PERPINDAHAN MASSA ANTAR FASE
Perpindahan massa adalah perpindahan massa dari satu lokasi, biasanya berupa aliran, fasa, fraksi, atau komponen, ke lokasi lainnya. Perpindahan massa muncul pada banyak proses, seperti absorpsi, evaporasi, adsorpsi, pengeringan, presipitasi, filtrasi membran, dan distilasi. Pembahasan pada bab sebelumnya hanya mengenai difusi pada zat dalam fase tunggal. Proses perpindahan massa pada umumnya mengenai dua fase yang tidak saling larut dikontakkan agar terjadi perpindahan massa. Oleh karena itu, pada bab ini akan dibahan mengenai aplikasi dari mekanisme diffusional untuk setiap fase pada system gabungan. Seperti yang kita ketahui bahwa laju difusi pada setiap fase tidak bergantung pada gradient konsentrasi. Pada waktu yang sama gradient konsentrasi pada system dua fase mengindikasikan tercapainya kesetimbangan antar fase.
Perpindahan massa antar fase dapat terjadi pada : 1. Fase caircair –
:
proses ekstraksi
2. Fase cair gas –
:
proses absorbsi >< desorbsi
3. Fase cairpadat –
:
proses leaching
4. Fase gasgas –
:
proses difusi gas
5. Fase gaspadat –
:
proses sublimasi
Macam-macam jenis tranfer massa: a. Difusi molekuler b. Difusi antar fase satu film (difusi dalam aliran turbulen). c. Difusi antar fase dua film
1
DIFUSI MOLEKULER
Difusi molekuler merupakan transfer mssa yang disebabkan gerakan molekuler secara acak dalam luida diam, atau dalam fluida yang mengalir secara laminer. Transfer molekuler juga disebut transfer molekul dalam satu fase. Gerak molekul ini disebabkan karena adanya gradien atau perbedaan konsentrasi. Difusi molekuler dapat terjadi di fluida ( gas atau cairan) dan di dalam padatan. Difsi molekuler di dalam padatan lebih lambat daripada di dalam fluida, hal ni karena tidak ada gerak padatan dalam padatan. Difusi
adalah
peristiwa
mengalirnya
atau
berpindahnya
suatuzatdalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi merupakan salahsatu peristiwa perpindahan massa yang prosesnya sering juga dilakukan dalam industriindustri. Proses difusi minimal melibatkan dua zat, salah satu zat berkonsentrasi lebih tinggi daripada zat lainnya atau dapat dikatakan dalam kondisi belum setimbang, Keadaan ini dapat menjadi driving force dari proses difusi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara. Contoh lain adalah pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis. Difusi yang paling sering terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekulyang diam dari solid atau fluida. Proses difusi terjadi karena adanya perpindahan massa suatu zat dimana massa dapat berpindah dari kondisi dengan konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Perpindahan massa dapat terjadi dalam fasa gas maupun cair.
2
Peristiwa difusi berakhir jika telah mencapai keadaan setimbang antara dua keadaan (pada keadaan sebelumnya terdapat perbedaan konsentrasi sehingga keadaan belum setimbang). Proses difusi dapat terus-menerus berlangsung jika perbedaan konsentrasi antara dua kondisi dipertahankan. Hal ini dapat dilakukan dengan mengalirkan fluida yang merupakan tempat akan berdifusinya suatu molekul secara terus menerus. Proses difusi akan berhenti jika kondisi dari dua fluida sudah sama atau setimbang. Difusi
melalui
membran
dapat
berlangsung
melalui
tiga
mekanisme, yaitu difusi sederhana (simple difusion), difusi melalui saluran yang terbentuk oleh protein trans membran (simple difusion by chanel formed ), dan difusi difasilitasi ( fasiliated difusion). Difusi melalui membran berlangsung karena molekul-molekul yang berpindah atau bergerak melalui membran bersifat larut dalam lemak (lipid) sehingga dapat menembus lipid bilayer pada membran secara langsung. Membran sel permeabel terhadap molekul larut lemak seperti hormon steroid, vitamin A, D, E, dan K serta bahan-bahan organik yang larut dalam lemak, Selain itu, membran sel juga sangat permeabel terhadap molekul anorganik seperti O, CO2, OH, dan H2O. Beberapa molekul kecil khusus yang terlarut dalam serta ion-ion tertentu, dapat menembus membran melalui saluran ini terbentuk dari protein trans membran, semacam pori dengan diameter tertentu yang memungkinkan molekul dengan diameter lebih kecil dari diameter pori tersebut dapat melaluinya. Sementara itu, molekul–molekul berukuran besar seperti asam amino, glukosa, dan beberapa garam– garam mineral, tidak dapat menembus membran secara langsung, tetapi memerlukan protein pembawa atau transporter untuk dapat menembus membran. Proses masuknya molekul besar yang melibatkan transporter dinamakan difusi difasilitasi, yaitu pelaluan zat melalui rnembran plasma yang melibatkan protein pembawa atau protein transporter. Protein transporter tergolong protein transmembran yang memilik tempat perlekatan terhadap ion atau molekul yang akan ditransfer
3
ke dalam sel. Setiap molekul atau ion memiliki protein transporter yang khusus, misalnya untuk pelaluan suatu molekul glukosa diperlukan protein transporter yang khusus untuk mentransfer glukosa kedalam sel. Protein transporter untuk glukosa banyak ditemukan pada sel-sel rangka,otot jantung, sel-sel lemak dan sel-sel hati, karena sel– sel tersebut selalu membutuhkan glukosa untuk diubah menjadi energi. Walaupun penyebab difusi umumnya karena gradient konsentrasi, tetapi difusi dapat juga terjadi karena gradien tekanan, karena gradien suhu, atau karena medan gaya yang diterapkan dari luar seperti pada pemisah sentrifugal. Difusimolekuler yang terjadi karena gradien tekanan (bukan tekanan parsial) disebut difusi tekanan pressure diffusion), yang disebabkan karena gradien suhu disebut difusi termal (thermaldiffusion), sedangkan yang disebabkan
oleh
medan
gaya
dari
luar
disebut
difusi
paksa
(
forceddiffusion).
4
FENOMENA PERPINDAHAN
Dalam fisika, kimia, dan teknik, fenomena perpindahan adalah salah satu dari berbagai mekanisme di mana partikel atau kuantitas fisik berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Tiga contoh umum fenomena perpindahan adalah difusi, konveksi, dan radiasi.
Tiga jenis utama fenomena perpindahan adalah
perpindahan panas, perpindahan massa, dan perpindahan momentum (dinamika fluida). Satu prinsip penting dalam fenomena perpindahan adalah adanya analogi antar tiap fenomena. Sebagai contoh, massa, energi, dan momentum semua dapat mengalami perpindahan secara difusi:
Penyebaran atau disipasi bau di udara merupakan contoh difusi massa
Konduksi panas pada bahan padat adalah contoh difusi panas
Seretan (drag) yang dialami butiran hujan sewaktu jatuh dalam atmosfer adalah
contoh
dari
difusi
momentum
(butiran
hujan
kehilangan
momentumnya ke udara sekitar melalui tegangan kental, viscous stress, dan berkurang kecepatannya)
Perpindahan massa, energi, dan momentum juga dipengaruhi faktor-faktor luar:
Disipasi atau pelesapan bau menjadi lebih lambat jika sumber bau tetap ada
Laju pendinginan suatu zat padat yang menghantarkan panas tergantung pada apakah sumber panas ada.
gaya gravitasi yang bekerja terhadap butiran hujan melawan seretan yang disebabkan udara sekitar.
Proses-proses transfer di bidang Teknik Kimia meliputi : A. FISIS
1. Transfer momentum Dijumpai di kasus aliran fluida, pencampuran, sedimentasi dan filtrasi. 2. Transfer panas Dijumpai pada alat-alat pertukaran panas, distilasi, dan pengeringan.
5
3. Transfer massa Dijumpai pada alat-alat distilasi, pengeringan, ekstraksi, absorbsi, adsorpsi, stripping dan membran.
B. KIMIA
Peristiwa perpindahan massa (transfer massa) atau difusi banyak dijumpai di dalam kehidupan sehari-hari, di dalam ilmu pengetahuan dan di industri.
Contoh peristiwa transfer massa dalam kehidupan sehari-hari adalah:
larutnya kristal gula dalam air, artinya komponen gula mendifusi ke fase air, larutnya kopi ke dalam air.
terserapnya zat beracun ke dalam arang,
larutnya oksigen ke dalam darah,
Pada proses fermentasi, nutrisi dan oksigen yang terlarut dalam larutan mendifusi ke mikroorganisme,
Pengambilan uranium dari batuan, dengan cara ekstraksi menggunakan pelarut organik, misal heksan.
Penghilangan logam berbahaya dari limbah cair menggunakan adsorben.
