Penentuan Koefisien Difusi Gas SF 6 pada Tanah Sawah dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO 2

Transkripsi

1 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M 21 Pnnuan Kofsn Dfus Gas SF 6 pada Tanah Sawah dngan Mod Spkroskop Fooakusk Lasr CO 2 ALI JOKO WASONO Lab. Fooakusk FMIPA Fska UGM, Yogyakara Indonsa IYON TITOK SUGIARTO Pusa Pnlan Fska LIPI Kawasan PUSPIPTEK, Tangsl Indonsa yon1@lp.go.d INTISARI: Tlah dlakukan pnnuan kofsn dfus gas SF 6 pada anah sawah dngan mod spkroskop fooakusk lasr CO 2. Nla kofsn dfus gas SF 6 dnukan pada saa rjad pnurunan konsnras gas SF 6 yang dpancarkan dalam anah sawah. Gas SF 6 yang brsfa nr (mula), mmpunya pa srapan yang kua pada gars 1P16 radas lasr CO 2 dngan kofsn srapan α = (577 ± 8) cm am dgunakan sbaga gas placak. Konsnras gas SF 6 yang dkluarkan slama pross dfus adalah brord ppb. Dar hasl prhungan dprolh nla kofsn dfus (D) gas SF 6 pada anah sawah adalah (1,2 ±,4) x 1-3 cm 2 /s unuk bal anah,8 cm; (3,3 ± 1,5) x 1-3 cm 2 /s unuk bal anah,9 cm; (2,7 ± 1,1) x 1-3 cm 2 /s unuk bal anah 1,1 cm; dan (6,3 ± 2,6) x 1-3 cm 2 /s unuk bal anah 1,3 cm. Hasl n mnunjukkan bahwa mod spkroskop fooakusk lasr CO 2 dapa dgunakan unuk mndks konsnras gas SF 6 yang brdfus pada anah sawah. KATA KUNCI : Spkroskop fooakusk lasr CO 2, SF 6, kofsn dfus gas SF 6 ABSTRACT : Th dffuson coffcn of SF 6 gas drmnd whn dcrass as s md a h paddy sol. Th SF 6 gas whch bologcally nr, has a vry srong absorpon band a h ln of 1P16 CO 2 lasr wh an absorpon coffcn α = (577 ± 8) cm am, was usd as suabl racr gas. Th SF 6 gas concnraon rsuld n h procss of dffuson s a rang of ppb. Th rsul for calculaon of h dffuson coffcn (D) SF 6 gas n paddy sol wr found o b (1,2 ±,4) x 1-3 cm 2 /s for h hcknss of sol layr a,8 cm; (3,3 ± 1,5) x 1-3 cm 2 /s for h hcknss of sol layr a,9 cm; (2,7 ± 1,1) x 1-3 cm 2 /s for h hcknss of sol layr a 1,1 cm; and (6,3 ± 2,6) x 1-3 cm 2 /s for h hcknss of sol layr a 1,3 cm. Ths rsul ndcad ha h mhod of CO 2 lasr phooacousc spcroscopy could b usd o dc h gas concnraon of SF 6, whch dffusd n paddy sol. KEYWORDS: CO 2 lasr phooacousc spcroscopy, SF 6, dffuson coffcn SF 6 gas 1. PENDAHULUAN Brmacam-macam gas lah dsldk dngan mnggunakan mod spkroskop fooakusk, danaranya polus udara, gas mana, amona, dan gas ln hasl kluaran brbaga macam buah-buahan spr: apl, mangga, psang, dan salak[1]. Dks fooakusk ddasarkan pada fk fooakusk, yau mbulnya glombang akusk bla dkna radas yang dmodulas pada frkuns audo [2]. Efk fooakusk dmukan olh Bll, A.G. (188) swaku da mlwakan snar maahar yang dmodulas pada frkuns audo k dalam za pada. Efk fooakusk juga dapa rjad d dalam za car dan gas [3]. Bla srapan radas cukup lmah sra daya radas dak rlalu ngg maka snyal fooakusk brbandng lurus dngan daya rsbu dan konsnras gas yang mnyrap radas. Panjang glombang lasr CO 2 (91 µm) yang brada dalam darah nframrah dan mmpunya banyak gars-gars lasr yang dapa mnyrap kbanyakan gas anorgank. Sau danaranya adalah gas SF 6 (Sulfur Hksafluorda). Scara fska gas SF 6 yang brsfa lmbam, mmpunya srapan yang kua dngan kofsn srapan 564 am cm pada gars 1P16 radas lasr CO 2, dan brsfa