BAB II LANDASAN TEORI. terbentur pada permasalahan penggunaan teknologi. Dengan semakin

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI II.1. Parameter Pencemar Udara Selama ini teknologi pengolahan limbah kurang mendapatkan perhatian serius di Indonesia. Padahal, tidak sedikit permasalahan limbah cair maupun gas terbentur pada permasalahan penggunaan teknologi. Dengan semakin berkembangnya perindustrian di Indonesia, sudah selayaknya pemilihan serta penggunaan teknologi yang tepat dalam mengatasi masalah limbah segera diterapkan. Limbah Industri dibedakan menjadi empat jenis, yaitu: a. Limbah cair b. Limbah padat c. Limbah gas dan partikel d. Limbah B3 (bahan berbahaya beracun) Parameter pencemar udara yang dihasilkan dari ruang pembakaran pada boiler adalah : A. Sulfur Dioksida a. Sifat fisik Pencemaran oleh sulfur oksida terutama disebabkan oleh dua komponen sulfur bentuk gas yang tidak berwarna, yaitu sulfur dioksida (SO2) dan Sulfur trioksida (SO3), dan keduanya disebut sulfur oksida (SOx). Sulfur dioksida mempunyai karakteristik bau yang tajam dan tidak mudah terbakar di udara, sedangkan sulfur trioksida merupakan komponen yang tidak reaktif.

2 b. Sumber dan Distribusi Masalah yang ditimbulkan oleh bahan pencemar yang dibuat oleh manusia adalah dalam hal distribusinya yang tidak merata sehingga terkonsentrasi pada daerah tertentu. Sedangkan pencemaran yang berasal dari sumber alam biasanya lebih tersebar merata. Tetapi pembakaran bahan bakar di industri pada dasarnya merupakan sumber pencemaran SOx, misalnya bahan bakar bakar batu bara. c. Dampak dan Pencegahan Pencemaran SOx menimbulkan dampak terhadap manusia dan hewan, kerusakan pada tanaman terjadi pada kadar sebesar,5 ppm. Pengaruh utama polutan SOx terhadap manusia adalah iritasi sistim pernafasan. Untuk menekan emisi gas SOx digunakan unit FGD (Flue Gas Desulfurizazi). B. Carbon Monoksida a. Sifat Fisik Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Senyawa CO mempunyai potensi bersifat racun yang berbahaya karena mampu membentuk ikatan yang kuat dengan pigmen darah b. Sumber dan Distribusi Sumber CO buatan antara lain kendaraan bermotor, terutama yang menggunakan bahan bakar bensin, sedangkan dari sumber tidak bergerak seperti pembakaran batubara, minyak dari industri dan pembakaran sampah domestik.

3 c. Dampak dan Pencegahan Dampak dari CO bervasiasi tergantung dari status kesehatan seseorang, pengaruh CO kadar tinggi adalah terhadap sistem syaraf pusat. Untuk menekan emisi CO digunakan unit Scrubber pada cerobong asap. C. Nitrogen Dioksida a. Sifat fisik Oksida Nitrogen (NOx) adalah kelompok gas nitrogen yang terdapat di atmosfir yang terdiri dari nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO2). Nitrogen monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. b. Sumber dan Distribusi Sumber pencemaran NOx yang terbesar adalah dari aktifitas manusia di perkotaan dan kegiatan industri. c. Dampak dan Pencegahan Dampak NOx berbahaya bagi mahkluk hidup sekitar dan bersifat racun terutama terhadap paru. Untuk menekan emisi NOx digunakan unit Low NOx Combustion. D. Partikel Debu a. Sifat Fisik Pada dasarnya sisa pembakaran dari gas buang boiler yang bersifat debu dibedakan menjadi dua jenis, yaitu :

4 Bottom Ash (abu dasar), bersifat mengendap pada ruang pembakaran dan proses pembuangannya hanya menggunakan conveyor. Fly Ash (abu terbang). Partikulat debu melayang (fly ash) merupakan campuran yang sangat rumit dari berbagai senyawa organik dan anorganik yang tersebar di udara dengan diameter yang sangat kecil, mulai dari < 1 mikron sampai dengan maksimal 5 mikron. Partikulat debu tersebut akan berada di udara dalam waktu yang relatif lama dalam keadaan melayang-layang di udara dan masuk kedalam tubuh manusia melalui saluran pernafasan. Fly ash pada umumnya mengandung berbagai senyawa kimia yang berbeda, dengan berbagai ukuran dan bentuk yang berbeda pula, tergantung dari mana sumber emisinya. b. Sumber dan Distribusi Partikulat debu melayang dihasilkan dari pembakaran batu bara yang tidak sempurna sehingga terbentuk aerosol kompleks dari butir-butiran tar. Dibandingkan dengan pembakaraan batu bara, pembakaran minyak dan gas pada umunya menghasilkan abu terbang lebih sedikit. c. Dampak dan Pencegahan Pengaruh partikulat debu bentuk padat maupun cair yang berada di udara sangat tergantung kepada ukurannya. Ukuran partikulat debu yang membahayakan kesehatan umumnya berkisar antara,1 mikron sampai dengan 1 mikron. Adanya ceceran logam beracun yang terdapat dalam partikulat debu di udara merupakan bahaya yang terbesar bagi kesehatan. Batas baku mutu emisi