Di industri kimia maupun dalam kehidupan sehari-hari sering dijumpai operasi pemisahan suatu bahan atau lebih dari campurannya menggunakan dasar transfer massa antar fase (difusi antar fase), misalnya : 1) Transfer solut dari fase gas ke fase cair, dijumpai pada absorpsi, dehumidifikasi, distilasi. 2) Transfer solut dari fase cair ke fase gas, dijumpai pada desorpsi, humidifikasi. 3) Transfer solut dari cairan satu ke cairan lain yang tidak saling larut, dijumpai pada ekstraksi cair-cair. 4) Transfer solut dari padatan ke fase cair, dijumpai pada drying dan leaching.
6
5) Transfer solut dari cairan ke permukaan padatan, dijumpai pada adsorpsi dan ion exchange.
Absorber dan stripper adalah alat yang digunakan untuk memisahkan satu komponen atau lebih dari campurannya menggunakan prinsip perbedaan kelarutan. Solut adalah komponen yang dipisahkan dari campurannya sedangkan pelarut (solvent ; sebagai separating agent) adalah cairan atau gas yang melarutkan solute. Karena perbedaan kelarutan inilah, transfer massa solut dari fase satu ke fase yang lain dapat terjadi. Absorbsi adalah operasi pemisahan solut dari fase gas ke fase cair, yaitu dengan mengontakkan gas yang berisi solut dengan pelarut cair (solven / absorben) yang tidak menguap. Stripping adalah operasi pemisahan solute dari fase cair ke fase gas, yaitu dengan mengontakkan cairan yang berisi solute dengan pelarut gas ( stripping
agent) yang tidak larut ke dalam cairan. Berdasarkan cara kontak antar fase, alat transfer massa difusional dibagi menjadi 2 jenis, yaitu : 1) proses keseimbangan dimana operasi dengan keseimbangan antar fase, yaitu alat dengan kontak bertingkat ( stage wise contact / discreet), misalnya menara menggunakan plat atau tray. 2) proses dikontrol kecepatan transfer massa, yaitu alat dengan kontak kontinyu (
continuous contact), misalnya menara sembur, gelembung atau menggunakan bahan isian (packing).
7
Difusi adalah perpindahan molekul dari konsentrasi tinggi ke rendah. Ini berarti perpindahan komponen/molekulnya terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi (Singh and Heldman, 2001). Proses difusi itu terbagi ke dalam 3 jenis yaitu :
1. Difusi cair Dikatakan difusi cair jika terjadi perpindahan molekul cairan dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita merendam kedelai dalam air saat pembuatan tempe. Selama perendaman akan terjadi difusi air dari lingkungan luar (yang kadar airnya tinggi) ke dalam kedelai (yang kadar airnya rendah).
2. Difusi padat Dikatakan difusi padat jika terjadi perpindahan molekul padatan dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu ketika kita melakukan perendaman buah dengan larutan gula dalam pembuatan manisan buah. Selama perendaman selain terjadi difusi air dari lingkungan luar ke dalam buah juga terjadi difusi molekul gula (molekul padatan) ke dalam buah dan ini berarti difusi padatan juga terjadi dalam pembuatan manisan buah ini. Selama ini batasan antara kapan terjadinya difusi air dengan difusi padatan masih belum jelas karena prosesnya sering terjadi bersamaan dan susah untuk dibedakan.
Difusi gas Dikatakan difusi gas jika terjadi perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu difusi O ₂ pa da pen ge ma s plas tik . Ke ti ka kit a me ng gu na kan pen ge ma s pl ast ik untuk membungkus suatu bahan, maka selama penyimpanan akan terjadi difusi oksigen dan uap air dari lingkungan luar ke dalam pl ast ik pe ng em as. Jum lah oks ige n da n ua p ai r ya ng da pat ma su k ke dalam plastik pengemas bervariasi tergantung permeabilitas dari pl ast ik pe ng em as te rse bu t. Se ma kin ba nyak jum lah ok si ge n da n ua p air yang dapat masuk ke dalam plastik pengemas berarti kualitas
8
pl ast ik pe ng em asn ya se ma ki n bu ruk . Dis in i, dif usi oksi ge n merupakan difu si gas dan difusi uap air merupakan difusi cair. Tiga prinsip mekanisme perpindahan massa :
1. Molecular diffusion ( Difusi molekuler ) 2. Interphase mass transfer (one-film theory) 3. Interphase mass transfer (two-film theory)
1. Molecular Diffusion ( Difusi Molekuler )
Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Definisi difusi adalah penyebaran molekul zat dan gas / cairan yang konsentrasinya tinggi (hipertonis) ke gas / cairan yang konsentrasinya lebih rendah (hipotonis). Dengan kata lain setiapzat akan berdifusi menuruni gradien konsentrasinya. Hasil dari difusi adalah konsentrasiyang sama antara larutan tersebut dinamakan isotonis. Proses difusi terjadi karena adanya perpindahan massa suatu zat dimana massa dapat berpindah dari kondisi dengan konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Perpindahan massa dapat terjadi dalam fasa gas maupun cair. Peristiwa difusi berakhir jika telah mencapai keadaan setimbang antara dua keadaan (pada keadaan sebelumnya terdapat perbedaan konsentrasi sehingga keadaan belum setimbang). Proses difusi dapat terus-menerus berlangsung jika perbedaan konsentrasi antara dua kondisi dipertahankan. Hal ini dapat dilakukan dengan mengalirkan fluida yang merupakan tempat akan berdifusinya suatu molekul secara terus menerus. Proses difusi akan berhenti jika kondisi dari dua fluida sudah sama atau setimbang. Pada absorbsi gas, zat- terlarut terdifusi melalui fase gas ke antarmuka antara kedua fase dan melalui zat cair dari antarmuka itu. Pada proses 9
destilasi, komponen yang bertitik didih rendah terdifusi melalui fase zat cair ke antarmuka dan dari antarmuka ke fase uap. Komponen yang bertitik didih tinggi terdifusi pada arah yang berlawanan dan berpindah melalui uap ke zat cair. Pada proses ekstraksi zat cair , zat terlarut terdifusi melalui fase rafinat ke antarmuka ,lalu ke fase ekstrak. Pada proses kristalisasi, zat- terlarut terdifusi melalui cairan induk ke kristal dan mengendap pada permukaan zat padat. Pada proses humidifikasi ( kelembaban ) tidak ada difusi fase zat cair karena zat cairnya murni dan tidak mungkin ada gradien konsentrasi di dalam zat cair itu, tetapi uapnya terdifusi ke antarmuka zat cair- gas. Ada beberapa macam kecepatan ( velocity )yang diperlukan untuk memberikan gerakan masing- masing bahan dan fase kesluruhan . Oleh karena gerakan absolut tidak mempunyai makna , setiap kecepatan itu harus didasarkan pada suatu keadaan diam sembarang . Molekul- molekul setiap komponen dalam suatu campuran berada dalam keadaan rambang, jika seluruh kecepatan sesaat komponen itu di jumlahkan dan diuraikan menjadi kecepatan yang tegak lurus terhadap antarmuka , dan dibagi dengan banyaknya molekul zat itu , maka akan di dapat kecepatan makroskopik komponen itu. Masalah perpindahan massa dapat diselesaikan dengan dua cara yang berbeda, pertama dengan menggunakan konsep tahap kesetimbangan (equilibrium stage) atau kedua atas dasar proses laju diffusi (diffusional rate process). Cara mana yang dipilih, bergantung pada jenis peralatan yang digunakan untuk melaksanakan operasi tersebut. Semua perhitungan perpindahan massa akan memerlukan pengetahuan tentang hubungan kesetimbangan fase. Batas perpindahan fase tercapai apabila kedua fase itu mencapai kesetimbangan dan perpindahan netto berhenti. Untuk proses praktis, yang harus mempunyai laju produksi, maka proses kesetimbangan harus dihindari, karena laju perpindahan massa pada setiap keseimbangan. Ada beberapa macam kesetimbangan yang penting dalam perpindahan massa. Dalam fase
10
lindak (bulk), pengaruh luas permukaaan dapat diabaikan dan variabel yang menentukan adalah sifat-sifat intensif seperti suhu, tekanan dan konsentrasi. Walaupun penyebab difusi umumnya karena gradien konsentrasi,tetapi difusidapat juga terjadi karena gradien tekanan, karena gradien suhu, atau karena medan gaya yang diterapkan dari luar seperti pada pemisah sentrifugal. Difusi molekuler yang terjadi karena gradien tekanan (bukan tekanan parsial) disebut difusi tekanan ( pressure diffusion), yangdisebabkan karena gradien suhu disebut difusi termal ( thermal diffusion), sedangkan yang disebabkan oleh medan gaya dari luar disebut difusi paksa ( forced diffusion).
