BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Analisa Tingkat Asam Dan Basa Secara Kimia Simbol ph melambangkan keasaman atau alkali dari solution. Simbol ph merupakan sebuah ukuran dari semua kunci bahan larutan asam dan dasar konsentrasi ion hidrogen. Pengukuran ph dalam suatu industri sangat penting peranannya, termasuk dalam pembuatan bubur kayu yang akan diproses menjadi pulp (bubur kertas), adapun manfaat dari pengukuran ph tersebut antara lain : 1. Menghasilkan operasi yang tepat dalam memantau pengaruh SO2 di menara pendingin dan cairan panas dalam sistem akumulator. 2. Mencegah korosi (pengkaratan) pada peralatan dengan mempertahankan ph pada kondisi netral, seperti mempertahankan ph ClO2 di menara pemutih pada posisi netral. 3. Mencegah seluruh reaksi kimia yang berada pada kondisi ph optimum yang rendah, seperti pada menara D1 Dan D2 yang merupakan tempat pemutih bubur kayu. 4. Membantu operator dalam mencegah kondisi ph dibawah batas yang diinginkan, sehingga didapatkan proses operasi yang lebih hemat. 5. Membantu dalam pengaturan kondisi basa atau kondisi asam dalam proses operasi produksi. 6. Mengendalikan ph dari senyawa kimia yang akan dibuang ke sungai.
Dari manfaat pengukuran ph tesebut dapat diketahui dari Gambar 2.1, skala ph yang menunjukkan keasaman atau kebasaan dari cairan-cairan yang biasa kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Basa Tinggi 13 Netral Asam Tinggi 11 Household ammonia ( 10% ) 10 Milk of Magnesia 9 Sea Water 8 7 Pure water 6 5 Milk 4 Beer 3 vinegar (4%) 2 Limon Juice 1 0 5 % Sulfuric acid Gambar 2.1 Skala ph keasaman atau kebasaan dari cairan-cairan yang biasa dijumpai 2.1.1 Prinsip Umum Asam Dan Basa Hubungan antara ph dan konsentrasi ion H (Hidrogen) dinyatakan sebagai berikut: - Log 10 [H] = ph...(2.1) Dimana [H] = molalitas dari ion hidrogen. Dengan memperhatikan air bersih, hasil dari kebanyakan OH - dan H + dari air adalah 1. 10-14 dan jumlah H + dan OH - adalah sama. sebab itu [H + ] = [OH - ] = 10-7, atau ph air adalah 7. Jadi, ph adalah netral. Untuk pengukuran ph suatu baterai terdiri dari satu batang elektroda dan tanda elektroda yang digunakan.
Pada tahun 1909, Sorenson mengusulkan bahwa keadaan ph diambil dari konsentrasi ion hidrogen untuk menggambarkan tingkat keasaman. Ia mendefinisikan ph sebagai negatif logaritma dari konsentrasi ion hidrogen atau sebagai logaritma yang berbanding terbalik dari konsentrasi ion hidrogen. (ph =log 1 ( H ) )...(2.2) Jika konsentrasi ion hidrogen = 1/10 x, maka ph menjadi 7. Ion Hidrogen Nilai ph Gram/liter 1.0 0 Asam 0.1 1 0.01 2 0.001 3 0.0001 4 0.00001 5 0.000001 6 0.0000001 7 0.00000001 8 0.000000001 9 0.0000000001 10 0.00000000001 11 0.000000000001 12 0.0000000000001 13 0.00000000000001 14 Basa Skal Nilai ph VS Tabel konsentrasi ion Hidrogen
