BAB II TINJAUAN PUSTAKA Gas Nitrogen oksida sebagai Zat Pencemar

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Gas Nitrogen oksida sebagai Zat Pencemar Pencemaran udara diartikan sebagai adanya bahan-bahan atau zat-zat asing di dalam udara yang menyebabkan perubahan susunan (komposisi) udara dari keadaan normalnya. Kehadiran bahan atau zat asing di dalam udara dalam jumlah tertentu serta berada di udara dalam waktu yang cukup lama, akan dapat mengganggu kehidupan manusia. Bila keadaan seperti itu terjadi maka udara dikatakan telah tercemar. Oksida nitrogen (NOx), yang terdiri dari nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO 2 ), dihasilkan dari sumber alamiah, kendaraan bermotor dan proses pembakaran bahan bakar. NO dihasilkan ketika pembakaran bahan bakar pada temperature tinggi, di dalam gas buangan. Nitrogen monooksida (NO) dihasilkan dari buangan proses pembakaran dari transportasi dan akan segera teroksidasi di atmosfer membentuk NO 2 (Parra,2005 ). Gas NOx juga dihasilkan secara alami di udara, reaksi temal gas nitrogen di udara yang membentuk ikatan antara molekul N dan O dibantu oleh kilat dan halilintar pada temperatur 1200 C-1765 C membentuk reaksi N 2 (g) + O 2 (g) 2NO (g) 2NO (g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) Komposisi dan konsentrasi gas NOx di udara bervariasi, tergantung pada tempat, waktu dan kondisi cuaca di lingkungan. Sebagai contoh jumlah NO 2 pada daerah perkotaan cenderung meningkat, karena banyaknya sumber pembakaran yang mengahasilkan gas NOx 4

2 Masalah utama yang diakibatkan dari pencemaran gas NOx diantaranya adalah hujan asam dan kabut fotokimia. Hujan asam terjadi karena bereaksinya gas NO dengan oksigen dan uap air di atmosfer sehingga menghasilkan asam nitrit, mengakibatkan air hujan yang turun akan memiliki ph yang rendah dengan reaksi 4 NO (g) + O 2 (g) + 2 H 2 O (l) 4 HNO 2 (aq) Hujan asam dapat menyebabkan kerusakan pada benda-benda yang terbuat dari logam, kendaraan, bangunan-bangunan bersejarah, jaringan luar pada tumbuh-tumbuhan, dan biota laut. Kabut fotokimia terjadi karena adanya interaksi gas NOx dengan hidrokarbon hasil emisi yang dibantu sinar ultraviolet. Kabut fotokimia berbahaya bagi manusia karena dapat menyebabkan iritasi pada mata, kulit, dan paru-paru. Selain itu kabut fotokimia juga dapat menyebabkan kerusakan pada tumbuhan. Terdapat 2 jenis pencemar yaitu sebagai berikut : a. Zat pencemar primer, yaitu zat kimia yang langsung mengkontaminasi udara dalam konsentrasi yang membahayakan. Zat tersebut bersal dari komponen udara alamiah seperti karbon dioksida, yang meningkat diatas konsentrasi normal, atau sesuatu yang tidak biasanya, ditemukan dalam udara, misalnya timbal. b. Zat pencemar sekunder, yaitu zat kimia berbahaya yang terbentuk di atmosfer melalui reaksi kimia antar komponen-komponen udara. Polutan udara primer yaitu polutan yang mencakup 90% dari jumlah polutan udara seluruhnya dapat dibedakan menjadi lima kelompok sebagai berikut: 1. Karbon monooksida (CO) 2. Nitrogen oksida (NOx) 3. Hidrokarbon (HC) 4. Sulfur dioksida (SOx) 5. Partikel 5