Difusi Molekular pada Cairan
Laju difusi molekular untuk cairan lebih kecil apabila dibandingkan terhadap laju difusi molekul gas. Hal ini disebabkan jarak antara molekul dalam fasa cair lebih rapat apabila dibandingkan dalam fasa gas. Umumnya koefisien difusi untuk gas lebih besar hingga105 kali koefisien difusi cairan. Namun fluks pada gas tidak berbeda jauh dari fluks dalam cair yaitu 100 kali lebih cepat, hal itu disebabkan karena konsentrasi cair lebih besar daripada konsentrasi dalam fasa gas. Persamaan difusi untuk cairan Jarak molekul dalam cairan lebih rapat daripada dalam fasa gas, maka densitas danhambatan difusi pada cairan akan lebih besar. Hal ini juga menyebabkan gaya interaksi antarmolekul sangat penting dalam difusi cairan. Perbedaan antara difusi cairan dan difusi gasadalah bahwa pada difusi cairan difusifitas sering bergantung pada konsentrasi daripadakomponen yang berdifusi.Equimolar counterdiffusion, dimulai dengan persamaan umum fick kita dapat mensubstitusiuntuk NA = NB pada keadaan steady state.
Difusi melalui membran dapat berlangsung melalui tiga mekanisme, yaitu:
11
1 .Difusi sederhana (simple difusion), 2. Difusi melalui saluran yang terbentuk oleh protein trans membran 3. Difusi difasilitasi ( fasiliated difusion).
Difusi melalui membran berlangsung karena molekul-molekul yang berpindah atau bergerak melalui membran bersifat larut dalam lemak (lipid ) sehingga dapat menembus lipid bilayer pada membran secara langsung. Membran sel permeabel terhadap molekul larut lemak seperti hormon steroid, vitamin A, D, E, dan K serta bahan-bahan organik yang larut dalam lemak, Selain itu, membran sel juga sangat permeabel terhadap molekul anorganik seperti O, CO₂, OH, dan H ₂O. Beberapa molekul kecil khusus yang terlarut serta ion-ion tertentu, dapat menembus membran melalui Saluran ini terbentuk dari protein transmembran, semacam pori dengan diameter tertentu yang memungkinkan molekul dengan diameter lebih kecil dari diameter pori tersebut dapat melaluinya. Sementara itu, molekul – molekul berukuran besar seperti asam amino, glukosa,dan beberapa garam – garam mineral, tidak dapat menembus membrane secara langsung, tetapi memerlukan protein pembawa
atau
transporter
untuk
dapat
menembus
membran. Proses
masuknya molekul besar yang melibatkan transporter dinamakan difusi difasilitasi, yaitu pelaluan zat melalui rnembran plasma yang melibatkan protein pembawa atau protein transporter. Protein transporter tergolong protein transmembran yang memiliki tempat perlekatan terhadap ion atau molekul yang akan ditransfer ke dalam sel. Setiap molekul atau ion memiliki protein transporter yang khusus, misalnya untuk pelaluan suatu molekul glukosa diperlukan protein transporter yang khusus untuk mentransfer glukosa kedalam sel. Protein transporter untuk glukosa banyak ditemukan pada sel-sel rangka, otot jantung, sel-sel lemak dan sel-sel hati, karena sel – sel tersebut selalu membutuhkan glukosa untuk diubah menjadi energi.
Syarat suatu partikel atau molekul dapat melewati membrane sel dengan cara difusi adalah:
12
1.
Partikel atau
molekul tersebut merupakan partikel atau molekul
sederhana 2.
Berukuran kecil
3.
Dapat larut dalam air ataupun lemak .
Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan difusi : 1. Perbedaan Konsentrasi Makin besar perbedaan konsentrasi antara dua bagian, makin besar proses difusi yang terjadi. 2. Jarak Tempat Berlangsungnya Difusi Makin dekat jarak tempat terjadinya difusi, makin cepat proses difusi yang berlangsung. 3. Area Tempat Berlangsungnya Difusi Makin luas area difusi makin cepat proses difusi 4. StrukturTempat Berlangsungnya Difusi Adanya pori-pori pada membran (sekat) meningkatkan proses difusi. Makin banyak jumlah pori dan makin besar ukuran pori, makin meningkatkan proses difusi.. 5. Ukuran dan Tipe Molekul Yang Berdifusi Molekul-molekul berukuran kecil (misalnya, oksigen), berdifusi lebih cepat daripada molekul-molekul berukuran besar (misalnya, karbon dioksida) Molekul-molekul yang larut dalam bahan-bahan penyusn membran, berdifusi lebih cepat. Misalnya, molekul-molekul yag larut dalam berdifusi lebih cepat daripada molekul-molekul yang tidak larut dalam air. 6. Suhu, makin tinggi difusi makin cepat 7. BM makin besar difusi makin lambat 8.
Kelarutan dalam medium, makin besar difusi makin cepat
13
Gambar Contoh Difusi
KESETIMBANGAN
14
Langkah yang tepat untuk membahas kesetimbangan adalah mengetahui karakteristik kesetimbangan disetiap proses dan untuk menyetarakan nya dengan yang lain. Contohnya, pada proses absorpsi gas yang melibatkan ammonia yang terlarut dari campuran ammonia-udara dengan air. Misalnya air yang jumlahnya tetap ditempatkan pada wadah tertutup bersamaan dengan campuran gas ammonia dan udara, system keseluruhan dijalankan pada tekanan dan temperature konstan. Karena ammonia adalah zat yang sangat larut dalam air, molekul ammonia akan berpindah secara langsung dari gas ke liquid, menembus permukaan antar fase yang memisahkan kedua fase. Sejumlah molekul ammonia keluar kembali menjadi molekul gas, pada laju proporsional ke dalam konsentrasi nya pada liquid. Semakin banyak ammonia yang berpindah ke liquid, diiringi dengan kenaikan konsentrasi yang konsekuen di dalam liquid, sampai perlahan laju perpindahan massa yang memasuki liquid samma dengan laju perpindahan massa yang keluar dari liquid. Pada saat yang sama, melalui mekanisme difusi, konsentrasi pada setiap fase menjadi sama. Kemudian terjadi kesetimbangan dinamik, saat molekul ammonia berpindah kembali dan seterusnya dari satu fase ke fase lainnya,
perpindahan massa
keseluruhan sama dengan nol. Konsentrasi pada tiap fase tidak lagi mengalami perubahan.
Apabila ditambahkan ammonia ke dalam wadah, akan terjadi suatu kesetimbangan konsentrasi yang baru secara perlahan, dengan konsentrasi yang lebih tinggi daripada konsentrasi mula-mula pada setiap fase. Pada saat ini secara perlahan dapat diselesaikan hubungan antara kesetimbangan konsentrasi dalam kedua fase. Jika ammonia dimisalkan sebagai zat A, kesetimbangan konsentrasi pada fase gas dan liquid adalah yA dan xA adalah fraksi mol, akan menimbulkan kenaikan
15
pada kurva kesetimbangan distribusi seperti gambar 5.1. Kurva ini menghasilkan jumlah air yang tidak berpengaruh dan udara yang digunakan pada saat mula-mula dan hanya dipengaruhi oleh kondisi, seperti temperature dan tekanan, dikaitkan dengan system tiga komponen. Penting untuk dicatat bahwa pada keadaan setimbang onsentrasi pada dua fase tidak sama; malah potensial kimia dari ammonia adalah sama pada kedua fase. Kurva
pada
gambar
5.1.tidak
menunjukkan
semua
kesetimbangan konsentrasi yang ada pada system. Contohnya, air akan secara perlahan menguap menjadi gas, komponen di udara juga akan terlarut menjadi komponen kecil dalam liquid, dan kesetimbangan konsentrasi untuk zat tersebut akan terbentuk.
yA
xA yA = fraksi mol gas xA = fraksi mol liquid
Gambar 5.1. kesetimbangan distribusi pelarut antara gas dan liquid pada temperature konstan.
1.PERPINDAHAN MASSA FASE CAIR-CAIR
16
1.
Pengertian Ekstraksi
Ekstraksi adalah salah satu proses pemisahan atau pemurnian suatu senyawa dari campurannya dengan bantuan pelarut. Pelarut yang digunakan harus dapat mengekstrak substansi yang diinginkan tanpa melarutkan material suatu bahan lainnya. Ekstraksi merupakan salah satu metode pemisahan yang menggunakan sifat fisis, yaitu perbedaan kelarutan komponen-komponen dalam larutan dengan menggunakan larutan lain sebagai media pemisah. Pemisahan
larutan
dengan
ekstraksi
digunakan
untuk
memisahkan
komponen-komponen yang mempunyai perbedaan titik didih yang relatif kecil tetapi mempunyai perbedaan kelarutan yang cukup besar dengan suatu pelarut. Ekstraksi cair-cair menggunakan
prinsip
kesetimbangan
dengan
perpindahan massa zat terlarut (fasa disperse) dan larutan yang diekstraksi kelarutan yang digunakan sebagai pelarut (fasa kontinu). Menurut Ladda (1976), ekstraksi cair-cair digunakan jika pemisahan denganoperasi lainnya tidak dapat dicapai seperti: distilasi, evaporasi, kristalisasi dan lain-lain Ekstraksi cair-cair adalah proses pemisahan suatu komponen dari fasa cair kefasa cair lainnya. Ekstraksi pelarut atau sering disebut juga ekstraksi air merupakan metode pemisahan atau pengambilan zat terlarut dalam larutan(biasanya dalam air) dengan menggunakan pelarut lain (biasanya organik). Ekstraksi pelarut menyangkut distribusi suatu zat terlarut (solute) di antara dua fasa cair yang tidak saling bercampur. Teknik ekstraksi sangat berguna untuk pemisahan secara cepat dan “bersih” baik untuk zat organik maupun zat anorganik. Cara ini juga dapat digunakan untuk analisis makro maupun mikro. Selain untuk kepentingan analisis kimia, ekstraksi juga banyak digunakan untuk pekerjaan-pekerjaan preparatif dalam bidang kimia organik, biokimia dan anorganik di laboratorium. Alat yang digunakan dapat berupa corong pemisah (paling sederhana), alat ekstraksi soxhlet sampai yang paling rumit berupa alat “Counter Current Craig”.