nr, dak bracun, dak dapa rbakar, sra ksablan kma yang ngg dapa dmanfaakan unuk mngahu ranspor dan kofsn dfus gas SF 6 dalam anah [4,5]. Pngahuan nang ranspor gas dalam anah pnng arnya unuk mngahu sbrapa cpa rspras yang rjad dar akar k anaman. Lasr yang dgunakan brkonfguras ksrakavas dngan ssm gas mngalr. Tujuan pnlan n adalah mnrapkan mod spkroskop fooakusk (SFA) lasr CO 2 yang mmpunya kpkaan ngg [sub ppb = par pr bllon (bagan pr mlyar)] unuk mnnukan kofsn dfus gas SF 6 pada anah sawah (paddy sol). 8

2 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M METODOLOGI 2.1 Tor Bsarnya snyal fooakusk brbandng langsung dngan nnsas radas yang dsrap cuplkan dan daya anggap mkrofon. Brdasarkan hukum Lambr-Br, bla srapan yang rjad sanga lmah maka dprolh snyal fooakusk (S) brbandng lurus rhadap konsana sl (F), daya anggap mkrofon (R ), daya lasr (I o ), dan konsnras cuplkan (C) yang dnyaakan dngan prsamaan : S = F R Io α C + B (1) dngan α adalah kofsn srapan molkul gas dalam (cm am ) dan B mrupakan snyal laar. Brdasarkan prsamaan rsbu yau brlakunya ksbandngan anara snyal fooakusk dngan konsnras molkul pnyrap maka dkor dapa dpaka unuk mlacak gas klum skalgus mnnukan konsnrasnya, bla kofsn srapan molkul α lah dkahu nlanya. Dfus muncul akba prgrakan acak molkul bahan yang mmbarkan molkul rsbu rpsah sau sama lannya. Bla dnjau gjala dfus molkul gas dalam suau ukuran volum luas pnampang A, maka mnuru hukum Fck prama bahwa rapa alran (J) molkul brbandng langsung dngan gradn konsnras (msal k arah x) dngan konsana ksbandngan yang dsbu kofsn dfus (D). C J D (2) x C mrupakan gradn konsnras. Arah dfus sarah dngan pngurangan konsnras. Sdang laju x prukaran gas (laju dfus) sbandng dngan rapa alran dan luas pnampang yang dlalu gas yang dapa drumuskan mnjad[6] ds d C AC DA (3) x R dngan mnggunakan D = x/r; R dnamakan kofsn rssans lmn volum rhadap dfus yang rjad ddalamnya (dk cm ), C mrupakan slsh konsnras dluar bahan ( C ) dngan konsnras gas d dalam bahan ( C ) yang kmudan masng-masng dsbu sbaga konsnras ksrnal dan nrnal. Jumlah gas yang brdfus ap sauan waku dapa dnyaakan[7]. ds d dc V (4) d dngan V mrupakan volum ksrnal. Bla dpaka gas placak unuk mngukur laju dfus suau gas yang dlakukan dngan cara mlakkan bahan k dalam kuv (ssm) ruup dan volum gas yang dsldk yang brada d dalam bahan dak dapa dabakan maka brlaku C C V V C V V (5) Subsus prs. (5) k (4) dan (3) sra dpsahkan varabl konsnras dan waku, kmudan dngralkan maka akan dprolh hubungan: C C A V V ln C C R VV (6) 9

3 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M 21 dngan C adalah konsnras gas placak pada saa, C konsnras gas pada (konsnras ksmbangan anara dalam dan luar bahan) dan C konsnras nrnal gas placak pada Mod Pnlan Bahan yang dl adalah anah sawah (paddy sol) yang dambl dar darah Snolo, Kulon Progo. Gas placak (Sulfur hksaafluorda, SF 6 ) dprolh dar PT. PLN (Prsro) jl. Parangrs km.5, Yogyakara. Ala yang dgunakan dalam pnlan n adalah spkromr fooakusk lasr CO 2 yang komponn uamanya mlpu : Lasr CO 2 flowng sysm (ssm mngalr), sl fooakusk, modulaor (Choppr) SR 54; Encodr Mk Conrollr ORIEL 1811; pngua Lock-n SR 53;. rcordr Kpp & Zonn