2.2 Kekuatan Asam Dan Basa Menurut teori Arrhenius, suatu zat dikatakan asam bila zat tersebut dalam air dapat menghasilkan ion H +, banyak sedikitnya ion H + dalam larutan asam menentukan besar kecilnya derajat keasaman larutan tersebut. Asam-asam kuat seperti HCI, H 2 SO 4 atau HNO 3 dalam air akan terionisasi sempurna. Sedangkan asam lemah seperti CH 3 COOH, H 3 PO 4 dan HCN dalam air hanya sedikit yang terionisasi. Oleh karena itu ion H + dalam larutan asam lemah kecil. Ukuran kekuatan asam dinyatakan dengan ketetapan asam yang dinyatakan dengan notasi Ka yang merupakan hasil bagi dari kebanyakan konsentrasi ion-ion H + dan sisa asam dengan konsentrasi asam yang tidak terionisasi. Menurut penelitian yang akurat, diketahui bahwa air (H 2 O) ternyata memiliki sedikit sifat elektrolit. Dengan kata lain air dapat juga terionisasi menghasilkan ion H + dan ion OH -, dengan harga α yang sangat kecil sekali, yaitu, 1.32 x 10-8. H 2 O H + + OH -...(2.2) Perhitungan yang sangat cermat menunjukkan bahwa dalam 1 liter air murni terdapat ion H dan ion OH masing-masing sebanyak 0.0000001 mol atau 10-7. [H + ] = [OH - ] = 10-7 mol...(2.3) Hasil kali [H] dan [OH] dalam air selalu konstan, dan disebut tetapan air (Kw) Kw = [H + ] [OH - ] = 10-14.(2.4) Mengacu pada teori Arrhenius, dalam air asam akan terionisasi menjadi ion H + dan ion sisa asam. Misalkan : larutan H 2 SO 4 dalam air bersifat asam,
karena dalam larutan terjadi pelepasan ion H + menurut reaksi: H 2 SO 4 2 H + + SO 4 (2.5) Sedangkan suatu zat dikatakan basa apabila zat dalam air dapat melepaskan ion hidroksi (OH - ). Misalkan : larutan Ca(OH) 2 dalam air bersifat basa, karena dalam larutan terjadi pelepasan OH - menurut reaksi: Ca(OH) 2 Ca 2 + 2OH - (2.6) Setelah masing-masing konsentrasi dipangkatkan dengan koefisiennya pada persamaan reaksi yang bersangkutan, maka pada reaksi ioniasi asam dan basa pun merupakan reaksi kesetimbangan (jika α =1), maka dapat ditentukan harga tetapan kesetimbangannya. Untuk reaksi kesetimbangannya ionisasi asam dinyatakan dengan Ka dan untuk basa dinyatakan dengan Kb. Asam kuat ialah asam yang dalam air mengalami ionisasi sempurna (α =1). Sehingga dalam larutan asam kuat tidak lagi terdapat molekul-molekul asamnya, melainkan hanya ion-ion H + dan ion-ion sisa asam saja yang ada. Maka pada asam kuat, harga Ka-nya sangat besar. Basa kuat ialah basa yang dalam air mengalami ionisasi sempurna (α =1). Dalam larutan basa kuat tidak terdapat molekul-molekul basanya, melainkan hanya ion-ion logam dan ion-ion hidroksil saja yang ada. Maka harga Kb basa kuat sangat besar. Asam lemah ialah asam yang dalam air mengalami ionisasi sebagai (α = kecil). Asam lemah mempunyai harga Ka yang kecil. Makin kecil harga α asam lemah, makin kecil bila harga Ka-nya. Karena harga α untuk asam lemah sangat kecil maka, 1 α dianggap = 1, jadi: α = Ka / a...(2.7)