17
Menurut Estien Yazid (2005), berdasarkan bentuk campuran yang diekstraksi, suatu ekstraksi dibedakan menjadi ekstraksi padat-cair dan ekstraksi cair-cair. 1.
Ekstraksi padat-cair; zat yang diekstraksi terdapat di dalam campuran yang berbentuk padatan. Ekstraksi jenis ini banyak dilakukan di dalam usaha mengisolasi zat berkhasiat yang terkandung di dalam bahan alam seperti steroid, hormon, antibiotika dan lipida pada biji-bijian.
2.
Ekstraksi cair-cair; zat yang diekstraksi terdapat di dalam campuran yang berbentuk cair. Ekstraksi cair-cair sering juga disebut ekstraksi pelarut banyak dilakukan untuk memisahkan zat seperti iod atau logamlogam tertentu dalam larutan air.
Pertimbangan pertimbangan pemakaian proses ekstraksi sebagai proses pemisahan antara lain : 1. Komponen larutan sensitive terhadap pemanasan jika digunakan destilasi meskipun pada kondisi vakum. 2. Titik didih komponen komponen dalam campuran berdekatan. 3. Kemudahan menguap (volatility) komponen komponen hampir sama.
Mekanisme pemisahan digambarkan secara sederhana pada gambar dibawah berikut ini.
18
Gambar 1. Ekstraksi Cair Cair Dalam Kolom Isian
Ekstraksi cair cair terjadi berdasarkan pindah massa akibat kontak antara larutan yang dialirkan secara kontinyu (fasa kontinyu) dengan pelarut yang dialirkan secara terdispersi (fasa terdispersi). Fasa kontinyu dialirkan dari bagian atas kolom isian yang kemudian mengalir turun.Selama mengalir di sepanjang kolom, cairan mengisi celah-celah kosong dan membentuk lapisan tipis pada permukaan bahan isian. Fasa terdispersi dialirkan dari bagian
bawah
kolom
isian
yang
selama
mengalir
di
sepanjang
kolomdimungkinkan mengalami proses proses berikut : 1. Melewati celah-celah kosong 2. Menembus bahan isian 3
Mengalami perpecahan menjadi gelembung dengan ukuran yang lebih kecil akibat bertumbukan dengan bahan isian.
2.
Ekstraksi Cair-Cair
19
Ekstraksi
cair-cair (liquid extraction, solvent extraction ): yaitu
pemisahan solute dari cairan pembawa (diluen) menggunakan solven cair. Campuran diluen dan solven tersebut bersifat heterogen (immiscible, tidak saling campur), dan jika dipisahkan terdapat 2 fase, yaitu fase diluen (rafinat) dan fase solven (ekstrak).
Fase rafinat = fase residu, berisi diluen dan sisa solut.
Fase ekstrak = fase yang berisi solut dan solven.
Ekstraksi
cair-cair
adalah
Pemisahan
yang
digunakan
untuk
mendapatkan senyawa dalam campuran fase cair dengan pelarut cair. Ekstraksi cair-cair dalam dunia farmasi sama dengan kromatografi caircair. Dimana kromatografi cair-cair adalah kromatografi pembagian dimana partisi terjadi antara fase gerak dan fase dia yang kedua-duanya zat cair. Dala hal ini fase diam tidak boleh larut dalam fase gerak. Umumnya fase diam yang digunakan air, sebagai fase gerak digunakan pelarut organik. Ekstraksi cair-cair sangat berguna untuk memisahkan analit yang dituju dari penganggu dengan cara melakukan partisi sampel antar 2 pelarut yang tidak saling campur. Salah satu fasenya seringkali berupa air dan fase yang lain adalah pelarut organik. Senyawa-senyawa yang bersifat polar akan ditemukan di dalam fase air, sementara senyawa-senyawa yang bersifat hidrofobik akan masuk pada pelarut organik. Analit yang terekstraksi ke dalam pelarut organik akan mudah diperoleh kembali dengan cara penguapan pelarut, sementara analit yang masuk ke dalam fase air seringkali diinjeksikan secara langsung ke dalam kolom. Disamping itu, ekstraksi pelarut juga digunakan untuk memekatkan analit yang ada dalam sampel dengan jumlah kecil sehingga tidak memungkinkan atau menyulitkan untuk deteksi atau kuantifikasinya. Dalam bentuk yang paling sederhana, suatu alikuot larutan air digojog dengan pelarut organik yang tidak campur dengan air. Kebanyakan prosedur ekstraksi cair-cair melibatkan ekstraksi analit dari fase air ke dalam pelarut organik yang bersifat non polar atau agak polar seperti heksana, metilbenzen atau diklorometan. Meskipun demikian proses sebaliknya (ekstraksi analit
20
dari pelarut organik non polar ke dalam air) juga mungkin terjadi. Dengan kata lain, dalam ekstraksi cair-cair ini tidaklah mungkin untuk mencapai 100% analit terekstraksi pada salah satu fase/pelarut. Karena ekstraksi merupakan proses kesetimbangan dengan efisiensi terbatas, maka sejumlah tertentu analit akan tertahan di kedua fase. Kesetimbangan kimia yang melibatkan perubahan pH, kompleksasi, pasangan ion, dan sebagainya dapat digunakan untuk meningkatkan perolehan kembali analit dan/atau menghilangkan pengganggu.
Ekstraksi cair-cair ditentukan oleh distribusi Nerst atau hukum partisi yang menyatakan bahwa ”pada konsentrasi dan tekanan yang konstan, analit
21
akan terdistribusi dalam proporsi yang selalu sama diantara dua pelarut yang saling tidak campur”. Perbandingan konsentrasi pada keadaan setimbang di dalam 2 fase disebut dengan koefisien distribusi atau koefisien partisi (KD) dan diekspresikan dengan:
[S]org KD = ------------[S]aq [S]org dan [S]aq masing-masing merupakan konsentrasi analit dalam fase organik dan dalam fase air; KD merupakan koefisien partisi.
Dalam prakteknya, analit seringkali berada dalam bentuk kimia yang berbeda karena adanya disosiasi (ionisasi), protonasi, dan juga kompleksasi atau polimerisasi karenanya ekspresi yang lebih berguna adalah rasio
distribusi atau rasio partisi (D) yang diekspresikan dengan:
(Cs)org D = ------------(Cs)aq
(Cs)org dan (Cs)aq masing-masing merupakan konsentrasi total analit (dalam segala bentuk) dalam fase organik dan dalam fase air; D merupakan rasio partisi. Jika tidak ada interaksi antar analit yang terjadi dalam kedua fase maka nilai KD dan D adalah identik. Analit yang mempunyai rasio distrbusi besar (10 4 atau lebih) akan mudah terekstraksi ke dalam pelarut organik meskipun proses kesetimbangan (yang berari 100% solut terekstraksi atau tertahan) tidak pernah terjadi.
Kebanyakan ekstraksi dilakukan dengan menggunakan corong pisah dalam waktu beberapa menit. Akan tetapi untuk efektifitas ekstraksi analit dengan rasio distribusi yang kecil (< 1) hanya dapat dicapai dengan
22
mengenakan pelarut baru pada larutan sampel secara terus-menerus. Hal ini dapat dilakuan dengan refluks menggunakan alat yang didisain secara khusus yaitu suatu alat ekstraktor secara terus-menerus.
Alat ekstraksi secara terus-menerus :
pelarut pengekstraksi kurang rapat dibanding dengan larutan yang mengandung solut yang akan diekstraksi.
pelarut pengekstraksi lebih rapat dibanding dengan larutan yang mengandung solut yang akan diekstraksi.