BD41; mr daya OPHIR AN/2; CO 2 Spcrum analyzr / pnganalss spkrum lasr CO Ssm Dks Fooakusk (FA) Prsyaraan gas yang dapa ddks dngan mod FA adalah bahwa gas rsbu mmpunya pola srapan yang brada dalam darah panjang glombang lasr. Dalam pnlan n dpaka lasr CO 2 flowng sysm, yang rdr dar campuran gas H, N 2 dan CO 2 yang mnghaslkan daya,3,4 wa. Molkul gas mnyrap nrg foon dan rksas k aras vbras-roas yang lbh ngg, kmudan molkul mlpas nrg ksas rsbu dngan cara radas dan non-radas. Enrg rlaksas non-radas yang mrupakan umbukan anar molkul dubah mnjad nrg ranslas molkul brupa pmanasan mdum gas. Bla radas lasr dmodulas maka akan rbnuk modulas panas aau suhu yang mnybabkan modulas kanan yang dak lan mrupakan glombang akusk. Snyal akusk yang dhaslkan dangkap dngan mkrofon dan dprkua olh lock-n SR 53. Daya lasr dukur dngan mr daya OPHIR AN/2. Rangkaan ala yang dgunakan dunjukkan pada Gb. 1. Gambar 1. Rangkaan Ala Spkromr Fooakusk Lasr CO Pnnuan dfus gas SF 6 dalam sampl anah dngan spkromr fooakusk lasr CO 2. Sampl anah sawah dngan bal anara,8 1,3 cm dmpakan k dalam kuv brbnuk slndr dngan damr 2,4 cm dan ngg 11 cm yang dlngkap dngan dua saluran pada pnuupnya, yau sau unuk udara masuk dan sau lag unuk saluran gas k sl FA. Kuv yang dgunakan dunjukkan pada Gb 2. 1

4 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M 21 Udara kan k sl FA Tanah sawah pnyarng gas SF 6 Gambar 2. Skma kuv yang dgunakan dalam pnlan D bagan bawah kuv dbr pnyarng unuk mncgah agar anah dak jauh k bawah dan mmbr ruang agar gas placak SF 6 dapa mngalr k bagan aas kuv yang dgunakan. Gas SF 6 dngan konsnras 2 ppm dsunkkan k dalam kuv. Kmudan udara kan dngan laju alran 1 lr/jam dalrkan k dalam kuv (bagan aas) unuk mndorong gas SF 6 yang lah dmskan dar dalam anah mnuju k sl FA unuk ddks laju kluaran SF 6 -nya. Gas dar udara kan dlwakan kaalsaor yang rbua dar pll (Al 2 O 3 dcampur dngan plana) yang dpanas pada suhu 35 o C unuk mmcah gas hdrokarbon mnjad CO 2 dan H 2 O. Sblum masuk k sl FA, gas dlwakan KOH scrubbr unuk mnangkap CO 2 hasl rspras maupun yang brasal dar udara kan. Hal n karna CO 2 mmpunya srapan yang brdkaan dngan srapan SF 6 pada gars lasr 1P16 walaupun sanga lmah. SF 6 yang brada dalam sl FA dmbak dngan radas lasr yang dmodulas nnsasnya pada frkuns audo, shngga mnghaslkan snyal akusk yang dprkua olh lock-n amplfr. Snyal rsbu dkonvrs k nla konsnras. Konsnras gas SF 6 yang dmskan dalam anah dapa dprolh dar prsamaan (1), dngan mnsubsuskan konsana sl F yang dprolh dar ksprmn, konsana mkrofon R = 11 mv/pa dan kofsn srapan α SF 6 yang dprolh dar ksprmn. Transpor gas dalam sampl anah dapa dnukan dngan mmbua grafk dar prsamaan (6) slama rjadnya pnurunan konsnras SF6, dar gradn grafk rsbu dprolh nla kofsn rssans (R) sampl anah rhadap dfus SF6. Bsarnya kofsn dfus gas SF6 dapa dprolh dar kaan D = x/r, dngan x adalah bal sampl anah sawah. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasl dks gas SF6 dalam anah sawah dngan varas kbalan anara,8,3 cm yang lah dmua gas SF6 dngan konsnras 2 ppm d dalam kuv, mnunjukkan pola ms gas SF6 nak kmudan mnurun scara ksponnsal mnuju ksmbangan. Karakrsk ranspor gas SF6 dalam anah sawah dunjukkan pada Gb. 3. konsnras (ppb ) l =,8 cm l =,9 cm l = 1,1 cm l = 1,3 cm waku (mn) Gambar 3. Karakrsk ms gas SF6 slama brdfus dalam anah sawah dngan bbrapa varas kbalan 11

