BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 A II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 PRINSIP METODE PENGAPUNGAN ATANG Pada dasarnya prinsip Metode Pengapungan atang pada pengukuran distribusi ukuran gelembung sama dengan pada pengukuran distribusi ukuran partikel padatan (particle size), dimana prinsip ini sama dengan yang dipakai pada metode manometrik dan metode Oden alance [8]. Pada pengukuran distribusi ukuran gelembung sampel yang digunakan cair-cair, sedang pada penentuan particle size digunakan cair-padat. Secara grafik, kurva massa terhadap waktu pengendapan pada Metode Pengapungan atang ini analog dengan kurva pressure drop terhadap superficial velocity pada fluidisasi [9;10;11]. Gambar 2.1 adalah plot pressure drop P terhadap superficial velocity u, yang menggambarkan perhitungan distribusi ukuran gelembung secara grafik pada fluidisasi. Gambar 2.1 Grafik penentuan distribusi ukuran droplet pada fluidisasi 4

2 Jika superficial velocity u adalah u 3, maka : ( ρp ρ) M 0g D( d P P = [ ][ ] + u 0Y ρ A 100 du ( ρ P [ ρ) M ρ A P P 0 g D( ][ ] 0X, (2.1) dengan M 0, A, dan D( adalah total massa gelembung, cross-sectional area dari unggun, dan persentasi massa kumulatif dari gelembung x. Gambar 2.2 mengillustrasikan skematik diagram dari pengendapan gelembung. Volume batang dalam suspensi adalah d P u XY du V = Ah, dengan A adalah luas permukaan dari batang pemberat dan h adalah panjang batang yang dicelupkan pada suspensi. Densitas dari pelarut (cairan) dilambangkan dengan ρ L, sedangkan densitas gelembung dilambangkan dengan ρ P. Konsentrasi mula-mula padatan dalam suspensi adalah Co (kg-padatan/m 3 -suspensi) [12; 13]. Gambar 2.2 Skematik diagram pengendapan droplet Gambar 2.2 (a) menunjukkan bahwa massa batang mula-mula yang mengapung pada kondisi awal tergantung pada gelembung yang berada antara bagian atas batang dan bagian bawah batang dalam suspensi. Pada waktu pengendapan t = 0, densitas mula-mula dari suspensi (ρ S0 ) adalah:..... (2.2) Karena massa batang mula-mula yang mengapung W 0 tergantung pada gelembung pada suspensi dari permukaan sampai kedalaman h, W 0 dapat 5

3 didefenisikan sebagai berikut :. (2.3) Pada kondisi mula-mula, massa batang dalam suspensi adalah ( ρ ρs0 ).. (2.4) dimana, ρ adalah densitas dari batang. Gambar 2.2 (b) menunjukkan konsentrasi suspensi (C) semakin menurun dari waktu ke waktu, karena gelembung yang besar sudah mengendap. Densitas suspensi ρst, massa pengapungan batang W t, dan massa nyata dari batang G t di dalam suspensi pada t = t diberikan sesuai dengan persamaan berikut. ρ St t ( ρp ρl ) C = ρl (2.5) ρ St P W = V. ρ. (2.6) G t t St ( ρ ρ ) = V. ρ W = V. ρ V. ρ = V.. (2.7) Gambar 2.2 (c), pada t = ~, konsentrasi suspensi adalah 0, karena semua gelembung, baik besar maupun kecil sudah mengendap. Densitas suspensi ρ S, massa pengapungan batang St W, dan massa nyata dari batang G di dalam suspensi pada t = ~ diberikan sesuai dengan persamaan berikut. ρ S = ρ L. (2.8) W = V. ρ G W = V G 0 0 ρ S0 = V ρ W = V 0 L (2.9) ( ρ ρ ) = V. ρ W = V L.... (2.10) Persamaan 2.11 menunjukkan neraca massa gelembung dalam suspensi [14]. C 0 C = C x Dari persamaan (2.3), (2.6), (2.9) dan (2.11), diperoleh: W 0 W = max f dx + C 0 xi xi ( 0 x min v( t h xmax ( W0 W ) f ( dx + ( W x 0 i f ( dx W (2.11) (2.12) dimana v( adalah kecepatan pengendapan, f( adalah frekuensi massa gelembung berukuran x. Diferensial persamaan 2.12 terhadap waktu t, maka akan diperoleh : dw dt = ( W0 W ) x i xmin v( h f ( dx ) xi xmin v( t h f ( dx.. (2.13) 6