Pelarut organik yang dipilih untuk ekstraksi pelarut adalah: mempunyai kelarutan yang rendah dalam air (<10%), dapat menguap sehingga memudahkan menghilangkan pelarut organik setelah dilakukan ekstraksi, dan mempunyai kemurnian yang tinggi untuk meminimalkan adanya kontaminasi sampel. Pada ekstraksi cair-cair, satu komponen bahan atau lebih dari suatu campuran dipisahkan dengan bantuan pelarut. Proses ini digunakan secara teknis dalam skala besar misalnya untuk memperoleh vitamin, antibiotika, bahan-bahan penyedap, produk-produk minyak bumi dan garam-garam. logam. Proses inipun digunakan untuk membersihkan air limbah dan larutan ekstrak hasil ekstraksi padat cair. Ekstraksi cair-cair terutama digunakan, bila pemisahan campuran dengan cara distilasi tidak mungkin dilakukan (misalnya karena pembentukan aseotrop atau karena kepekaannya terhadap panas) atau tidak ekonomis. Seperti ekstraksi padat-cair, ekstraksi cair-cair selalu terdiri atas sedikitnya dua tahap, yaltu pencampuran secara intensif bahan ekstraksi dengan pelarut, dan pemisahan kedua fasa cair itu sesempurna mungkin. Pada saat pencampuran terjadi perpindahan massa, yaitu ekstrak meninggalkan pelarut yang pertarna (media pembawa) dan masuk ke dalam pelarut kedua (media ekstraksi). Sebagai syarat ekstraksi ini, bahan ekstraksi dan pelarut tidak saling melarut (atau hanya dalam daerah yang sempit). Agar
23
terjadi perpindahan masa yang baik yang berarti performansi ekstraksi yang besar haruslah diusahakan agar terjadi bidang kontak yang seluas mungkin di antara kedua cairan tersebut. Untuk itu salah satu cairan distribusikan menjadi tetes-tetes kecil (misalnya dengan bantuan perkakas pengaduk). Tentu saja pendistribusian ini tidak boleh terlalu jauh, karena akan menyebabkan terbentuknya emulsi
yang tidak dapat lagi atau sukar
sekali dipisah. Turbulensi pada saat mencampur tidak perlu terlalu besar. Yang penting perbedaan konsentrasi sebagai gaya penggerak pada bidang batas tetap ada. Hal ini berarti bahwa bahan yang telah terlarutkan sedapat mungkin segera disingkirkan dari bidang batas. Pada saat pemisahan, cairan yang telah terdistribusi menjadi tetes-tetes hanis menyatu kembali menjadi sebuah fasa homogen dan berdasarkan perbedaan kerapatan yang cukup besar dapat dipisahkan dari cairan yang lain. Berbagai jenis metode pemisahan yang ada, ekstraksi pelarut atau juga disebut juga ekstraksi air merupakan metode pemisahan yang paling baik dan popular. Pemisahan ini dilakukan baik dalam tingkat makro maupun mikro. Prinsip distribusi ini didasarkan pada distribusi zat terlarut dengan perbandingan tertentu antara dua zat pelarut yang tidak saling bercampur. Batasannya adalah zat terlarut dapat ditransfer pada jumlah yang berbeda dalam kedua fase terlarut. Teknik ini dapat digunakan untuk kegunaan preparatif, pemurnian, pemisahan serta analisis pada semua kerja. Berbeda dengan proses retrifikasi, pada ekstraksi tidak terjadi pemisahan segera dari bahan-bahan yang akan diperoleh (ekstrak), melainkan mula-mula hanya terjadi pengumpulan ekstrak (dalam pelarut). Suatu proses ekstraksi biasanya melibatkan tahap-tahap berikut:
1. Mencampurkan bahan ekstrak dengan pelarut dan membiarkannya saling kontak. Dalam hal ini terjadi perpindahan massa dengan cara difusi pada bidang antar muka bahan ekstraksi dan pelarut. Dengan demikian terjadi ekstraksi yang sebenarnya, yaitu pelarut ekstrak.
24
2. Memisahkan larutan ekstrak dari refinat, kebanyakan dengan cara penjernihan atau filtrasi. 3. Mengisolasi ekstrak dari larutan ekstrak dan mendapatkan kembali pelarut. Umumnya dilakukan dengan mendapatkan kembali pelarut. Larutan ekstrak langsung dapat diolah lebih lanjut atau diolah setelah dipekatkan.
Prinsip kerja ekstraksi cair-cair adalah pemisahan senyawa yang mempunyai perbedaan kelarutan pada 2 pelarut yang berbeda. Dakam hal ini ekstraksi cair-cair digunakan untuk memisahkan satu atau lebih senyawa menggunakan dua pelarut yang tidak saling bercampur, dimana senyawa akan terdistribusi di antara dua fase sesuai dengan derajat kelarutannya yang kemudian masing-masing jenuh dan terjadi pemisahan. Prinsip distribusi ini didasarkan pada distribusi zat terlarut dengan perbandingan tertentu antara dua zat pelarut yang tidak saling bercampur. Batasannya adalah zat terlarut dapat ditransfer pada jumlah yang berbeda dalam kedua fase terlarut. Teknik ini dapat digunakan untuk kegunaan prepratif, pemurnian, pemisahan serta analisis pada semua kerja.
25
Gambar 1. Corong Berisi 2 Pelarut Berbeda yang Menunjukkan Adanya 2 Lapisan
Jika fasa yang saling tidak larut dikontakkan, maka dalam keadaan tertentu salah satu komponen akan berpindah dari fasa yang satu ke fasa yang lain. Peristiwa ini disebut perpindahan antar fasa. Pada operasi ekstraksi proses perpindahan massa dari fasa rafinat ke fasa ekstrak mengikuti mekanisme difusi antarfasa. Teori dua film dapat digunakan untuk menjelaskan mekanisme perpindahan massa solute (B) dari fasa umpan ke fasa pelarut. Teori tersebut menjelaskan bahwa perpindahan massa B dimulai dari badan utama fasa cair pertama ke batas antar fasa dan perpindahan massa B dari batas antar fasa ke badan utama fasa cair kedua.
3.
Sistem Penggunaan dalam Ekstraksi Cair-Cair
Dalam ekstraksi cair-cair terdapat dua macam sistem penggunaan yaitu: 1.
Kromatografi fasa normal Fase gerak → non polar ( ex: heksana, isopropil-eter) Fase diam → sangat polar (ex: air) Digunakan untuk memisahkan senyawa polar, sebab senyawa polar akan tertahan lebih lama didalam kolom yang polar, sedangkan senyawa yang non-polar akan keluar lebih awal dari dalam kolom.
2.
Kromatografi fasa terbalik Fase gerak → polar ( ex: air, metanol) Fase diam → non polar (ex: hidrokarbonoktadekana) Digunakan untuk memisahkan senyawa-senyawa non polar.
26
4.
Prosedur Kerja Ekstraksi Cair-Cair
Ekstrak kental yang diperoleh di larutkan dengan etanol secukupnya kemudian dilarutkan dengan pelarut n-heksana dan dimasukkan dalam corong pisah. Ekstrak yang tidak larut kedalam air maupun campuran metanol-air (7:3). Proses ekstraksi selanjutnya menggunakan teknik partisi yaitu mengekstraksi suspensi ekstrak metanol-air dengan pelarut n-heksana menggunakan corong pisah yang diletakan pada sebuah statif untuk memudahan terjadinya pemisahan.
Gambar 2. Alat Ekstraksi Cair-Cair
Partisi dilakukan berulang kali sehingga diperoleh ekstrak n-heksana dan setelah diuapkan pelarutnya diperoleh ekstrak kental. Sisa ekstrak metanol-air diuapkan sampai semua metanol habis menguap. Kemudian bagian ekstrak air yang tersisa dipartisi berulang kali dengan menggunakan pelarut kloroform atau n-butanol jenuh. Hasil partisi kloroform atau n-butanol jenuh ini setelah diuapkan pelarutnya diperoleh ekstrak kental kloroform ataupun n-butanol.
5.
Konsep Ekstraksi Cair-Cair
Ekstraksi cair-cair digunakan untuk memisahkan senyawa atas dasar perbedaan kelarutan pada dua jenis pelarut yang berbeda yang tidak saling
27
bercampur. Jika analit berada dalam pelarut anorganik, maka pelarut yang digunakan adalah pelarut organik, dan sebaliknya. Pada metode ekstraksi cair-cair, ekstraksi dapat dilakukan dengan cara bertahap (batch) atau dengan cara kontinyu. Cara paling sederhana dan banyak dilakukan adalah ekstraksi bertahap. Tekniknya cukup dengan menambahkan pelarut pengekstrak yang tidak bercampur dengan pelarut pertama melalui corong pemisah, kemudian dilakukan pengocokan sampai terjadi kesetimbangan konsentrasi solut pada kedua pelarut. Setelah didiamkan beberapa saat akan terbentuk dua lapisan dan lapisan yang berada di bawah dengan kerapatan lebih besar dapat dipisahkan untuk dilakukan analisis selanjutnya. Cara ini digunakan jika harga D cukup besar (˃ 1000). Bila hal ini terjadi, maka satu kali ekstraksi sudah cukup untuk memperoleh solut secara kuantitatif. Nmaun demikian, ekstraksi akan semakin efektif jika dilakukan berulangkali menggunakan pelarut dengan volume sedikit demi sedikit. Bila suatu zat terlarut membagi diri antara dua cairan yang tak dapat campur, ada suatu hubungan yang pasti antara konsentrasi zat terlarut dalam dua fase pada kesetimbangan. Nernst pertama kalinya memberikan pernyataan yang jelas mengenai hukun distribusi ketika pada tahun 1981 ia menunjukkan bahwa suatu zat terlarut akan membagi dirinya antara dua cairan yang tak dapat campur sedemikian rupa sehingga angka banding konsentrasi pada kesetimbangan adalah konstanta pada suatu temperatur tertentu: = tetapan menyatakan konsentrasi zat terlarut A dalam fase cair 1. Meskipun hubungan ini berlaku cukup baik dalam kasus-kasus tertentu, pada kenyataannya hubungan ini tidaklah eksak. Yang benar, dalam pengertian
termodinamik,
angka
banding
aktivitas
bukannya
rasio
konsentrasi yang seharusnya konstan. Aktivitas suatu spesies kimia dalam satu fase memelihara suatu rasio yang konstan terhadap aktivitas spesies itu dalam fase cair yang lain: = KDADi sini menyatakan aktivitas zat terlarut A dalam fase 1. Tetapan sejati KDA disebut koefisien distribusi dari spesies A.