5 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M 21 Pola knakan gas SF6 n dsbabkan karna kuv yang mula-mula kosong kmudan rs olh gas SF6 yang dsunkkan k dalam kuv, sdangkan pola pnurunan SF6 n akba konsnras gas SF6 yang brada dalam kuv rus brkurang karna dalr udara kan mnuju k sl FA unuk ddks. Dar pola ms pada gambar 3 ampak bahwa rjad varas pola knakan SF6 yang rjad pada 5 mn prama. Unuk bal anah,8 cm knakan konsnras rjad pada mn k dngan konsnras sbsar 16,18 ppb, unuk bal anah,9 cm knakan rjad pada mn k-5 dngan konsnras 12,77 ppb, unuk bal anah 1,1 cm knakan rjad pada mn k dngan konsnras 15,76 ppb dan unuk bal anah 1,3 cm knakan rjad pada mn k-5 dngan konsnras 6,81 ppb, kmudan mnurun scara ksponnsal mnuju ksmbangan dalam waku yang brbda-bda pada konsnras SF6 yang hampr konsan sbsar 2,55 ppb. Prbdaan pola dfus dan nla konsnras gas SF6 yang dmskan pada sap kbalan anah rsbu kmungknan dsbabkan karna fakor pmuaan gas SF6 pada saa dsunkkan k dalam kuv, dmana sblum dsunkkan konsnras gas SF6 mungkn lah brkurang dak 2 ppm lag konsnrasnya shngga akan brpngaruh pada bsarnya konsnras gas SF6 yang dsunkkan k dalam kuv unuk sap varas kbalan anah maupun yang dmskan dalam anah sawah. Smakn pada molkul dalam bahan maka smakn kcl jarak unuk brgrak, maka smakn sul dfus dapa rjad. Hal n pulalah yang dapa mngakbakan pnundaan ranspor/dfus gas SF6 pada anah sawah unuk kbalan anah yang smakn bsar, slan adanya srapan yang rjad dalam anah. Nla kofsn dfus gas SF6 yang bsar mnunjukkan laju dfus yang cpa, karna kofsn dfus gas sbandng dngan laju dfus dan brbandng rbalk dngan luas prmukaan bahan. Sdangkan kofsn dfus brbandng rbalk dngan kofsn rssans. Nla kofsn rssans yang ngg mnunjukkan rspras yang lamba.,5 -,5 -, , ,5 y = -,57x +,872 l =,8,5,5 y = -,1262x +,571 l =,9-3 (mn) (mn) (a) (b) , ,5-3 y = -,918x +, l = 1,1 y = -,132x +,586 l = 1,3,5 (m n) (m n) (c) (d) Gambar 4. Hubungan anara ln EMBED Equaon.3 dan pada bbrapa varas kbalan anah (l). (a) bal anah,8 cm, (b) bal anah,9 cm, (c) bal anah 1,1 cm, (d) bal anah 1,3 cm. Pnnuan nla kofsn dfus gas SF6 pada anah sawah dhung pada saa rjadnya pnurunan konsnras gas yang dmskan. Unuk bal anah sawah,8 cm pnnuan nla kofsn dfus gas SF6 daa dambl pada mn k, unuk bal anah sawah,9 cm pnnuan nla kofsn dfus gas SF6 daa 12

6 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M 21 dambl pada mn k-5, unuk bal anah sawah 1,1 cm pnnuan nla kofsn dfus gas SF6 daa dambl pada mn k dan unuk bal anah sawah 1,3 cm daa pnnuan nla kofsn dfus gas SF6 dambl pada mn k-5. Brdasarkan analss pola pnurunan konsnras gas SF6 yang rjad dan mmasukkan varabl-varabl yang rdapa pada prsamaan (6), dprolh grafk spr yang dunjukkan pada gambar 4, unuk mnghung bsarnya nla kofsn dfus gas SF6 slama brdfus dalam anah sawah unuk sap varas kbalan anah sawah mula dar kbalan,8 cm sampa dngan kbalan 1,3 cm. Dar gradn grafk yang dprolh pada Gb. 4, yang mrupakan gradn dar grafk prsamaan (6) dprolh nla