Basa lemah ialah basa yang dalam air mengalami ionisasi sebagian (α = kecil). Basa lemah mempunyai harga Kb yang kecil. Makin kecil harga α dari basa lemah, maka makin kecil pula harga Kb-nya. Harga α untuk basa lemah sangat kecil, maka 1 α dianggap = 1. sehingga persamaan menjadi: Kb = b α 2 atau α 2 = Kb, jadi α 2 = Kb / b...(2.8) 1 b Dimana : Ka : Reaksi kesetimbangan ionisasi asam Kb : Reaksi kesetimbangan ionisasi basa. α : Reaksi kesetimbangan. 2.3 Penentuan ph Secara Eksperimen Dalam berbagai keadaan menentukan ph larutan secara eksperimen sangat penting untuk dilakukan, hal ini sesuai dengan tingkat ketelitian yang dibutuhkan, Berikut instrument-instrumen yang digunakan dalam penentuan ph secara eksperimen, Diantaranya adalah : 2.3.1 Pemakaian Indikator dan Kertas Uji Indikator Indikator adalah suatu larutan yang warnanya berbeda-beda sesuai dengan konsentrasi ion hidrogen, indikator asam atau basa yang tidak berdisosiasi mempunyai warna yanh berbeda dengan hasil disosiasinya, dalam hal ini indikatornya adalah suatu asam, dimana menurut kesetimbangan : Hind H + Ind...(2.9) Jika indikator tersebut ditambahkan suatu larutan asam yang mengandung ion-ion hidrogen dalam jumlah besar, maka kesetimbangannya akan bergeser ke arah kiri, dimana warna asam indikator yang tidak terdisosiasi menjadi kelihatan. Apabila
larutan tersebut menjadi basa, yaitu dengan menghilangkan ion-ion hidrogennya, maka kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukan anion indikator dan warna larutan tersebut akan ikut berubah, perubahan warna terjadi dalam daerah ph yang sempit. Pada percobaan sepotong kertas saring yang berbentuk pita yang kecil, atau dengan lempengan uji ber cat (spot tes), kita teteskan setetes indikator, lalu ditambahkan dengan setetes larutan uji, dan selanjutnya kita amati perubahan warnanya. Warna biru timol menunjukkan warna kuning, sedangkan jingga metil berwarna merah, dengan demikian dapat di ukur ph larutannya adalah 2.8 dan 3.1. Beberapa indikator dapat dicampurkan secara bersamaan untuk memperoleh indikator universal, dan dengan indikator ini ph larutan dapat ditentukan dengan uji tunggal, Indikator universal menunjukkan warna yang berbeda sesuai dengan larutan dan hasil pengukurannya. Komposisi campuran indikator umumnya tidak dapat diketahui, tetapi suatu kertas warna yang mudah dipakai diberikan bersama strip kertas itu, Dengan bantuan kertas ph dapat ditentukan dengan mudah besaran ph, yaitu dengan membandingkan warna kertas strip dengan warna yang diperlihatkan pada kertas warna, maka ketelitian besaran ph dapat ditentukan antara 0.5 1 satuan ph dalam jangka ph 1-11 Untuk uji ini pada kertas lakmus akan menunjukkan warna merah bila larutan nya asam, dan akan berwarna biru bila larutan tersebut basa, pada kondisi asam besaran ph antara 0-6, dan bila basa besarannya antara 8-14, dan bila netral maka besarannya akan menunjukkan angka 7.