5 debu yang ditetapkan pemerintah untuk PLTU berbahan bakar batubara sebesar 15 mg/m³. Untuk menekan emisi debu digunakan Electrostatic Precipitator (ESP). II.2. Metode Pembersihan Gas Buang Boiler Adapun metode pembersihan gas buang boiler yang digunakan dalam industri adalah: II.2.1. Sistem Mekanis Kering II Siklon (Cyclone) Prinsip kerja sistem siklon pada gambar 2.1 berawal dari gas yang masuk dengan bantuan ID fan. Gas akan mengikuti bentuk alur dari sirip-sirip siklon yang mengakibatkan gas yang masuk akan mengalami pergerakan siklon menuju ke arah bawah. Partikel-partikel debu akan terkumpul di tengah-tengah vortex (pusaran) dan jatuh ke bawah, sedangkan gasnya akan terpantul dan bergerak ke atas membentuk pusaran baru yang letaknya berada di dalam pusaran yang mengarah ke bawah saat penutup dust outlet dalam keadaan tertutup. Sehingga untuk pusaran yang mengarah ke bawah disebut inner vortex, sedangkan untuk pusaran yang mengarah ke bawah disebut outer vortex.

6 Gambar 2.1 : Sistem Siklon (cyclone) Dengan menggunakan sistem siklon ini efisiensi yang didapat sekitar 8 %, sedangkan ukuran partikel terkecil yang diperoleh > 1 μc. Namun pada kenyataannya separator jenis ini sangat tergantung dengan kondisi tekanan dan temperatur gas buang itu sendiri. Padahal tekanan dan temperature pada kondisi riil hampir setiap saat mengalami perubahan walaupun tidak terlalu signifikan. Aplikasi sistem cyclone pada industri terdapat pada industri peleburan timah, PB (Particle board), pabrik pengolahan kayu maupun industri yang menggunakan bahan bakar dari serbuk kayu. II Multi Siklon (Multi Cyclone) Sistem ini merupakan penyempurnaan dari sistem siklon. Pada sistem ini terdapat beberapa siklon yang terpasang di dalamnya yang berbentuk seri dan bertingkat. Gas asap masuk dengan arah tangensial ke dalam ruang utama penampungan pertama siklon, sehingga butiran-butiran debu yang kasar terpisah dari gas asap.

7 Butiran-butiran debu yang halus dan sedang berat jenisnya akan terpisah dari gas asap pada siklon-siklon kecil tingkat kedua, sedangkan butiran debu yang halus serta ringan masih dapat lolos dari proses pemisahan debu multi siklon ini Dengan metode multi siklon pada gambar 2.2 efisiensi yang didapat < 95 %, sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang diperoleh > 5 μc. Gambar 2.2 : Sistem Multi Cyclone II.2.2. Sistem Mekanis Basah II Sistem Hujan Buatan (Scrubber) Metode sistem hujan buatan pada gambar 2.3 menggunakan media air sebagai penyaring limbah debu, air yang digunakan mengandung zat kimia aktif tertentu. Gas asap dialirkan melalui tirai hujan buatan, sehingga butiran-butiran debu yang dijatuhi butiran air hujan buatan akan terpisah dari gas asapnya. Metode ini masih kurang efektif, karena hanya butiran-butiran debu yang kebetulan tepat mengenai butiran air hujan buatan yang dapat dipisahkan dari gas asapnya, sedangkan butiran-butiran debu yang tidak mengenai butiran air akan

8 terbuang ke udara lepas. Efisiensi yang didapat dari penggunaan sistem ini <9 %, sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang diperoleh > 5 μc. Aplikasi penggunaan metode ini pada industri digunakan pada industri yang menggunakan bahan bakar dengan kandungan NOx yang tinggi, seperti pabrik semen dan industri pupuk. Kekurangan dalam penggunaan metode ini adalah dihasilkanya limbah cair dari proses hujan buatan yang bercampur dengan partikel debu. Gambar 2.3 : Sistem Hujan Buatan (Scrubber) II Sistem Elektroventuri Prinsip kerja elektroventuri pada gambar 2.4 berdasarkan tarik-menarik antara molekul yang tidak sejenis atau gaya adhesi antara molekul-molekul yang berlainan jenis. Partikel debu diberi muatan negatif dan dikumpulkan pada air yang bermuatan positif.