28
Ekstraksi cair-cair selalu terdiri atas sedikitnya dua tahap, yaitu pencampuran secara intensif bahan ekstraksi dengan pelarut dan pemisahan kedua fasa cair itu sesempurna mungkin. Pada saat pencampuran terjadi perpindahan massa, yaitu ekstrak meninggalkan pelarut yang pertarna (media pembawa) dan masuk ke dalam pelarut kedua (media ekstraksi). Sebagai syarat ekstraksi ini, bahan ekstraksi dan pelarut tidak saling melarut (atau hanya dalam daerah yang sempit). Agar terjadi perpindahan masa yang baik yang berarti performansi ekstraksi yang besar haruslah diusahakan agar terjadi bidang kontak yang seluas mungkin di antara kedua cairan tersebut. Untuk itu salah satu cairan distribusikan menjadi tetes-tetes kecil (misalnya dengan bantuan perkakas pengaduk). Tentu saja pendistribusian ini tidak boleh terlalu jauh karena akan menyebabkan terbentuknya emulsi
yang tidak dapat lagi atau sukar
sekali dipisah. Turbulensi pada saat mencampur tidak perlu terlalu besar. Yang penting perbedaan konsentrasi sebagai gaya penggerak pada bidang batas tetap ada. Hal ini berarti bahwa bahan yang telah terlarutkan sedapat mungkin segera disingkirkan dari bidang batas. Pada saat pemisahan, cairan yang telah terdistribusi menjadi tetes-tetes hanis menyatu kembali menjadi sebuah fasa homogen dan berdasarkan perbedaan kerapatan yang cukup besar dapat dipisahkan dari cairan yang lain.
6.
Keuntungan dan Kerugian Ekstraksi Cair-cair
A. Keuntungan Ekstraksi Cair-Cair 1.
Pelarut yang sedikit akan dapat diperoleh substansi yang relatif banyak.
2.
Peralatannya sederhana
3.
Pemisahannya cepat dan selektif
B. Kerugian Ekstraksi Cair-Cair
29
1.
Tidak dapat menggunakan zat yang termolabil, karena akan mengubah bentuk kimia sehingga koefisien distribusi dan efektifitas pelarut pun berubah
2.
Dapat membentuk emulsi pada saat pengocokan sehingga tidak akan jelas pemisahannya.
2.PERPINDAHAN MASSA ANTAR FASE PADAT – CAIR
30
1. Ekstraksi Padat-Cair (Leaching)
Leaching ialah ekstraksi padat-cair dengan perantara yaitu suatu zat pelarut. Proses ini dimaksudkan untuk mengeluarkan zat terlarut dari suatu padatan atau untuk memurnikan padatan dari cairan yang membuat padatan terkontaminasi, seperti pigmen. Metode yang digunakan untuk ekstraksi akan ditentukan oleh banyaknya zat yang larut, penyebarannya dalam padatan, sifat padatan dan besarnya partikel. Jika zat terlarut menyebar merata di dalam padatan, material yang dekat permukaan akan pertama kali larut terlebih dahulu. Pelarut, kemudian akan menangkap bagian pada lapisan luar sebelum mencapai zat terlarut selanjutnya, dan proses akan menjadi lebih sulit dan laju ekstraksi menjadi turun. Biasanya proses leaching berlangsung dalam tiga tahap, yaitu: Pertama perubahan fase dari zat terlarut yang diambil pada saat zat pelarut meresap masuk. Kedua terjadi proses difusi pada cairan dari dalam partikel padat menuju keluar. Ketiga perpindahan zat terlarut dari padatan ke zat pelarut. Pada ekstraksi padat-cair, satu atau beberapa komponen yang dapat larut dipisahkan dari bahan padat dengan bantuan pelarut. Proses ini digunakan secara teknis dalam skala besar terutama dibidang, industri bahan alami dan makanan, misalnya untuk memperoleh bahan-bahan aktif dari tumbuhan atau organ-organ binatang untuk keperluan farmasi, gula dari umbi, minyak dari biji-bijian, kopi dari biji kopi. Alat-alat ekstraksi tak kontinu dan kontinu berikut ini biasanya merupakan bagian dari suatu instalasi lengkap, yang misalnya terdiri atas: 1. Alat untuk pengolahan awal (pengecilan ukuran, pengeringan) bahan ekstraksi. 2. Ekstraktor yang sebenarnya perlengkapan untuk memisahkan (dengan penjernihan atau penyaringan) larutan ekstrak dari rafinat (seringkali menyatu dengan ekstraktor)
31
3. Peralatan untuk mengisolasi ekstrak atau meningkatkan konsentrasi larutan ekstrak dan memperoleh kembali pelarut (dengan cara penguapan). Keberhasilan
proses
ekstraksi
padat-cair
dipengaruhi
oleh
persiapan umpan, langkah-langkah persiapan padatan, karakteristik padatan serta tujuan dan kendala proses yang berlaku. a. Pada beberapa kasus dijumpai solut yang dilengkapi matrik padatan tak larut untuk mempermudah kontak solute dengan padatan. Pelarutan dilakukan dengan penggilingan padatan, sehingga solute yang semula ditangkap oleh padatan. b. Pengaruh temperatur Pada umumnya temperatur yang lebih tinggi akan lebih menguntungkan sebagian proses ekstraksi padat cair, karena akan meningkatkan harga difusivitas perpindahan massa sebagai perpindahan solute, kelarutan solute dan pelarut. Ada dua jenis ekstraktor yang lazim digunakan pada skala laboratorium, yaitu ekstraktor Soxhlet dan ekstraktor Butt. a. Pada ekstraktor Soxhlet, pelarut dipanaskan dalam labu didih sehingga menghasilkan uap. Uap tersebut kemudian masuk ke kondensor melalui pipa kecil dan keluar dalam fasa cair. Kemudian pelarut masuk ke dalam selongsong berisi padatan. Pelarut akan membasahi sampel dan tertahan di dalam selongsong sampai tinggi pelarut dalam pipa sifon sama dengan tinggi pelarut di selongsong. Kemudian pelarut seluruhnya akan menggejorok masuk kembali ke dalam labu didih dan begitu seterusnya. Peristiwa ini disebut dengan efek sifon. b. Prinsip kerja ekstraktor Butt mirip dengan ekstraktor Soxhlet. Namun pada ekstraktor Butt, uap pelarut naik ke kondensor melalui annulus di antara selongsong dan dinding dalam tabung Butt. Kemudian pelarut masuk ke dalam selongsong langsung lalu keluar dan masuk
32
kembali ke dalam labu didih tanpa efek sifon. Hal ini menyebabkan ekstraksi Butt berlangsung lebih cepat dan berkelanjutan (rapid). Selain itu ekstraksinya juga lebih merata. Ekstraktor Butt dinilai lebih efektif daripada ekstraktor Soxhlet. Jika suatu komponen dari campuran merupakan padatan yang sangat larut dalam pelarut tertentu dan komponen yang lain secara khusus tidak larut, maka proses pemisahan dapat dilakukan dengan pengadukan sederhana dan dengan pelarut tertentu yang diikuti dengan proses penyaringan. Akan tetapi bila komponen terlarut sangat sedikit larut atau disebabkan oleh bentuknya sehingga proses pelarutan sangat lambat, maka perlu dilakukan pemisahan dengan ekstraksi soxhlet. Ekstraksi soxhlet dapat digunakan untuk mengekstraksi larutan dari padatan dengan menggunakan pelarut yang dapat menguap, yang dapat bercampur dengan air ataupun tidak. Pelarutnya diuapkan bila terkondensasi maka akan menetes pada senyawa padat setelah mencapai volume tertentu media pelarut tersebut akan keluar melalui pipa kecil dan terus menuju ke tempat penampungan (labu) proses ini berlangsung terusmenerus pelarut dalam labu diuapkan. Keuntungan dari metode ini antara lain : 1. Sampel terekstraksi dengan sempurna. 2. proses ekstraksi lebih cepat. 3. Pelarut yang digunakan sedikit. Sedangkan kerugian dari metode ini antara lain: 1. Tidak dapat menggunakan bahan yang mempunyai tekstur yang keras dan pengerjaannya rumit 2. Agak lama, karena harus diuapkan di rotavapor untuk mmeperoleh ekstrak kental.