2.3.2 Penentuan ph Secara Kalorimetri Pembuatan larutan-larutan baku pembanding adalah pekerjaan yang rumit dan butuh waktu lama, namun dapat dipersingkat dengan memekai metode warna baku permanen dan alatnya disebut komparator, dimana alat ini dilengkapi dengan kompartemen-komparteman rendah dan dapat diletakkan tabung uji kecil atau sel kaca persegi panjang. Penentuan ph dari larutan dilakukan dengan suatu indikator universal atau indikator kasar dan dengan kertas uji indikator, dan kemudian indikator yang cocok disisipkan kedalam komparator, dalam komparator dapat juga dipakai teknik Walpole yaitu dengan cara menyisipkan blanko yang mengandung larutan, Hasil yang dicapai memiliki ketelitian sampai 0.2 satuan ph. 2.3.3 Penentuan ph Secara Potensiometri Cara yang paling mudah dan tepat untuk mengukur ph adalah dengan menggunakan pengukuran tegangan gerak elektrik, Bila suatu sel elektrokimia yang mengandung larutan yang belum diketahui ph nya sebagai elektrolit dan dua buah elektroda jika telah dikalibrasi dengan baik dengan suatu buffer yang sesuai dan diketahui ph nya, maka ph larutan yang tidak di ketahui itu dapat di baca langsung dari skala pembacaan. Elektroda yang dipakai untuk membentuk sel elektrokimia ada dua jenis yang pertama elektroda indikator, elektroda ini mendapat potensial yang bergantung pada ph larutan, contohnya adalah elektroda dari kaca dipakai sebagai elektroda indikator, elektroda yang kedua adalah elektroda pembanding (referensi) yang mempunyai potensial yang tetap dan tidak bergantung pada ph larutan, kedua elektroda yang
dipakai untuk membentuk sel elektrokimia tersebut mempunyai peranan yang berbeda dalam pengukuran, dan harus dipilih sesuai dengan peranan dan kegunaanya. Adapun kegunaan elektroda yang memiliki tipe terpisah dalam industri antara lain : 1. Mengukur elektroda yang menghasilkan tegangan yang seimbang dengan konsentrasi ion hidrogen. 2. Membantu sebagai sumber tegangan yang konstan sebagai hasil dari pengukuran elektroda pembanding. Tabung elektroda lambat laun akan berguna untuk proses kerja industri tertentu, keistimewaannya terdiri dari suatu penutup kaca khusus yang dirancang untuk sensitivitas ion hidrogen dan disebut dengan elektroda kaca. Agar elektroda kaca bekerja dengan baik, elektroda kaca harus basah dan dalam keadaan mengambang, maka elektroda elektroda kaca harus dijaga agar selalu tercelup dalam air atau dalam asam encer, elektroda kaca ini sangat cocok untuk pengukuran ph teliti dalam skala ph antara 2 sampai11. Elektroda kalomel pada dasarnya adalah elektroda mercurium (raksa), yang potensial elektrodanya bergantung pada konsentrasi ion mercurium, dalam elektroda kalomel jenuh dipakai larutan kalium klorida yang jenuh, kejenuhan dipertahankan dengan menaruh kristal KCL yang belum larut. ph meter adalah suatu voltmeter elektronik dengan resistansi input yang tinggi, alat ini umumnya menggunakan listrik dari jaringan utama, dan memiliki sumber tegangan dan penyearah arus.
2.4 Pengertian Sistem Kontrol Sistem kontrol adalah proses pengaturan atau pengendalian terhadap satu atau beberapa besaran (variable, parameter) sehingga berada pada suatu harga tertentu. Secara umum sistem kontrol dapat dikelompokkan sebagai berikut : 1. Dengan operator manual dan otomatis. 2. Rangkaian tertutup (closed-loop) dan rangkaian terbuka (open-loop). 3. Kontiniu (analog) dan diskontiniu (digital). 4. Servo dan Regulator. 2.4.1 Sistem Pengontrolan Manual Pengontrolan secara manual adalah Pengontrolan (pengawasan dan pengukuran) dilakukan oleh manusia yang bertindak sebagai operator. 2.4.2 Sistem Pengontrolan Otomatis Pengontrolan secara otomatis adalah pengontrolan yang dilakukan oleh mesinmesin atau peralatan yang bekerja secara otomatis dan operasinya dibawah pengawasan manusia. 2.4.3 Rangkaian Terbuka Sistem kendali rangkaian terbuka (open loop control system) merupakan sistem kendali dimana outputnya tidak dipengaruhi oleh inputnya. Pada Gambar 2.2 memperlihatkan diagram blok rangkaian terbuka.