4 Dari persamaan 2.12 dan 2.13, dwt Wt = WRt + t (2.14) dt dimana W adalah massa gelembung yang lebih besar dari gelembung berukuran x, W0 ( W0 Rt W ) x x i max f ( dx. Kombinasi persamaan 2.7 dan 2.14 akan menghasilkan : dgt dgt Gt = V. ρ WRt + t = GRt + t dt dt..... (2.15) dg dw Dimana, GRt = V. ρ WRt, and t t =, karena penurunan massa batang sesuai dt dt dengan penurunan massa pengapungan batang. Nilai G Rt dihitung dari slope persamaan Hubungan kumulatif massa oversize, R( dan kumulatif massa undersize, D( adalah, xmax GRt G0 R( = f ( dx= = 1 D(... (2.16) x i G G 0 Ukuran gelembung x diekspresikan dengan menggunakan persamaan Stokes dan juga persamaan Allen : Persamaan Stokes : 18µ Lv( x = g ( ρ ρ ).... (2.17) dimana g adalah percepatan gravitasi dan µ L adalah viskositas larutan. Persamaan Stokes hanya berlaku untuk partikel yang berada pada aliran laminar dengan ilangan Reynold, Rep < 0,2 [18] Persamaan Allen : P L x= 1 φ vx225 4 µ L ρ L 1 3 ρ L -ρ P 2 g 2... (2.18) dimana φ adalah Wadell s shape factor, g adalah percepatan gravitasi µ L adalah viskositas larutan, ρ L adalah densitas pelarut (kerosin) dan ρ p adalah densitas gelembung. Nilai dari densitas gelembung diasumsikan sama dengan densitas air, karena air merupakan fase terdispersi yang akan membentuk gelembung. entuk dari gelembung air diasumsikan memiliki bentuk spherical, sehingga nilai Wadell s shape 7

5 factor untuk gelembung kerosin adalah 1 [19]. Pada persamaan Allen hanya berlaku untuk partikel yang berada pada aliran transisi dengan bilangan Reynold 0,2< Re p < 500 [20]. ilangan Reynold dari gelembung dihitung menggunakan persamaan berikut : Re p v x d x ρ p μ p...(2.19) dimana v merupakan kecepatan pengapungan yang dihitung dengan persamaan 2.20, ρ p densitas gelembung air, µ p adalah viskositas gelembung air. Kecepatan pengendapan v( gelembung dihitung sesuai dengan persamaan v ( = h t.... (2.20) dimana h adalah panjang batang yang terapung di dalam cairan dan t adalah waktu pengendapan. Ukuran gelembung x yang dihasilkan pada persamaan 2.17 merupakan diameter Stokes dan ukuran gelembung x yang dihasilkan pada persamaan 2.18 merupakan diameter Allen. Hal ini membuktikan bahwa teori pada Metode Pengapungan atang ini mirip dengan metode sedimentation balance [8]. Gambar 2.3 Grafik penentuan DSD dengan metode pengapungan batang 8

6 Gambar 2.3 mengillustrasikan metode perhitungan DSD yang mengendap dengan menggunakan Metode Pengapungan atang. Gambar kanan atas menunjukkan perubahan massa batang sebagai fungsi waktu, sementara gambar kanan bawah menunjukkan hubungan waktu dengan kebalikan ukuran gelembung. Dari persamaan 2.17 dan 2.19, waktu sebanding dengan kuadrat kebalikan dari ukuran gelembung. Jadi dalam metode ini, ukuran gelembung x dapat dihitung pada setiap waktu t, sementara G Rt secara simultan dapat dihitung dari slope, sesuai dengan persamaan Kumulatif massa undersize, D( dapat dihitung dengan persamaan Pada gambar kiri atas, DSD diperoleh dari perhitungan ukuran gelembung x dan D( [12;15]. Persamaan di atas digunakan dalam penentuan ukuran gelembung pada pemisahan cair-cair (air dalam minyak), serta menentukan waktu yang menyatakan telah terpisahnya kedua cairan secara sempurna yang ditandai ketika massa batang dalam suspensi sudah konstan [17;16]. 2.2 PENELITIAN YANG SUDAH PERNAH DILAKUKAN Penelitian dengan menggunakan metode Metode Pengapungan atang telah dilakukan untuk partikel-partikel mengapung dan partikel mengendap dan Penelitian untuk pengukuran DSD juga telah dilakukan. Penelitian penelitian yang pernah dilakukan tersebut adalah sebagai berikut. Obata, dkk pertama sekali menemukan metode ini dengan mengukur distribusi ukuran partikel yang mengendap dalam Stokes region. Sampel yang mereka teliti adalah silica sand, calcium carbonate dan barium-titanate glass yang diukur dengan menggunakan fase cair air [1]. Motoi, dkk kemudian mengaplikasikan metode ini untuk menentukan distribusi ukuran partikel yang mengapung. Sampel yang mereka teliti adalah Glassbubbles, paraffin particle dan Fuji nylon beads. Fase cair yang dipakai adalah air [13]. Tambun, dkk mengembangkan penelitian ini dengan melakukan pengukuran distribusi ukuran partikel yang mengapung dalam Allen region. Sampel yang dipakai adalah polystyrene beads (spherical) dan nylon beads (cylindrical). Cairan yang dipakai adalah natrium klorida [19]. Opedal, dkk melakukan penelitian penentuan DSD dengan menggunakan 9