kofsn rssans (R) sampl anah rhadap dfus SF 6 unuk pnnuan kofsn dfus SF 6 yang dhung dngan kaan D = x/r. Nla kofsn dfus SF 6 dalam anah dunjukkan pada Tab.1. Tabl 1. Nla kofsn dfus gas SF 6 dalam anah sawah No Tbal Tanah (cm) D SF6 x 1-3 cm 2 /dk 1,8 1,2 ±,4 2,9 3,3 ± 1,5 3 1,1 2,7 ± 1,1 4 1,3 6,3 ± 2,6 Sbaga prbandngan, dar hasl pnlan Groo (22) dprolh kofsn dfus gas SF 6 pada anah sawah sbsar (1,2 ±,2)x1-5 cm 2 /dk[5]. Hal yang mnybabkan prbdaan nla rsbu adalah pada mod pmuaan gas SF 6 yang dgunakan. Pada pnlan yang dlakukan Groo, gas SF 6 dalrkan scara konnyu k dalam kuv, namun dalam pnlan n gas SF 6 dak dalrkan scara konnyu mlankan mnyunkkannya dngan konsnras rnu k dalam kuv. Dar hasl pnlan n dapa dlha adanya prbdaan yang sanga bsar skal nla kofsn dfus gas SF 6 yang dprolh dan bsarnya olrans yang hampr sngahnya. Slan fakor pmuaan gas kmungknan ada fakor pnybab lannya yau fakor prlakuan sampl anah yang brbda shngga akan brpngaruh pada laju dfus gas SF 6 dalam anah. Dsampng u ranspor gas SF 6 (laju dfus) yang rjad dalam sampl anah sawah juga dpngaruh olh ukuran kuv yang dpaka pada saa pmuaan gas SF 6. Volum kuv mmpngaruh bsarnya nla konsnras gas SF 6 yang dmskan bak konsnras ksrnal maupun konsnras nrnal. 4. KESIMPULAN Dar hasl pnlan dan analsa prhungan dprolh nla kofsn dfus (D) gas SF 6 pada anah sawah sbsar (1,2 ±,4)x 1-3 cm 2 /dk unuk bal anah,8 cm; (3,3 ± 1,5)x 1-3 cm 2 /dk unuk bal anah,9 cm; (2,7 ± 1,1)x 1-3 cm 2 /dk unuk bal anah 1,1 cm; dan (6,3 ± 2,6)x 1-3 cm 2 /dk unuk bal anah 1,3 cm. Kofsn dfus mrupakan suau paramr yang mnyaakan bsarnya gradn konsnras pmbawa muaan. Brdasarkan pnlan n dapa dsmpulkan bahwa mod spkroskop fooakusk lasr CO 2 dapa dgunakan unuk mndks gas-gas dalam ord yang sanga kcl (sub ppb). UCAPAN TERIMAKASIH Pnuls mngucapkan banyak rmakash kpada Dru PT. PLN (Prsro) Jl. Parangrs km 5 Yogyakara yang lah mnydakan gas SF 6 shngga pnlan n dapa rwujud, Dr. Moh. Al Joko Wasono dan Mrayana S.S, M.S yang lah mmbrkan masukan, bmbngan dan mngajarkan pnggunaan pralaan spkromr FA, sra Syams Harsono dan Ra Ulfah Rahmawa yang lah mmbanu dalam pngamblan daa. DAFTAR PUSTAKA [1] Wasono, M.A.J.,dkk, 22. Pnrapan Spkromr Fooakusk Lasr C 2 Sm Sald-Off Pada Pnnuan Kofsn Rssans Buah Trhadap Dfus C 2 H 4 Mnggunakan Gas SF 6 Sbaga Placak. Prosdng Prmuan dan Prsnas Ilmah Pnlan Dasar Ilmu Pngahuan dan Tknolog Nuklr, Yogyakara, 27 Jun BUKUI. 13

7 Jurnal Ilmu Pngahuan dan Tknolog TELAAH Volum 27, M 21 [2] Harrn, F., 1988, Th Phooacousc Effc, Rfnd and Appld o Bologcal Problms, Dsras Docor, Chaolc Unvrsy, Njmgn, Blanda. [3] Rosncwag, A., 198, Phooacousc and Phooacousc Spcroscopy, John Wlly&Sons, Nw York. [4] Hnnngsn. J., Olafsson, A., and Hammrch, M., 199, Trac Gas Dcon wh InfraRd Gas Lasrs, Physcs Laboraory, Unvrsy of Copnhagn, Dnmark. [5] Groo T.T., 22, Trac Gas Exchang by Rc, Sol and Pars, Ph.D Thss, Unvrsy of Njmgn, Th Nhrlands pp 47 [6] Banks, N.H., 1985, Esmang Skn Rssanc o Gas Dffuson n Appls and Poaos, Journal of Exp. Boany, Vol. 36, No. 173, hal [7] Camron, A. C., and Yang S.F.,1982, A Smpl Mhod for h Drmnaon of Rssanc o Gas Dffuson n Plan Organs, Plan Physology. 14