3 Toksisitas kelima kelompok polutan tersebut berbeda-beda, dan tabel berikut menyajikan toksisitas relatif masing-masing kelompok polutan tersebut. Ternyata polutan yang paling berbahaya bagi kesehatan adalah partikel-partikel, diikuti berturut-turut dengan NOx, SOx, hidrokarbon, dan CO. Tabel 2.1 Toksitas relative polutan udara POLUTION LEVEL TOLERANSI TOKSISITAS Ppm g / m 3 RELATIF CO HC SOx 0, NOx Partikel Sumber : Manahan, Gas Nitrogen dioksida (NO 2 ) Gas Nitrogen dioksida dengan rumus molekul NO 2 merupakan gas berwarna coklat kemerahan berbau tajam menyengat dan sangat beracun. Memiliki Massa Rumus 46,0055, massa jenis 0,0034 gr/ml, Volume Molar 22,393 liter. Nitrogen dioksida biasanya terbentuk melalui oksidasi oleh oksigen di udara: 2 NO + O 2 2 NO 2 Di laboratorium, NO 2 dapat dibuat dengan cara dekomposisi termal dari pentoksida dinitrogen, yang diperoleh melalui dehidrasi asam nitrat: 2 HNO 3 N 2 O 5 + H 2 O 2 N 2 O 5 4 NO 2 + O 2 Dekomposisi termal logam beberapa nitrat juga mampu menghasilkan gas NO 2: 2 Pb(NO 3 ) 2 2 PbO + 4 NO 2 + O 2 Reduksi asam nitrat oleh logam (seperti tembaga). 4 HNO 3 + Cu Cu(NO 3 ) NO 2 +2 H 2 O 6

4 Sumber utama NO 2 pada atmosfer adalah dari kendaraan di jalan lalu lintas.. Sumber utama lainnya adalah dari pembangkit tenaga listrik, pabrik pemanas, dan proses industri. Oksida Nitrogen (NOx) adalah kelompok gas nitrogen yang terdapat di atmosfir yang terdiri dari nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO 2 ). Walaupun ada bentuk oksida nitrogen lainnya, tetapi kedua gas tersebut yang paling banyak diketahui sebagai bahan pencemar udara. Nitrogen monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. Nitrogen monoksida terdapat diudara dalam jumlah lebih besar daripada NO 2. Pembentukan NO dan NO 2 merupakan reaksi antara nitrogen dan oksigen diudara sehingga membentuk NO, yang bereaksi lebih lanjut dengan lebih banyak oksigen membentuk NO 2. Untuk menentukan konsentrasi gas NOx di udara telah di lakukan dengan menggunakan peralatan spektroskopi analitik yang bekerja berdasarkan serapan inframerah, spektroskopi resonansi ion, kromatografi gas spektroskopi massa. Spektroskopi analitik yang bekerja berdasarkan serapan inframerah peralatan tersebut sangat mahal, tidak dapat digunakan langsung dilapangan, dan diperlukan waktu yang lama untuk mengetahui konsentrasi gas NOx (Miura et al., 1994). Spektroskopi resonansi ion telah digunakan namun tidak akurat dalam analisis kuantitatif, kromatografi gas spektroskopi massa juga digunakan untuk mendeteksi gas NOx di udara namun han ya dapat digunakan pada temperatur yang rendah (Szabo et al., 2003). Metode lain yang dapat digunakan untuk mendeteksi NOx di udara adalah dengan metode elektro analisis dengan mengembangkan sensor semikonduktor yang merupakan alternatif metode yang efektif dan efisien. 2.3 Dampak Terhadap Kesehatan Oksida nitrogen seperti NO dan NO 2 berbahaya bagi manusia. Penelitian menunjukkan bahwa NO 2 empat kali lebih beracun daripada NO. Diudara ambient yang normal, NO dapat mengalami oksidasi menjadi NO 2 yang bersifat racun. 7

5 Penelitian terhadap hewan kadar NO 2 yang lebih tinggi dari 100 ppm dapat mematikan sebagian besar binatang percobaan dan 90% dari kematian tersebut disebabkan oleh gejala pembengkakan paru ( edema pulmonari ). Kadar NO 2 sebesar 800 ppm akan mengakibatkan 100% kematian pada binatang-binatang yang diuji dalam waktu 29 menit atau kurang. Pemajanan NO 2 dengan kadar 5 ppm selama 10 menit terhadap manusia mengakibatkan kesulitan dalam bernafas. 2.4 Sensor Kimia Sensor secara umum didefinisikan sebagai alat yang mampu mengubah fenomena kimia atau fisika, menjadi sinyal listrik yang berkaitan dengan konsentrasinya. Sensor kimia terutama digunakan untuk mengukur konsentrasi senyawa khusus dalam lingkungan gas dan cair, dimana sensor secara khusus merubah informasi kimia ke dalam sinyal listrik. Ada peningkatan permintaan untuk melakukan pengukuran analitik terhadap zat tertentu dengan cepat, halus dan dalam beberapa kasus dilakukan secara terus menerus. Karena sifat-sifat fisika dari gas dan cairan itu berhubungan erat dengan konsentrasi senyawa kimia, sensor untuk penentuan sifat fisika, seperti viskositas dan kerapatan terus mengalami peningkatan. Sensor kimia diajukan untuk berbagai kondisi lingkungan terutama dalam pengolahan makanan atau sistem pembuangan dimana konsentrasi berbagai senyawa dinyatakan pada sensor. Masalah penting dalam sensor kimia adalah mendapatkan beberapa tingkat selektivitas yang ideal dan tertinggi. Rata-rata selektivitas ideal, respon terhadap senyawa spesifik dan juga respon nol terhadap senyawa lain Beberapa tipe sensor Kimia. Sensor Kimia elektrolit padat yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia, merupakan prinsip sensor yang paling tua yang telah berkembang. Pengembangan yang cukup pesat tentang membran sensor dari elektrolit padat telah terjadi sejak tahun 1930 an. Sensor elektrolit padat 8