7 Low Field NMR pada emulsi air dalam minyak dengan menggunakan sampel crude oil. Hasil pengukuran DSD dengan metode ini memiliki korelasi yang sama dengan menggunakan optical microscope [2] oxall, dkk melakukan penelitian penentuan DSD dari emulsi air dalam minyak dengan menggunakan Particle Video Microscope dan Focused eam Reflectance Method pada sampel crude oil. Hasil penelitian ini adalah bahwa DSD yang terukur pada konsentrasi fase terdispersi % [21] Jurado, dkk melakukan penelitian pengukuran DSD dengan menggunakan metode laser diffraction yang dilengkapi dengan Coulter LS-230 analyzer pada sampel triolein, trybutyrin dan air [22] Pada penelitian sebelumnya, metode pengapungan batang ini sudah pernah diaplikasikan untuk mengkaji pemisahan dua jenis cairan dan penentuan DSD, namun masih perlu pengembangan ataupun penelitian lebih lanjut karena masih minimnya hasil yang diperoleh. Metode WM ini diharapkan mampu mengukur DSD air dalam kerosin serta waktu pemisahan yang terbaik dari kedua cairan tersebut. 2.3 METODE METODE PENGUKURAN DISTRIUSI UKURAN GELEMUNG (DSD) Laser Diffraction Metode ini awalnya digunakan hanya untuk mengukur distribusi ukuran partikel namun, pemanfaatan metode ini untuk pengukuran DSD telah diwujudkan bertahun-tahun yang lalu. Metode ini kemudian menjadi metode yang paling umum digunakan untuk mengukur DSD dari emulsi karena dapat mengukur DSD dari ukuran 0,1 µm sampai 1000 µm. Prinsip dari metode ini, yaitu sinar monokromatik ditembakkan melalui suatu emulsi dan pola difraksi yang dihasilkan diukur menggunakan serangkaian detektor yang peka terhadap cahaya. Untuk mengakuratkan metode ini dalam pengukuran DSD ada dua hal yang sangat penting, yaitu (1) desain sistem optik yang digunakan untuk mengukur pola difraksi yang dihasilkan dari transmisi sinar laser melalui cuvette dan (2) kecanggihan model matematika yang digunakan untuk mengkonversi pola difraksi yang diukur dalam DSD. Jumlah, posisi dan kualitas detektor pada alat ini yang digunakan untuk 10

8 mengukur ketergantungan sudut sinar laser menentukan keakurasian pola difraksi yang dapat diukur. Semakin besar jumlah detektor, semakin luas area dari sudut yang terukur dan semakin besar sensivitas detektor maka semakin akurat pola difraksi yang dapat diukur [23]. Gambar 2.4 Penggunaan Metode Light Scattering untuk Mengukur DSD Electrical Pulse Counting (Coulter Counter) Metode ini sering juga disebut dengan electrozone sensing. Pada metode ini emulsi yang akan dianalisis diencerkan dalam larutan elektrolit lemah yang ditempatkan pada suatu gelas kimia dengan dua elektroda dicelupkan ke dalamnya. Salah satu elektroda tersebut memiliki suatu celah kecil dimana emulsi digambarkan. Prinsip dari metode ini, yaitu ketika suatu oil droplet melewati celah pada eletroda menyebabkan penurunan arus antara elektroda, karena minyak memiliki konduktivitas listrik yang jauh lebih rendah daripada air. Setiap kali oil droplet melewati celah, instrumen mencatat penurunan arus pada elektroda yang dikonversi menjadi suatu denyut (pulse) listrik. Alat ini mengontrol volume cairan yang melewati celah. Oleh karena itu, konsentrasi droplet dapat ditentukan dengan menghitung jumlah denyut (pulse) listrik dalam suatu emulsi. Metode ini dapat mengukur DSD yang berukuran 0,4 µm sampai 1200 µm [23]. Gambar 2.5 Metode Coulter Counter 11

