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 (DSD) sama dengan pada pengukuran distribusi ukuran partikel padatan (particle size), dimana prinsip ini sama dengan yang dipakai pada metode manometrik dan metode Oden alance [9]. Pada pengukuran DSD, sampel yang digunakan cair-cair, sedang pada penentuan particle size sampel yang digunakan cair-padat. Secara grafik, kurva massa terhadap waktu pengendapan pada Metode Pengapungan atangini analog dengan kurva pressure drop terhadap superficial velocity pada fluidisasi [10;11;12]. 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 gelembung 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 P. (2.1) ( ρ P [ ρ) M ρ A P 0 g D( ][ ] 0X, 100 d P u du XY dengan M 0, A, dan D( adalah total massa gelembung, cross-sectional area dari unggun, dan persentasi massa kumulatif dari partikel x. Gambar 2.2 mengillustrasikan skematik diagram dari pengapungan gelembung. Volume batang dalam suspensi adalah 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 gelembung dalam suspensi adalah Co (kg-padatan/m 3 -suspensi) [17;14]. V = Gambar 2.2 Skematik diagram pengapungan gelembung Gambar 2.2 (a) menunjukkan bahwa massa batang mula-mula yang mengapung pada kondisi awal tergantung pada gelembung yang berada antara bagian atas batang 5

3 dan bagian bawah batang dalam suspensi. Pada waktu pengapungan t = 0, densitas mula-mula dari suspensi (ρ S0 ) adalah: ρ S0 C0 = ρ L + ρ.... (2.2) Karena massa batang mula-mula yang mengapung W 0 tergantung pada gelembung pada suspensi dari permukaan sampai kedalaman h, W 0 dapat didefinisikan sebagai berikut : W = V 0 ρ S0 P ( ρ ρ ) P L (2.3) Pada kondisi mula-mula, massa batang dalam suspensi adalah G 0 = V ρ W = V 0 ( 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 mengapung. 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 mengapung. 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 L.(2.9) ( ρ ρ ) = V. ρ W = V L....(2.10) 6

4 Persamaan 2.11 menunjukkan neraca massa gelembung dalam suspensi [16]. C 0 C = C 0 x max f dx + C x i ( 0 x x i min v( t h f ( dx......(2.11) Dari persamaan (2.3), (2.6), (2.9) dan (2.11), diperoleh: W 0 W = xmax ( W0 W ) f ( dx + ( W x 0 i W ) xi xmin v( t h f ( dx... (2.12) dimana v( adalah kecepatan pengendapan, f( adalah frekuensi massa gelembung berukuran x. Diferensial persamaan 2.12 terhadap waktu t, maka akan diperoleh : Dari persamaan 2.12 dan 2.13,.. (2.13) W t = W Rt + dw t t... (2.14) dt dimana W adalah massa gelembung yang lebih besar dari gelembung berukuran x, Rt x max W 0 - W 0 -W fxdx x i Kombinasi persamaan 2.7 dan 2.14 akan menghasilkan : G t dw dt = W ( 0 W ) x i x min v( h f ( dx dg t dg t = V. ρ W Rt + t = G Rt + t... (2.15) dt dt Dimana, G = V ρ W, dan Rt. Rt d dt G t dwt =, karena penurunan massa batang dt sesuai dengan penurunan massa pengapungan batang. Nilai G Rt dihitung dari slope persamaan Hubungan kumulatif massa oversize, R( dan kumulatif massa ovesize, D( adalah, xmax G Rt G 0 R( = f ( dx = = 1 D(... x i G G (2.16) 0 Ukuran gelembung x diekspresikan dengan menggunakan persamaan Stokes dan juga persamaan Allen: 7

5 Persamaan Stokes : 18µ Lv( x = g ( ρ ρ ) P L (2.17) Dimana g adalah percepatan gravitasi dan µ L adalah viskositas larutan. Persamaan stokes berlaku hanya untuk jenis aliran laminar dengan ilangan Reynold, Rep < 0,2 [30]. Persamaan Allen : x= 1 φ vx225 4 µ L ρ L ρ L -ρ P 2 g (2.18) dimana φ adalah Wadell s shape factor, g adalah percepatan gravitasi, µ L adalah viskositas larutan, ρ L adalah densitas pelarut (aquadest) dan ρ p adalah densitas gelembung. Nilai dari densitas gelembung diasumsikan sama dengan densitas kerosin, karena kerosin merupakan fase terdispersi yang akan membentuk gelembung. entuk dari gelembung kerosin diasumsikan memiliki bentuk spherical, sehingga nilai Wadell s shape factor untuk gelembung kerosin adalah 1 [18]. Pada persamaan Allen hanya berlaku untuk jenis aliran transisi dengan bilangan Reynold 0,2 < Re p < 500 [31]. ilangan Reynold dari gelembung dihitung menggunakan persamaan berikut : =... (2.19) dimana v merupakan kecepatan pengapungan yang dihitung dengan persamaan 2.20, ρ p densitas gelembung kerosin, µ p adalah viskositas gelembung kerosin dan d adalah ukuran gelembung. Kecepatan pengapungan v( gelembung dihitung sesuai dengan persamaan berikut, vx = h t... (2.20) dimana h adalah panjang batang yang terapung di dalam cairan dan t adalah waktu pengendapan. 8