6 adalah sensor yang menggunakan lempengan sel elektrolit yang disekat dengan dua elektroda dan biasanya ditambahkan dengan pengatur temperatur. Pengembangan berikutnya juga terus terjadi pada sensor jenis ini yang pada dekade belakangan dikenal dengan sebuat NASICON sensor. Dengan usianya yang relatif lebih tua dibandingkan dengam motode sensor lainnya, elektrolit padat merupakan sensor kimia yang paling banyak diproduksi dalam dunia sensor komersial dibandingkan dengan jenis sensor lainnya. Sensor Kimia Optik, Metode sensor ini adalah dengan berdasarkan pada teknologi optik dimana penyerapan suatu gas atau cairan kimia tertentu pada suatu bahan akan mengakibatkan perubahan pada fenomena optik seperti daya pantul ataupun daya absorpsi suatu cahaya. Meskipun metode ini juga menjanjikan sistem sensor yang akurat, pengembangan yang relatif lebih sulit disamping instrumen yang lebih mahal membuat sensor optik pada kenyataannya tidak terlalu banyak dilirik oleh para peneliti. Sensor kimia model sensitif berat. Sensor tipe ini bekerja dengan berdasarkan bahan sensor yang mampu menghasilkan gelombang akustik sehingga saat suatu zat kimia melewatinya bahan ini mampu mengkonfersi informasi kimia dari zat tersebut menjadi informasi fisik yaitu dalam bentuk berat (meskipun sangat kecil perubahannya. Sensor Kimia Semikonduktor adalah sensor yang berdasarkan metal oksida. Teknologi yang memanfaatkan keunggulan sifat semikonduktor suatu bahan merupakan teknologi yang cukup menjanjikan bagi masa depan mengingat harganya yang murah, bentuknya yang lebih kecil, serta lebih tahan lama. Tidak mengherankan jika dunia sensor masa depan diprediksikan akan didominasi oleh jenis sensor tipe metal oksida ini. Penelitian tentang pengembangan sensor yang ada saat ini pun banyak dialakukan seputar semikonduktor sensor ini. Teknologi semikonduktor memiliki peran yang 9

7 siginifikan dalam teknologi sensor mengingat kemampuan konduktifitas dari semikonduktor yang dapat berubah ubah. Sensor jenis semikonduktor ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1953 setelah seorang peneliti Amerika yaitu John Bardeen dan Walter H Brattain menemukan perubahan konduktifitas suatu bahan semikonduktor setelah terjadi penyerapan gas kimia pada bahan semikonduktor tersebut. Pada perkembangan berikutnya dari sensor semikonduktor ini, sentuhan teknologi yang pada kenyataannya mampu menghasilkan bahan semikonduktor yang lebih baik membuat daya tarik lebih besar bagi para peneliti sensor semikonduktor Sifat sensor kimia Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor mengenali zat yang dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi zat meskipun jumlah zat tersebut sangat sedikit dibandingkan gas disekelilingnya. Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi gas atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan senitifitas mengingat gas atau cairan yang dideteksi tentunya akan bercampur dengan zat lain yang ada disekelilingnya. Waktu respon dan waktu recovery, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor untuk mengenali zat yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu recoveri maka semakin baik sensor tersebut. Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten memberikan besar sensitifitas yang sama untuk suatu gas, serta seberapa lama sensor tersebut dapat terus digunakan. Keempat sifat sensor ini merupakan sifat yang senantiasa diidentifikasi oleh para peneliti untuk mendapatkan sensor yang berkualitas baik. 10