Gambar 2.2. Diagram Blok Rangkaian Terbuka 2.4.4 Rangkaian Tertutup Sistem kendali rangkaian tertutup (closed loop control system) merupakan sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang dikontrol dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan melalui alat pencatat (Indikator atau Recorder). Pada Gambar 2.3 memperlihatkan diagram blok rangkaian tertutup. Gambar 2.3 Diagram Blok Sistem Rangkaian tertutup 2.5 Instrument Sistem Kendali Pada sisem kendali terdapat alat-alat yang berguna untuk mengendalikan sistem operasi, diantaranya adalah :
2.5.1. Control Valve Control valve adalah jenis final control element yang paling umum dipakai untuk sistem pengendalian proses. Control Valve berfungsi untuk mengatur aliran fluida sehingga dapat ditentukan sesuai dengan yang dikehendaki oleh kontroller. Sebagian besar katup kendali yang digunakan pada proses industri mempunyai karakteristik: a. Linear Characteristic Katup akan memberikan harga pertambahan flow rate yang hampir mendekati pada setiap pertambahan travel (berbanding lurus). b. Equal percentage characteristic Persentase dari bukaan katup (valve travel) akan memberikan jumlah aliran (flow rate) yang sama persentasenya. c. Quick opening characteristic memberikan perubahan maksimum pada aliran dengan bukaan katup yang kecil dan tetap menjaga hubungan yang linear pada semua posisi pergerakan fluida. Setiap tambahan bukaan katup memberikan perubahan yang tajam pada flow rate dan bila katup mendekati posisi bukaan penuh perubahan flow mendekati nol. Sebuah control valve terdiri atas dua bagian, yaitu actuator dan valve, seperti yang terlihat pada Gambar 2.4 berikut ini:
Gambar 2.4. Konstruksi Control Valve Bagian actuator adalah bagian yang begerak untuk mengerjakan buka/ tutup valve. Jenis yang banyak digunakan adalah pneumatic operated (diaphragm), electric actuator, hidrolic actuator, dan manual (hand operated actuator). Spring dan diaphragm pneumatic actuator kurang banyak digunakan oleh karena kemampuan dan bentuknya yang sederhana. Bagian valve adalah komponen mekanis yang menentukan besarnya flow yang masuk ke proses. Dalam kesatuannya sebagai unit control valve, actuator dan valve harus melakukan tugas koreksi berdasarkan sinyal manipulated variable yang keluar dari kontroller. 2.5.2 Transmitter Sinyal output elemen sensor atau output transducer untuk dapat ditampilkan dalam suatu tampilan tertentu (indikatior), atau dalam suatu pengolahan sinyal untuk keperluan tertentu di dalam suatu system instrumentasi, terkadang masih diperlukan
suatu system penyaluran sinyal. System penyaluran sinyal dalam instrumentasi dikenal dengan istilah transmitter. Fungsi utama transmitter adalah menerima sinyal dari sensor atau transducer kemudian dengan mekanisme tertentu sinyal ini dikondisikan dalam besaran standart, kemudian ditransmisikan untuk kebutuhan indikasi pengukuran atau unutuk tujuan yang lainnya (misalnya untuk proses kendali). Transmitter dapat dibedakan menurut operasi kerjanya antara lain: a. Sistem Transmisi Pneumatic. b. Sistem Transmisi Elektrik. 2.5.2.1 Sistem Transmitter Pneumatic. Pada sistem transmitter pneumatic, sinyal yang ditransmisikan adalah berupa sinyal udara tekan. Udara tekan yang bisa digunakan pada system ini, berkisar antara 3 psi dan 15 psi untuk tekanan supply 20 psi dan simyal udara berkisar 6 psi sampai 30 psi untuk tekanan supply 35 psi. Transmitter pneumatic dapat digunakan untuk jarak kurang dari 600 ft, jika jarak bertambah, maka kecepatan response dari sistem transmitter pneumatic menjadi masalah, dan pemecahan alternative diperlukan. Kompenen pertama pada system transmitter ini adalh penggunaan flapper dan nozzle, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.5. Cara kompenen ini adalah, apabila flapper mendekati nozzle posisi x, maka tekanan sinyal output bertambah. Sebaliknya apabila pada posisi flapper menjauhi nozzle pada posisi y,maka tekanan sinyal output berkurang.