6 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 [9]. Gambar 2.3 mengillustrasikan metode perhitungan distribusi ukuran gelembung yang mengapung dengan menggunakan Metode Pengapungan atang. Gambar kanan bawah menunjukkan perubahan massa batang sebagai fungsi waktu, sementara gambar kanan atas menunjukkan hubungan waktu dengan kebalikan ukuran gelembung. Dari persamaan 2.17 dan 2.18, waktu sebanding dengan kuadrat kebalikan dari ukuran gelembung. Jadi dalam metode ini, ukuran gelembung dapat dihitung pada setiap waktu t, sementara G Rt secara simultan dapat dihitung dari slope, sesuai dengan persamaan Kumulatif massa oversize, R( dapat dihitung dengan persamaan Pada gambar kiri atas, distribusi ukuran gelembung diperoleh dari perhitungan ukuran gelembung x dan R( [10;12;14]. Gambar 2.3 Grafik penentuan distribusi gelembung dengan WM 9

7 Persamaan di atas dipakai dalam penentuan ukuran gelembung pada pemisahan cair-cair (minyak dan air) serta menentukan waktu yang menyatakan telah terpisahnya kedua cairan secara sempurna yang ditandai ketika massa batang dalam suspensi sudah konstan. 3.2 PENELITAN YANG PERNAH DILAKUKAN Penelitian dengan menggunakan Metode Pengapungan atang telah dilakukan untuk partikel-partikel mengapung dan partikel mengendap. Penelitian-penelitian yang pernah dilakukan menggunakan Metode Pengapungan atang 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 bariumtitanate glass yang diukur dengan menggunakan fase cair air [17]. Motoi, dkk kemudian mengaplikasikan metode ini untuk menentukan distribusi ukuran partikel yang mengapung. Sampel yang mereka teliti adalah Glass bubbles, paraffin particle dan Fuji nylon beads. Fase cair yang dipakai adalah air [14]. Ohira, dkk meneliti tentang pengaruh konsentrasi partikel dalam menentukan distribusi ukuran partikel. Sampel yang mereka teliti adalah butiran tanah dari daerah Kanto (Jepang). Fase cair yang digunakan adalah sodium pyrophosphate [19]. 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 [18]. Tambun, dkk meneliti pengaruh ukuran batang, bentuk batang, ukuran tangki, bentuk tangki dan posisi batang dalam tangki untuk menentukan distribusi ukuran partikel yang mengapung. Sampel yang digunakan adalah hollow glass beads. Fase cair yang digunakan adalah air [15]. Arteaga, dkk meneliti estimasi distribusi dari droplet size, interfacial area dan volum pada emulsi minyak dalam air. Sampel yang digunakan adalah 10

8 triolein dan tributirin. Pengukuran DSD dengan menggunakan metode laser diffraction [2]. 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 minyak dalam air serta waktu pemisahan yang terbaik dari kedua cairan tersebut. 2.3 METODE-METODE PENGUKURAN DISTRIUSI UKURAN GELEMUNG (DSD) Microscopy Dalam teknik ini, DSD ditentukan dengan mengamati sampel dengan menggunakan mikroskop dan mengukur gelembung secara visual. Untuk penentuan secara visual sering dilakukan dengan cara memperbesar foto yang didapat. Teknik ini memiliki keuntungan untuk dapat membedakan antara gelembung dari minyak ataupun yang bukan minyak. Mikroskop juga membantu dalam melihat bentuk yang berbeda pada sampel [20]. Gambar 2.4 Pengukuran DSD dengan Mikroskop Coulter Counter Coulter counter terdiri dari dua elektroda yang direndam dalam beaker yang berisi air yang mengandung ion terlarut untuk memudahkan dalam menghantarkan arus listrik. Elektroda negatif terletak di dalam glass tube yang tertutup kecuali pada lubang kecil atau lubang pada sisi tube. Elektroda positif diletakkan dalam beaker yang berisi air. Arus listrik dialirkan dari 11

9 elektroda positif ke elektroda negative melalui lubang pada tube. Pulse yang dihasilkan dari partikel yang melalui lubang tersebut diukur dan dihitung secara otomatis/elektronik yang menghasilkan distribusi ukuran partikel [20]. 2.5 Metode Coulter Counter 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 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 [29]. 12