9 Pada dasarnya metode ini hampir sama dengan sistem precipitator, bedanya metode ini beroperasi pada lingkungan yang basah. Efisiensi yang didapat dari penggunaan sistem ini < 99 %, sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang diperoleh >,5 μc. Aplikasi metode ini pada industri terdapat pada industri semen, bubur kertas (pulp and paper). Kekurangan pada metode ini ialah menggunakan daerah yang luas dalam penempatanya. Gambar 2.4 : Sistem Elektroventuri II.2.3. Sistem Elektrostatik Sistem elektrostatik pada dasarnya melewatkan gas buang boiler pada kamar yang berisi plat-plat elektroda, yang terbuat dari tembaga, kuningan ataupun arang. Elektroda yang terpasang pada konstruksi precipitator diberi arus listrik searah (DC) dengan muatan positif dan negatif. Antara batang-batang elektroda yang bermuatan negatif dan plat-plat pengumpul debu yang bermuatan positif dialirkan arus dengan tegangan 7-9 KV. Butiran-butiran debu yang melewati

10 batang-batang elektroda akan terinduksi oleh muatan negatif. Butiran-butiran debu yang bermuatan negatif akan tertarik oleh plat-plat elektroda positif. Adanya getaran (rapping) yang menyentuh plat-plat pengumpul mengakibatkan debu akan jatuh ke tempat penampungan (dust hopper), dengan demikian debu akan terpisah dari gas asap di dalam precipitator tersebut. Dengan cara mengalirkan arus listrik statis untuk mengendapkan debu sangat efektif dan polusi udara sangat sedikit pengaruhnya. Efisiensi yang didapat dari metode ini > 99 %, sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang diperoleh < 2 μc. Aplikasi metode ini pada industri terdapat pada pabrik semen, pulp and paper, power plant. Faktor yang mempengaruhi dalam pemilihan metode pembersihan gas buang boiler pada dunia industri, adalah : a. Efisiensi yang didapat dalam menyaring partikel debu. b. Ukuran Partikel debu terkecil yang didapat. c. Bahan bakar yang digunakan pada ruang pembakaran. d. Kapasitas bahan bakar pada ruang pembakaran. e. Biaya pembangunan dan pemeliharaan. tabel 2.1. Parameter teknologi penyaringan partikel debu secara lengkap terdapat pada

11 Tabel 2.1 : Parameter Teknologi Penyaringan Partikel Debu II.3. Teori Dasar Listrik Statik Listrik statik merupakan proses elektrifikasi terhadap suatu benda sehingga benda tersebut mempunyai muatan potensial listrik electrostatic. Pada dasarnya daya listrik menurut prinsipnya dibagi atas beberapa bagian, yaitu: a. Sumber daya gesekan yang menimbulkannya, disebut Electrostatic. b. Sumber daya magnet yang menimbulkannya, disebut Electromagnetis. c. Sumber daya proses kimia yang menimbulkannya, disebut Electrochemical. d. Sumber daya proses panas yang menimbulkannya, disebut Electrothermic.

12 II.3.1. Muatan Listrik Muatan merupakan suatu sifat dasar dan ciri khas dari partikel dasar yang menyusun zat. Sebenarnya, semua zat tersusun dari proton, neutron dan electron. Dari tinjauan makro, muatan zat sebenarnya merupakan muatan bersih atau muatan lebih. Benda yang bermuatan lebih artinya kelebihan elektron (negatif) atau kelebihan proton (positif). Muatan biasanya dinyatakan dengan lambang q. II.3.2. Penghantar dan Isolator Pada listrik statik, sifat bahan dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu : penghantar listrik dan isolator (dielektrik). Penghantar adalah sifat bahan yang mengandung pembawa muatan bebas dalam jumlah besar, misalnya logam. Dielektrik adalah sifat bahan yang semua partikel bermuatan di dalamnya terikat kuat pada molekul penyusunanya. Kedudukan partikel bermuatan dapat bergeser sedikit akibat adanya suatu medan listrik. Dielektrik yang sebenarnya mempunyai daya hantar yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan daya hantar pada penghantar yang baik. II.3.3. Hukum Coulumb Gaya F pada hukum Coulumb menyatakan besar gaya listrik yang diberikan masing-masing benda bermuatan kepada yang lainnya. Jika kedua benda muatannya sejenis, maka gaya pada masing-masing ber arah menjauhi muatan (tolak-menolak). Sebaliknya jika kedua benda muatanya tidak sejenis, maka gaya pada masing-masing benda mempunyai arah menuju benda yang lain (tarikmenarik).

