiian langa tersebut diulang beberapa ali sesuai dengan renana. Setela air mengalir selama beberapa ali, emudian diambil sediit sampel pada tangi penampung setela aliran untu dianalisis adar osigennya dan adar baan organinya. anga - langa tersebut diulang lagi sampai pengambilan sampel beberapa ali. Kadar osigen yang terlarut ( ) diuur dengan Dissolved Oxygen Meter dan adar baan organi eseluruan ( ) dietaui dengan melauan analisis OD (emial Oxygen Demand). HSI D PEMHS Penelitian ini dilauan meliputi pengaru eepatan aliran air dan edalaman pada model aliran air sungai. erdasaran asil penelitian dan simulasi diperole arga b berisar antara 9,2.0-7 sampai 3,8.0-6 deti -, dan arga berisar antara sampai,4.0-7 m/deti, sedangan arga a tida berpengaru. Pada peritungan ini diambil arga a sebesar.0 5 yang arganya mendeati arga onsentrasi baan organi. Dan asil peritungannya ditunjuan pada tabel dan tabel 2. Dalam al ini arga b teoritis tetap, dan data asil itungan juga menunjuan bawa variasi nilai b tida begitu besar. Untu itu diambil arga b rerata sebesar 2,7.0-6 deti -. Selanjutnya dilauan reoptimasi arga dengan minimasi satu variabel, dan memberian arga sebesar 6,4.0-8 sampai,6.0-7 m/deti. Hasil peritungan penentuan arga dan oefisien reaerasi ( /) dengan berbagai arga Re ditunjuan pada tabel 3, demiian juga untu peuba (/) ditunjuan pada tabel 4. Penentuan Persamaan Hubungan antara dengan Peuba-peuba Operasi. Peuba ilangan Re Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..490

6 Penelitian ini dilauan pada berbagai arga ilangan Re pada isaran arga antara.236,76 sampai.989,9 dan al ini dilauan dengan menguba eepatan aliran air pada edalaman yang tetap yaitu 0,0 m atau 0,6875. erdasaran persamaan (29) dan dilauan manipulasi, maa diasilan persamaan : S X ( Re ) a di mana X K Dari asil peritungan regresi linier diperole arga slope,922, jadi arga a, Peuba perbandingan antara dan atau Penelitian ini dilauan pada berbagai arga (/) pada isaran arga antara 0,625 sampai 0,875 dan al ini dilauan pada ilangan Re yang tetap yaitu.672,66. erdasaran persamaan (29) dan dilauan manipulasi, maa diasilan persamaan : S ( Re ) -a K Dari asil peritungan regresi linier diperole arga slope 0,97 jadi arga 0,97 dan interept ln K -33,58 seingga K 2, Dalam al ini, dari persamaan (29) diganti dengan, maa diperole : D O2 rv K m p q (30) Untu memperole persamaan empiris pada persamaan (30) adala Dari persamaan (29), rv K DO2 m jadi p a,922 D O2 a rv K m q a + 0,97, ,0005» 0 a a -a -a+ Dari asil peritungan di atas, airnya diperole persamaan empiris antara dengan peuba-peuba operasi berbentu : S 2,6.0-5 ( Re ),922 dengan esalaan rerata 0,2857%. Jia asil penelitian ini dibandingan dengan asil penelitian peneliti terdaulu yang ditunjuan dalam bentu oefisien reaerasi ( /) (tabel 5), maa arga oefisien reaerasi penelitian ini berisar antara 0,5 sampai,26 ari -, yang berarti arganya tida jau menyimpang dari data penelitian sebelumnya. KESIMPU erdasaran penelitian yang tela dilauan, maa dapat diambil esimpulan. Model matemati yang diajuan dapat dipaai untu menerangan peristiwa perpindaan massa osigen dari udara e model aliran air. 2. Pada peristiwa perpindaan massa ini diperole arga b antara 9,2.0-7 sampai 3,8.0-6 deti - dan arga antara sampai,4.0-7 m/deti. Hasil reoptimasi dengan b rerata sebesar 2,7.0-6 deti - diperole arga antara 6, sampai, m/deti. Hal ini berarti pada peristiwa perpindaan massa osigen dari udara e air limba pabri ulit P.T. udi Mamur Jaya Murni Yogyaarta ini mengaibatan peristiwa reasi imia dan perpindaan massa. 3. Hubungan antar elompo ta berdemensi untu dengan peuba-peuba operasinya Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..49