33
Tujuan ekstraksi adalah untuk menarik semua komponen kimia yang terdapat dalam sampel. Ekstraksi ini didasarkan pada perpindahan massa komponen zat padat ke dalam pelarut dimana perpindahan mulai terjadi pada lapisan antar muka, kemudian berdifusi masuk ke dalam pelarut. Untuk mengekstraksi minyak dalam kemiri dapat menggunakan metode ekstraksi soxhlet. Soxhletasi merupakan penyarian sampel secara berkesinambungan, pelarut dipanaskan hingga menguap, uap cairan pelarut terkondensasi menjadi molekul-molekul air oleh pendingin (kondensor) lalu turun mengekstrak sampel dalam ruang soxhlet dan selanjutnya masuk kembali ke dalam labu alas bulat setelah melewati pipa sifon. Dalam proses ekstraksi, pemilihan pelarut yang akan digunakan sangatlah penting. Hal ini juga dapat mempengaruhi hasil yang akan didapatkan dari proses ekstraksi yang dilakukan. Sebagaimana yang kita ketahui bahwa minyak merupakan senyawa yang bersifat non polar sehingga dalam memilih pelarut sebaiknya menggunakan pelarut yang
34
bersifat non polar pula. Biasanya digunakan n-heksan sebagai pelarut yang dapat mearutkan minyak dalam kemiri karena sama-sama bersifat nonpolar. Pelarut yang digunakan (n-heksan) dimasukkan dalam labu alas bulat yang dipanaskan kemudian pelarut berubah menjadi fase uap dan dengan menggunakan kondensor, pelarut yang dalam fase uap tadi berubah menjadi fase cair dan akan jatuh menetesi sampel. Pada proses ini terjadi proses ekstraksi oleh pelarut dimana pelarut akan mengekstrak minyak yang ada pada sampel. Pelarut yang mengikat minyak lama kelamaan akan memenuhi sifon dan jika sifon telah terisi oleh pelarut sampai penuh maka pelarut akan jatuh kembali pada labu alas bulat bersama ekstrak sampel. Proses ini dinamakan satu kali ekstraksi, dan demikian proses ekstraksi oleh pelarut ini terjadi secara berulang-ulang. Semakin banyak frekuensi ekstraksi yang dilakukan maka semakin banyak pula minyak yang akan terekstrak dari sampel kemiri. Setelah ekstraksi telah selesai dilakukan, dilanjutkan dengan proses penguapan dimana proses ini dimaksudkan untuk memisahkan minyak yang diperoleh dari pelarut. Proses penguapan ini dilakukan dengan memanaskan pelarut yang telah bercampur dengan minyak sehingga pelarut yang mempunyai titik didih lebih rendah ini akan menguap sehingga pelarut akan terpisah dari minyak. Untuk proses penguapan pelarut, kita menggunakan alat soxhlet untuk menguapkan pelarut dari ekstrak.
Setelah
dilakukannya
proses
penguapan
dapat
langsung
menghitung berapa banyak minyak yang didapatkan dari proses ekstraksi tersebut.
35
2. Kristalisasi
Kristalisasi pengendapan
adalah
larutan,
proses
melt
pembentukan
(campuran
leleh),
bahan atau
padat lebih
dari jarang
pengendapan langsung dari gas. Kristalisasi juga merupakan teknik pemisahan kimia antara bahan padat-cair, di mana terjadi perpindahan massa (mass transfer) dari suat zat terlarut (solute) dari cairan larutan ke fase kristal padat. Pemisahan secara kristalisasi dilakukan untuk memisahan zat padat dari larutannya dengan jalan menguapkan pelarutnya. Zat padat tersebut dalam keadaan lewat jenuh akan membentuk kristal. Pemisahan dengan teknik kristalisasi didasari atas pelepasan pelarut dari zat terlarutnya dalam sebuah campuran homogeen atau larutan, sehingga terbentuk kristal dari zat terlarutnya. Proses ini adalah salah satu teknik pemisahan padat-cair yang sangat penting dalam industri, karena dapat menghasilkan kemurnian produk hingga 100%.
Kristalisasi empat macam, yaitu: 1. Kristalisasi penguapan Kristalisasi penguapan dilakukan jika zat yang akan dipisahkan tahan terhadap panas dan titik bekunya lebih tinggi daripada titik didih pelarut. 2. Kristalisasi pendinginan. Kristalisasi pendinginan dilakukan dengan cara mendinginkan larutan. Pada saat suhu larutan turun, komponen zat yang memiliki titik beku lebih tinggi akan membeku terlebih dahulu, sementara zat lain masih larut sehingga keduanya dapat dipisahkan dengan cara penyaringan. Zat lain akan turun bersama pelarut sebagai filtrat, sedangkan zat padat tetap tinggal di atas saringan sebagai residu. 3. Pemanasan dan Pendinginan. Metode ini merupakan gabungan dari dua metode diatas. Larutan panas
yang
Jenuh
dialirkan
kedalam
sebuah
ruangan
yang
divakumkan. Sebagian pelarut menguap, panas penguapan diambil dari
36
larutan itu sendiri, sehingga larutan menjadi dingin dan lewat jenuh. Metode ini disebut kristalisasi vakum. 4. Penambahan bahan (zat) lain. Untuk pemisahan bahan organic dari larutan seringkali ditambahkan suatu garam. Garam ini larut lebih baik daripada bahan padat yang dinginkan sehinga terjadi desakan dan membuat bahan padat menjadi terkristalisasi. Pembentukan kristal dapat juga terjadi bila suatu larutan telah melampaui titik jenuhnya. Titik jenuh larutan adalah suatu titik ketika penambahan partikel terlarut sudah tidak dapat menyebabkan partikel tersebut melarut, sehingga terbentuk larutan jenuh. Larutan jenuh adalah larutan yang mengandung jumlah maksimum partikel terlarut pada suatu larutan pada suhu tertentu. Contohnya adalah NaCl ketika mencapai titik jenuh maka akan terbentuk kristal. Berkurangnya air karena penguapan, menyebabkan larutan melewati titik jenuh dan mempercepat terbentuknya kristal.
Syarat – syarat kristalisasi: 1.
Larutan harus jenuh Larutan yang mengandung jumlah zat berlarut berlebihan pada suhu tertentu, sehingga kelebihan itu tidak melarut lagi. Jenuh berarti pelarut telah seimbang zat terlarut atau jika larutan tidak dapat lagi melarutkan zat terlarut, artinya konsentrasinya telah maksimal kalau larutan jenuh suatu zat padat didinginkan perlahan-lahan, sebagian zat terlarut akan mengkristal, dalam arti diperoleh larutan super jenuh atau lewat jenuh.
2.
Larutan harus homogen Partikel-partikel yang sangat kecil tetap tersebar merata biarpun didiamkan dalam waktu lama.
37
3.
Adanya perubahan suhu. Penurunan suhu secara dratis atau kenaikan suhu secara dratis tergantung dari bentuk kristal yang didinginkan.
Pembagian Tahapan Operasi Kristalisasi
Operasi kristalisasi terbagi menjadi: 1. Membuat larutan supersaturasi (lewat jenuh) 2. Pembentukan inti kristal (nuclei ) 3. Pertumbuhan kristal
1. Membuat Larutan Lewat Jenuh (supersaturasi) Bila larutan telah mencapai derajat saturasi tertentu, maka di dalam larutan akan terbentuk zat padat kristaline. Oleh sebab itu derajat supersaturasi larutan merupakan faktor terpenting dalam mengontrol operasi kristalisasi.
2. Pembentukan Inti Kristal Pembentukan Inti Kristal secara sistematis dapat dijelaskan sbb.
a. Primary Nukleus Proses pembentukan inti kristal ini dapat terjadi pada saat larutan telah mencapai derajat supersaturasi yang cukup tinggi. Nukleasi primer dapat terjadi lewat dua cara:
Homogen Nukleus Nukleus disini pembentukannya spontan pada larutan dengan supersaturasi
tinggi,
artinya
nukleus
terbentuk
karena
38
penggabungan molekul-molekul solute sendiri
Heterogen Nukleus Pembentukan inti kristalnya masih dalam supersaturasi tinggi, namun dapat dipercepat dengan adanya partikel-partikel asing seperti debu dan sebagainya. b. Secondary Nukleus (Contact Nucleation) Pembentukan inti kristal dengan akibat dari tumbukan (contact) antar kristal induk ataupun tumbukan antara kristal induk dengan impeler pengaduk, tumbukan dengan dinding kristaliser ataupun gesekan permukaan kristal induk dengan larutan.