8 2.4.3 Dasar Teoritis Sensor Kimia Struktur Kristal dari semikonduktor seperti SnO 2 mengandung elektron berlebihan dan saat sensor kontak dengan di udara, oksigen diserap secara kimia pada permukaan dengan reaksi berikut : O 2 + 2e Berikut gambar pelat sensor gas : 2O - ad Elek. Au Gas Elek. Au SnO 2 SiO 2 RuO 2 Elek. Au Elek. Au Gambar 2.1 Pelat Tipis sensor Reaksi dipermukaan dengan oksigen, gas oksigen menyerap elektron dari dari SnO 2 memiliki kelebihan elektron. Reaksi ini mengarah pada konduktivitas listrik yang diukur sebagai resistensi listrik yang tinggi. Setelah kontak dengan gas, maka reaksi permukaan diperlihatkan dalam persamaan : Gas + O - ad GasO + e Dalam hal ini, gas menyerap oksigen secara kimia dan teroksidasi. Gas teroksidasi dapat bertindak sebagai zat pereduksi yang dirasakan dengan tipe sensor melalui reaksi diatas mengarah pada oksidasi dan reduksi yang melibatkan transfer elektron. Reaksi Gas + O - ad GasO + e, apabila konsentrasi gas meningkat maka O - ad yang diadsorbsi semakin banyak. Elektron yang lepas dari permukaan 11

9 lapisan SnO 2 meningkat mengakibatkan peningkatan konduktivitas listrik pada lapisan SnO 2 dan pengurangan resistensi listrik. Dalam hal ini, gas dapat dianggap sebagai donor elektron. Karena jumlah elektron yang dimiliki setiap gas tidak sama maka pembacaan sensor kimia secara spesifik untuk setiap gas yang akan disensing dengan konsentrasi tertentu Sensor gas semikonduktor Sensor gas semikondutor adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakaan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon, Germanium dan Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk padat (solid state), bukannya bentuk hampa (vacuum state) atau bentuk gas (gaseous state). Elemen sensing yang digunakan adalah material Tin oksida (SnO 2 ). Sensor ini mempunyai keunggulan harganya murah, bentuknya kecil, mudah dipindahkan (portable), menggunakan arus listrik yang rendah dan memiliki sensitifitas tinggi Cara Kerja Sensor Gas Semi konduktor Bahan detector semi konduktor adalah metal oksida, khususnya SnO 2. Didalam sensor arus listrik mengalir melewati daerah sambungan dari Kristal SnO 2. Ketika sensor kontak dengan udara oksigen dari udara diserap pada permukaan dengan menangkap electron, dengan persamaan: O 2 + 2e 2O - ads Penyerapan oksigen menghalangi muatan untuk bergerak bebas yang dihitung sebagai resistensi listrik yang tinggi. Gambar berikut menunjukkan model penghalang potensial antar butir Kristal mikro SnO 2 pada keadaan tanpa adanya gas yang terdeteksi. 12

10 Keterangan: evs = nilai energi penghalang permukaan Jika sensor kontak dengan gas yang disensing maka gas tersebut akan bereaksi dengan oksigen yang terserap pada permukaan. Sehingga gas dapat dioksidasi dan bertindak sebagai zat pereduksi dengan persamaan reaksi: G + O - ads GO des + e Reaksi ini menghasilkan electron yang merupakan peningkatan konduktivitas listrik lapisan SnO 2, yaitu pengurangan resistansi listrik yang sebanding dengan konsentrasi gas. Dalam hal ini gas dianggap sebagai donor electron.makin tinggi konsentrasi gas maka resistensi sensor akan semakin turun. Gambar 2.2 : gambar ketika sensor mendeteksi adanya gas 13

11 Hubungan antar tahanan sensor dan konsentrasi gas pereduksi pada suatu rentang konsentrasi gas dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: Rs = A [C] -α, dengan : Rs = tahanan listrik sensor A = konstanta [C] = konsentrasi gas α = gradient dari kurva Rs 2.6 Sensor Gas TGS 2201 Sensor ini adalah sebuah sensor kimia atau sensor gas yang mempunyai nilai resistansi (Rs) yang akan berubah bila terkena emisi gas di udara. Sensor gas TGS 2201 memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap gas CO, NO, NO 2, H 2 dan senyawa hidrokarbon. Jika sensor tersebut mendeteksi keberadaan salah satu komponen gas diudara, misalnya gas NO 2 dengan tingkat konsentrasi tertentu maka resistansi elektrik sensor tersebut akan bertambah. Sehingga tegangan yang dihasilkan oleh output sensor akan semakin rendah. Selain itu, sensor juga mempunyai sebuah pemanas (heater) yang digunakan untuk membersihkan ruangan sensor dari kontaminasi udara luar, agar sensor dapat bekerja kembali secara efektif. Secara umum bentuk dari sensor gas jenis TGS dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut : 14