10 Gambar 2.6 Penggunaan Metode Light Scattering untuk Mengukur DSD Nuclear Magnetic Resonance (NMR) NMR merupakan teknik instrumental yang memanfaatkan interaksi antara gelombang radio dan dan inti atom hidrogen untuk memperoleh sifat dari bahan yang diuji. Teknik NMR sudah dikembangkan untuk mengukur distribusi ukuran gelembung dari emulsi dengan ukuran 0,2 dan 100 mikron. Pada dasarnya, sampel yang akan dianalisa ditempatkan dalam static magnetic field gradient dan radio frequency pulses untuk pengaplikasiannya. Pulse akan menyebabkan inti hidrogen pada sampel bergerak hingga mengalami peningkatan energi yang akan menuju ke pendeteksi sinyal NMR. Amplitudo pada sinyal bergantung pada perpindahan inti pada sampel [20]. Pulsed Field gradient (PFG) NMR memiliki keunggulan dibanding metode lainnya yaitu dapat mengukur pada emulsi yang berkonsentrasi dan emulsi yang tidak jernih [27]. 2.4 EMULSI CAIR-CAIR Emulsi terdiri dari 2 fasa cair yang tidak menyatu yaitu antara fasa terdispersi dan fasa kontinu. Fasa yang berperan dalam pembentukan gelembung adalah fasa terdispersi dan fasa kontinu merupakan fasa yang membentuk matriks dimana gelembung tersuspensi [21]. Ada dua jenis tipe emulsi yaitu Air dalam Minyak (A/M) dimana minyak sebagai fasa kontinu yang mengandung gelembung air dan Minyak dalam Air (M/A) dimana gelembung dari minyak terdispersi dalam air [22]. 13

11 Sifat dari emulsi dan penggunaannya pada industri tidak hanya disebabkan oleh variabel seperti suhu ataupun komposisi, tetapi DSD [23]. Pada tangki berpengaduk laju perpindahan massa antara sistem fasa cair-cair tidak hanya bergantung pada dinamika gerak dari dua cairan yang bercampur, tetapi lebih kepada DSD dari gelembung. DSD dapat terbentuk dari pemecahan gelembung ataupun penggabungan gelembung. Pemecahan gelembung terjadi pada aliran turbulent. Penggabungan gelembung tergantung pada frekuensi tumbukan dan effisiensi penggabungan antar gelembung. Semakin besar fraksi fasa terdispersi, maka akan semakin besar tumbukan terjadi [24]. Oil droplet size distribution merupakan salah satu parameter yang mempengaruhi pemilihan pengolahan air. Minyak dalam air dikenal sebagai reverse emulsion. Apabila emulsi bersifat tidak stabil, maka gelembung minyak akan bergabung ketika antar gelembungnya berdekatan dan membentuk gelembung yang lebih besar, sehingga memecah emulsi. Emulsi yang stabil adalah suspensi dari dua cairan bercampur dengan adanya stabilizer dan agen pengemulsi untuk mempertahankan fasa antar permukaan [25]. Sifat dari emulsi bergantung dari fasa terdispersi dan volume dari fasa kontinu dan fasa terdispersi. Karakteristik dari fasa kontinu berhubungan dengan viskositas dan adanya emulsifier pada permukaan jenis minyak dalam air. Meningkatkan viskositas fasa kontinu maka akan meningkatkan kestabilan dari emulsi. Semakin besar ukuran gelembung dan semakin sedikit volume fasa kontinu, akan membuat emulsi kurang stabil. Jenis dan jumlah emulsifier mempengaruhi ukuran dan distribusi gelembung minyak [26]. Ukuran gelembung yang kecil yang dihasilkan oleh homogenisasi dapat meningkatkan fasa terdispersi. Sebagai akibatnya viskositas semakin meningkat dan penyerapan emulsifier dapat meningkat. Ketidakcukupan emulsifier dalam menyelubungi permukaan gelembung akan menyebabkan coalescence. Pengemulsian juga membutuhkan waktu homogenisasi yang tepat. Intensitas dan lama proses pencampuran tergantung waktu yang diperlukan untuk melarutkan dan mendistribusikannya secara merata [20]. Kerusakan atau destabilisasi emulsi terjadi melalui tiga mekanisme utama yaitu creaming, flocculation dan coalescence. Creaming merupakan proses pemisahan 14

12 yang terjadi akibat terjadi karena gerakan-gerakan ke atas/ke bawah, hal ini terjadi karena gaya gravitasi terhadap fase-fase yang berbeda densitasnya. Flocculation merupakan agregasi dari gelembung. Pada flocculation tidak terjadi pemusatan film antar permukaan sehingga jumlah dan ukuran globula tetap, terjadinya flocculation akan mempercepat terjadinya creaming. Coalescence adalah penggabungan gelembung menjadi gelembung yang lebih besar. Pada tahap ini terjadi pemusatan film antar permukaan sehingga ukuran gelembung berubah [20]. 15