13 F 1 q1q2 =...( N) 2 (1) 4πε r Dimana : ε = Konstanta permitifitas ε = 8,85x C Nm 2 r = Jarak antara muatan q1 dan q2 II.3.4. Medan Listrik Medan listrik menimbulkan gaya pada setiap partikel yang bermuatan, partikel positif didorong ke arah medan, sedangkan muatan negatif ke arah sebaliknya. Medan listrik akan dihasilkan oleh satu atau lebih muatan listrik, serta dapat disamakan atau dibedakan arah magnetisasinya dari satu tempat ke tempat lainnya. Gambar 2.5 menunjukan dua medan listrik sederhana yang telah dipetakan dengan bantuan garis gaya. (a) (b) Gambar 2.5 : Pemetaan Medan listrik Dengan Bantuan Garis gaya (a). Muatan tidak sejenis (b). Muatan sejenis

14 Besar kuat medan listrik pada Electrostatic Precipitator (ESP) : Kuat Medan pada daerah discharge sebelum ada partikel E 6,31 = 3x1 m ( V / ) (2) s R1 s m Dimana, : s = Densitas Udara Relatif = 2,95 T P 1untuk kawat yang halus dan bersih m = {,6 untuk nilai yang dipakai bila tidak ada data yang tepat R1 P T = Jari-jari kawat = Tekanan (kpa) = Temperatur ( K) Kuat Medan listrik pada daerah discharge setelah ada partikel E = 8IR2 µ iwε 1 2 (3) Dimana, : w = Jarak antar kawat (m) ε = Permetifitas udara ( 8,85x 1 12 ) C²/Nm² μi = Mobilitas gas ion (m²/meter-detik) = v E v = Harga rata-rata kecepatan partikel (m/s)

15 II.3.5. Perbedaan Potensial Tegangan Kritis Korona Merupakan tegangan kritis yang dibutuhkan untuk membangkitkan korona. R2 V = ER1n...( kv ) (4) R Dimana, : R = Jari-jari korona ( R 1 +,2 R1 ) R 2 = Jarak kawat-plat (m) 1 Tegangan Aplikasi Merupakan tegangan pada ESP sehingga dapat beroperasi. V 2 R R1 V + E...( kv ) R = (5) II.3.6. Arus Listrik Arus mengalir pada ESP merupakan arus drift, yaitu arus yang mengalir disebabkan oleh berjalannya patikel bermuatan karna adanya medan listrik. Kuat Arus V I = 2µ i ( V V ) 2 R (6) 2 R2 1n R 1 μi = Mobilitas gas ion (m²/meter-detik) = v E v = Harga rata-rata kecepatan partikel (m/s) E = Kuat medan listrik (V/m)

16 II.4. Sistem Pembangkitan Plasma Korona (Corona Discharge) Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikel-partikel yang terdapat dalam gas tersebut. Keuntungan dari kondisi plasma adalah pemanfaatannya dalam bidang industri seperti pelapisan logam dan semikonduktor, penerangan, proses pemotongan logam, sterilisasi, sistem keamanan, hingga pelestarian lingkungan. Salah satu cara pembangkitan plasma dapat dilakukan melalui lucutan listrik. Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan pijar korona. Plasma lucutan pijar korona dibangkitkan pada ruang antar elektroda kawat-silinder yang berisi udara bebas. Analisa pembentukan plasma dilakukan melalui karakteristik tegangan-arus (V-I) guna memperoleh daerah optimal pembangkitan plasma, yang ditunjukan pada gambar 2.6. Gambar 2.6: Diagram V-I Pembangkitan Plasma Lucutan Korona Aliran listrik pada sebuah sirkuit dapat dianalogikan seperti aliran fluida pada pipa. Korona merupakan proses pembangkitan arus di dalam fluida netral diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut,

17 sehingga membentuk plasma disekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda lainnya, yang ditunjukan pada gambar 2.7. Ketika medan listrik dikenakan pada gas, elektron akan mentransferkan energinya pada gas molekul melalui proses tumbukan, eksitasi molekul, tangkapan elektron, disosiasi, dan ionisasi. Lucutan korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding elektroda lainnya. Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut elektroda aktif. Gambar 2.7: Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar elektroda Mengalirnya arus listrik menunjukkan akan adanya ionisasi yang mengakibatkan terbentuknya ion serta elektron pada udara diantara dua elektroda. Semakin besar tegangan listrik yang diberikan pada elektroda, semakin banyak jumlah ion dan elektron yang terbentuk.