12 Gambar 2.3. Ilustrasi gambar komponen sensor TGS Untuk mengukur karakteristik sensitivitas dari suatu gas, semua data diuji pada kondisi standar. Sumbu Y axis menunjukkan rasio resistansi sensor (R s /R 0 ), dengan ketentuan : * R s = sensor perlawanan dari gas dengan berbagai konsentrasi * R 0 = resistansi sensor dalam udara bersih Berikut ini dapat dilihat karakteristik sensitivitas sensor terhadap gas NO 2 15

13 Gambar2.4. Karakteristik Sensitifitas sensor Pengukuran Dasar Sirkuit Sensor memerlukan dua imput tegangan yaitu tegangan pemanas (V H ) dan tegangan sirkuit (V C ) tegangan pemanas (V H ) diletakkan ke pemanas yang terintegrasi untuk menjaga elemen sensing pada suhu tertentu yang optimal untuk sensing atau penginderaan. Tegangan sirkuit diaplikasikan untuk mengukur tegangan keluaran VRL1 dan VRL2 yang masing masing disilangkan dengan RL1 dengan RL2. Masing masing beban resistor dihubungkan secara seri dengan komponen komponen yang berhubungan dengan sensing. Umumnya sirkuit listrik dapat digunakan untuk kedua tegangan sirkuit dan tegangan pemanas guna pemenuhan kebutuhan listrik sensor. Beban nilai resistor untuk mengoptimalkan nilai ambang alarm, untuk menjaga dissipasi daya dari semi 16

14 konduktor dibawah 15 mw. Dissipasi daya tertinggi Ps ketika nilai dari RS adalah untuk RL pada penyerapan gas nilai daya dissipasi (Ps) dapat dihitung dengan rumus. Ps = ( Vc VRL) RS 2. Tahanan sensor dapat dihitung dengan rumus berikut : Gambar sirkuit seonsornya dapat dilihat dibawah ini Gambar 2.5 Sirkuit Sensor 2.7 Gastech Analizer Eurotron 6000 Gastech Analizer Eurotron 6000 merupakan sensor elektrokimia yang bekerja berdasarkan reaksi antar komponen sensor dengan analit yang berupa gas dan menghasilkan signal elektrik yang setara dengan konsentrasi analit. Sensor Gastech Analizer Eurotron 6000 dapat menentukan konsentrasi gas NO 2, O 2, CO 2, NO dan SO 2. Sensor ini mempunyai kelebihan mudah dioperasikan dan merespon dengan cepat dapat menentukan konsentrasi gas dalam kurun waktu 50 detik, dan mempunyai monitor display menunjukkan angka konsentrasi gas yang diukur. 17

15 Akurasi sensor menetukan konsentrasi gas NO 2 dengan rentang 0 sampai dengan 1000 ppm. Gambar 2.6 Sensor Gastec Analizer Eurotron Mikrokontroler AT Mega Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus. Alat ini dihubungkan ke rangkaian sensor untuk mengambil data yang akan dikirim ke komputer. (htpp://mikrokontroler.tripod.com/6805 bab 1.html). Mikrokonroler adalah versi mini atau mikro dari sebuah komputer karena mengandung beberapa peripheral yang langsung dimanfaatkan. Misalnya port paralel, port serial, komparator, konversi digital ke analog (DAC), konversi analog ke digital dan sebagainya. Secara teknis mikrokontroler ada 2 jenis yaitu : Mikrokontroler berbasis RISC (Reduced Instruction Set Computer). Mikrokontroler berbasis CISC (Compleks Instruction Set Computer). Untuk penelitian ini digunakan mikrokontroler jenis AT Mega-8535 yang berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz. Dengan ukuran memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM sebesar 512 byte. Dilengkapi dengan fitur ADC internal dengan resolusi 8 bit sebanyak 8 channel, port komunitas serial 18

16 USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps. Mikrokotroler AT Mega-8535 memiliki mode sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik. Gambar mikrokontroler ATMega 8535 dapat dilihat di bawah ini : Gambar 2.7. Alat Mikrokontoler ATMega