9 2.3.3 Microscopy Pada metode ini DSD ditentukan dengan cara mengamati sampel emulsi melalui microscope dan secara visual menentukan ukuran dari gelembung. Sering kali foto diperbesar untuk penentuan visual. Teknik ini memiliki keuntungan untuk dapat membedakan antara droplet oil dan partikel non-minyak. Alat ini juga dapat membantu untuk melihat langsung apakah ada faktor bentuk yang ekstrim. Namun, teknik ini umumtnya menggunakan volume sampel yang sangat kecil dan karena itu mungkin tidak mewakili dari seluruh sampel [24]. Namun, kelemahan metode ini adalah tidak terdeteksinya suatu gelembung yang memiliki ukuran kurang dari 0,5 µm. Hal ini terjadi karena lemahnya resolusi dan kecerahan (kontras) pada metode ini. Dan jika suatu gelembung memiliki brownian effect, maka alat ini tidak bisa mendeteksi gelembung yang memiliki ukuran kurang dari 1µm [25] Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Metode ini telah digunakan untuk mengukur DSD dari suatu emulsi, dimana DSD yang terdeteksi berukuran 0,2 µm sampai 100 µm. Prinsip dari metode ini sangat rumit, dan telah dijelaskan pada beberapa literatur. Pada dasarnya sampel yang akan dianalisa ditempatkan pada static magnetic field gradient dan serangkaian radio frequency pulses ditempatkan pada daerah itu. Pulse tersebut akan menyebabkan beberapa inti hidrogen dalam sampel memiliki energi yang lebih tinggi sehingga dapat terdeteksi oleh NMR [23]. Pada saat melakukan pengukuran DSD, tidak perlu melakukan pretreatmen pada sampel yang akan dianalisa dan sampel tersebut tidak akan rusak, sehingga memungkinkan untuk kembali melakukan pengukuran untuk sampel yang sama [26]. Gambar 2.6 Nuclear Magnetic Resonance 12

10 2.4 EMULSI CAIR CAIR Emulsi adalah suatu sistem yang terdiri dari dua fasa cairan yang tidak saling tercampur. Dua fasa cairan ini terdiri dari liquid droplet (fasa terdispersi) yang terdispersi pada suatu media cair (fase kontinu). Ada beberapa jenis emulsi yaitu emulsi minyak dalam air (W/O), emulsi air dalam minyak (W/O) dan emulsi minyak dalam minyak (O/O). Untuk dapat mendispersikan dua cairan yang tidak saling bercampur diperlukan komponen ketiga, yaitu emulsifier. Penggunaan emulsifier tidak hanya untuk membantu pembentukan emulsi tetapi juga untuk menstabilkan emulsi tersebut untuk waktu yang lama [27]. Proses pengubahan dua cairan yang tidak saling melarut menjadi suatu emulsi disebut homogenisasi dan alat yang digunakan untuk melakukan fungsi di atas disebut dengan homogenizer [23]. Tipe emulsi di atas dipengaruhi oleh beberapa variabel, seperti perbandingan jumlah air dan minyak, konsentrasi elektolit, temperatur [28], ukuran rata-rata dari gelembung, visksositas dari tiap fasa dan konsentrasi dari emulsifier yang akan digunakan [29]. eberapa proses yang berkaitan dengan pemecahan emulsi, yaitu : (1) Droplet size distrbution antara fasa terdispersi dan fasa kontinu. (2) Kelarutan dari fasa terdispersi dan distribusi ukuran partikel, yang kemudian akan menyebabkan Ostwald ripening (disproporsional). (3) Stabilitas dari liquid film antara droplet, yang kemudian menyebabkan peleburan emulsi dan (4) Fase inversi. Fenomena fisik yang terlibat dalam setiap proses pemecahan pada emulsi di atas tidak sederhana, dan memerlukan analisis dari setiap fenomena yang terlibat. Selain itu, proses pemecahan di atas lebih sering terjadi secara bersamaan dibandingkan secara berurutan, yang kemudian akan mempersulit analisis [27]. 13