7 dapat ditulisan dalam persamaan sebagai beriut : S 2,6.0-5 ( Re ),922 dengan isaran ilangan Re antara 236,76 sampai 989,9 dan besar esalaan rerata 0,2857%. [5] Treybal, R., E.. Mass Transfer Operations. 2 nd ed. Mraw - Hill. 98 p Diperole arga oefisien reaerasi berisar antara 0,5 sampai,26 ari - yang berarti tida jau menyimpang dari data penelitian sebelumnya. UP TERIM KSIH Puji syuur penulis panjatan e adirat Tuan Yang Maa Esa atas segala arunia dan ramat ya seingga penulis dapat menyelesaian maala penelitian ini. Penulis uapan terima asi epada yang terormat apa Ir. Wayudi udi Sediawan, SU, P. D. dan apa Ir. Panut Mulyono, M. Eng., D. Eng. yang tela memberian saran - saran dalam penelitian ini. Semoga Tuan Yang Maa Esa berenan melimpaan ramat epada semua pia yang tela membantu demi terselesainya penelitian ini. DFTR RUJUK [] endiyasa, I., M.. Transport Fase Udara - ir. Yogyaarta : Pusat ntar Universitas, Universitas adja Mada al. [2] Martopo, S.. Masala ingungan Hidup dan Pembangunan erlanjut erwawasan ingungan. Yogyaarta : Pusat ntar Universitas, Universitas adja Mada. 992 [3] Muraman,. Pentingnya Pembaasan Kuantitatif dalam Studi ingungan. Yogyaarta : Pusat ntar Universitas, Universitas adja Mada al., 6 [4]Tibodeaux,.,J. emodynamis Environmental Movement of emial in ir, Water, and Soil. ondon : Jon Wiley and Song In p Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III)..492

8 MPIR Tabel. Hasil peritungan arga β dan pada berbagai arga bilangan Re ( 0,0 m, 0,6 m) pada suu 28 o β o. Re (deti - ) (m/deti).236,76 2,30, ,34 2,60, ,8 3,80, ,60, ,23 2,50, ,9 0,99 0,83 Tabel 2. Hasil peritungan arga β dan pada berbagai edalaman (Re.672,66, 0,6 m) pada suu 28 o β o. (m) (deti - ) (m/deti) 0,0 0,92 0,70 2 0,02,0 0,76 3 0,03 2,50,30 4 0,04,40,0 Tabel 4. Hasil peritungan arga dan oefisien reaerasi pada berbagai edalaman(β 2,7.0-6 deti -, Re.672,66) pada suu 28 o.0 7 / o. (m) (m/deti) (ari - ) 0,0,2,04 2 0,02,4,0 3 0,03,6,06 4 0,04,6 0,99 Tabel 5. Data oefisien reaerasi pada beberapa sungai [4] Suu / o. ama sungai ( o ) (ari - ) El 2,0, 2 larion 3,0 6,00 3 Tennessee 23,0 3,03 4 Illinois 27,0 0,62 5 San ay Diego 20,0 0, 6 Oio 24,5 0,44 Tabel 3. Hasil peritungan arga dan oefisien reaerasi pada berbagai arga bilangan Re (β 2,7.0-6 deti -, 0,0 m) pada suu 28 o.0 7 / o. Re (m/deti) (ari - ).236,76 0,64 0, ,34 0,72 0, ,8,20 0, ,30, ,23,40, ,9,60,26 Seminar asional Kimia dan Pendidian Kimia III (S-KPK III).. 493