Gambar 2.5 Konstruksi Flapper Nozzle Tipe yang banyak digunakan pada sistem transmitter pneumatic adalah diffrensial pressure transmitter (D/P Cell) Pengukuran beda tekanan banyak digunakan pada sistem instrument industri antara lain untuk pengukuran variable proses tinggi permukaan (level) aliran, (flow) dll. Beda tekanan yang dihasilkan dari pengukuran variable proses tersebut sangat kecil dan sukar untuk ditransmisikan. Oleh karna itu beda tekanan yang kecil ini harus diperkuat dan dirubah menjadi sinyal tekanan yang relative lebih besar sesuai dengan kebutuhan (3-15 psi). Gambar dan prinsip cara kerja D/P cell dapat di perlihatkan pada Gambar 2.6. Tekanan tinggi (H) dan tekanan rendah(l) dipasangkan pada daerah antara diaphragm-capsule. Perubahan gaya pada capsul disalurkan lewat flexure menggerakkan batang force bar dan membuat perubahan pada kedudukan dari
pasangan flapper dan nozzle dan menghasilkan sinyal output yang sebanding dengan perbedaan tekanan HP-LP yang diterima, setelah mendapat penguatan dari pneumatic amplifier. Gambar 2.6. Konstruksi D/P Cell transmitter 2.5.2.2 Sistem Transmisi Elektrik Pada sistem transmisi elektrik, besaran sinyal elektrik harus dapat ditansmisikan kepada sistem penerima (receiver). Seperti transmisi elektrik yang banyak dijumpai pada pemakaian sistem intrumentasi industri dapat dikelompokkan menurut perubahan besaran listrik yang ditransmisikan perubahan besaran tegangan listrik, dan rangkaiannya dapat dilihat pada Gambar 2.7. Secara sepintas adalah sangat sukar untuk membedakan antara transmisi perubahan besaran arus listrik dan perubahan besaran tegangan listrik, karena dalam suatu
rangkaian listrik perubahan arus akan mengakibatkan juga perubahan tegangan listriknya. Gambar 2.7. Rangkaian transmisi perubahan besaran listrik 2.5.2.3 Transmitter Sistem Jembatan Setimbang Didalam transmitter elektrik maka sistem jembatan seitmbang banyak digunakan pada instrumentasi. Transmitter ini berdasarkan prinsip kerja rangkaian kesetimbang dengan menggunakan jembatan wheatstone. Operasi dari rangkaian ini adalah sebagai berikut. Rangkaian jembatan wheatstone seperti terlihat pada Gambar 2.8. Mempunyai empat lengan resistor dengan sebuah power supply galvanometer
adalah o volt, kondisi ini terjadi bila tegangan titik c-a sama dengan titik d-a atau tegangan titik c-b sama dengan titik d-b. Gambar 2.8. Rangkaian jembatan setimbang Pada sistem ini transmitter mengirimkan besaran arus dan tegangan listrik.besaran fisik yang terukur tidak ditunjukkan oleh nilai absolute dari besaran listrik yang sesuai dengan kesetimbangan nilai posisi transmitter. Gambar 2.9. memperlihatkan contoh pemakaian transmitter jembatan setimbang pada sistem instrumen. Gambar 2.9. Thermoresistor dengan jembatan setimbang.
2.6 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal merupakan pompa yang merubah energi listrik menjadi energi mekanis, yang bekerja untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain. 2.6.1 Prinsip Dasar Prinsip dasar dari pengoperasian pompa sentrifugal seperti pada Gambar 2.10, yang menerangkan jika tabung silinder dengan baling-baling yang memiliki banyak sudu berputar dengan kecepatan tinggi, maka pompa sentrifugal akan bereaksi terhadap air dan akan menekan air, hal ini akan menyebabkan air terdesak keluar dan tidak akan bisa kembali ke sisi masukan, tekanan mendorong air ke atas akan mengalirkan air melalui pipa ke tanki atau tabung air. Gambar 2.10. Prinsip dasar pompa sentrifugal