3. Pertumbuhan Kristal
Teori Diffusi Solute dari Larutan ke Permukaan Kristal : Proses kristalisasi merupakan kebalikan dari proses kelarutan, sebagai berikut : Kristal didalam larutan membentuk daerah ‘boundary layer’ dipermukaannya. Konsentrasi solute didalam daerah boundary layer ini = konsentrasi
jenuhnya
(saturasi),
karena
selalu
dalam
kondisi
kesetimbangan cair-padat. Bila larutan konsentrasinya supersaturasi ( ΔC+) maka molekul solute akan mendifusi dari larutan kepermukaan kristal (
arah panah dari kiri ke kanan ), kemudian menempel menjadi molekul kristal, artinya kristal akan tumbuh karena mendapat tambahan molekul dipermukaannya. Tetapi bila larutannya belum jenuh ( ΔC-) maka molekul kristal dipermukaan akan larut menjadi solute (arah panah dari kanan ke
kiri).
39
Gambar 2. Difusi Solute dari larutan ke permukaan kristal Dengan : Cs : konsentrasi saturasi (jenuh) ΔC+: Konsentrasi supersaturasi (lewat jenuh) ΔC- : konsentrasi unsaturasi (belum jenuh) CL1; CL1* menunjukkan pengaruh adanya pengadukan dalam larutan, sehingga jarak diffusi lebih pendek, sebaliknya CL2; CL2* menunjukkan tidak adanya pengadukan sehingga jarak diffusi lebih jauh.
3. Adsorbsi Padat-Cair
Adsorpsi padat-cair merupakan salah satu proses pemisahan campuran yang melibatkan proses perpindahan massa zat terlarut dari fasa cair ke fasa padat. Proses adsorpsi padat- cair dapat dilakukan secara perkolasi, dimana pelarut yang mengandung zat terlarut mengalir secara kontinyu dan perlabor melewati padatan/adsorben yang membentuk suatu unggun tetap (fixed bed). Ketika pelarut yang mengandung zat terlarut tersebut kontak dengan adsorben, terjadi perpindahan massa zat terlarut dari pelarut ke permukaan adsorben, sehingga konsentrasi zat terlarut di dalam cairan dan di dalam padatan akan berubah terhadap waktu dan posisinya dalam kolom adsorpsi. Kinerja proses adsorpsi padat-cair sangat bergantung pada dinamika yang terjadi di dalam kolom adsorpsi. Adsorpsi adalah proses penjerapan solut dari fluida ke permukaan
40
padatan. Operasi adsorpsi melibatkan kemampuan padatan untuk menyerap partikel tertentu dari larutan ke permukaannya. Adsorpsi suatu material terjadi saat energi asosisasi dari suatu permukaan padatan menyerang molekul-molekul atau spesies ion dari larutan ke permukaan aktif padatan. Pada keadaan ini diperoleh pemisahan antara komponenkomponen dalam larutan. Terdapat dua tipe adsorpsi, yaitu: 1. Physical adsorption atau Van der Waals adsorption Adsorpsi yang terjadi karena gaya tarik antar molekul dari partikel padatan dan bahan yang diadsorpsi. Sifat adsorsi jenis ini adalah reversibel. 2. Chemisorption atau adsorpsi teraktifkan Adsorpsi yang terjadi akibat interaksi kimia antara padatan dan bahan teradsorpsi. Kekuatan dari ikatan kimia ini berbeda-beda. Daya lekat bahan lebih besar daripada daya lekat bahan pada physical adsorption. Kebanyakan sifat adsorpsi jenis ini adalah ireversibel (Treybal, 1981). Karbon aktif merupakan senyawa karbon amorph dan berpori yang mengandung 85-95% karbon yang dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon (batubara, kulit kelapa, dan sebagainya) atau dari karbon yang diperlakukan dengan cara khusus baik aktivasi kimia maupun fisika untuk mendapatkan permukaan yang lebih luas. Karbon aktif dapat mengadsorpsi gas dan senyawa-senyawa kimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atau volume pori-pori dan luas permukaan. Daya serap karbon aktif sangat besar, yaitu 251000% terhadap berat karbon aktif. Karena hal tersebut maka karbon aktif banyak digunakan oleh kalangan industri. Hampir 60% produksi karbon aktif di dunia ini dimanfaatkan oleh industri-industri gula dan pembersihan minyak dan lemak, kimia dan farmasi. Karbon aktif bersifat sangat aktif dan akan menyerap apa saja yang kontak dengan karbon tersebut. Dalam waktu 60 jam biasanya karbon aktif tersebut manjadi jenuh dan tidak aktif lagi. Oleh karena itu biasanya karbon aktif di kemas dalam kemasan yang kedap udara. Sampai tahap
41
tertentu beberapa jenis karbon aktif meskipun
demikian
tidak
jarang
dapat di reaktivasi kembali,
yang
disarankan
untuk
sekali
pakai. Reaktifasi karbon aktif sangat tergantung dari metode aktivasi sebelumnya, oleh karena itu perlu diperhatikan keterangan pada kemasan produk tersebut. Proses adsorpsi dalam larutan, jumlah zat teradsorpsi tergantung pada beberapa faktor, yaitu : 1. Jenis adsorben Apabila adsorbennya bersifat polar, maka komponen yang bersifat polar akan terikat lebih kuat dibandingkan dengan komponen yang kurang polar. 2. Luas permukaan adsorben Ukuran partikel dan luas permukaan merupakan karakteristik penting karbon aktif sesuai dengan fungsinya sebagai adsorban. Ukuran partikel karbon mempengaruhi tingkat adsorbsi; tingkat adsorbsi naik dengan adanya penurunan ukuran partikel. Oleh karena itu adsorbsi menggunakan karbon PAC (Powdered Acivated Carbon) lebih cepat dibandingkan dengan menggunakan karbon GAC (Granular Acivated Carbon). Kapasitas total adsorbsi karbon tergantung pada luas permukaannya. Ukuran partikel karbon tidak mempengaruhi luas permukaanya. Oleh sebab itu GAC atau PAC dengan berat yang sama memiliki kapasitas adsorbsi yang sama. 3. Konsentrasi zat terlarut Senyawa terlarut memiliki gaya tarik-menarik yang kuat terhadap pelarutnya sehingga lebih sulit diadsorbsi dibandingkan senyawa tidak larut. 4. Temperatur Tingkat adsorbsi naik diikuti dengan kenaikan temperatur dan turun diikuti dengan penurunan temperatur.
42
4.Ion Exchanger (Penukar Ion)
Pertukaran ion didefinisikan sebagai pertukaran ion yang reversibel antara fase padatan dan fase cair yang dalam struktur padatan tidak ada perubahan tetap. Padatan adalah bahan penukar ion, sedangkan ion dapat merupakan zat aktif. Apabila digunakan sebagai suatu pembawa zat aktif, bahan penukar ion memberikan suatu cara untuk mengikat zat aktif pada matriks polimer tak larut dan dapat secara efektif menutup rasa dan arome zat aktif yang akan diformulasikan menjadi tablet kunyah. Resin penukar ion adalah suatu jaringan polimer yang mempunyai gugus fungsi ionik. Ion adalah partikel bermuatan listrik. Berdasarkan muatan listriknya, ada dua jenis ion yaitu ion bermuatan positif dan ion bermuatan negatif. Ion bermuatan positif disebut kation sedangkan ion bermuatan negatif disebut anion. Resin dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu: 1. Resin alami Umumnya yang digunakan adalah zeolit, yaitu mineral yang terdiri dari kristal alumino silikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi. 2. Resin buatan atau sintesis Resin penukar ion sintetis merupakan suatu polimer yang terdiri dari dua bagian yaitu struktur fungsional dan matrik resin yang sukar larut. Resin penukar ion ini dibuat melalui kondensasi phenol dengan formaldehid yang kemudian diikuti dengan reaksi sulfonasi untuk memperoleh resin penukar ion asam kuat. Resin sintesis memiliki kapasitas ion exchange yang lebih besar dari resin alami baik dari segi penukaran kation maupun anion. Biasanya resin sintesis terdiri dari polimerasi material organik syrene dan DVB (divinylbenzene).
Sebagai media penukar ion, maka resin penukar ion harus memenuhi syaratsyarat sebagai berikut agar proses yang dilakukan dapat berlangsung secara maksimal: 43
1. Kapasitas total yang tinggi. Maksudnya resin memiliki kapasitas pertukaran ion yang tinggi. 2. Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan sehingga dapat berulangulang. Resin akan beroperasi dalam cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena itu resin harus tahan terhadap air dan tidak larut dalam pelarut tersebut. 3. Kestabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada range pH yang luas serta tahan terhadap asam dan basa. Demikian pula terhadap oksidasi dan radiasi. 4. Kestabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis. Beberapa faktor yang harus dipenuhi dalam resin penukar ion yaitu : 1.
Partikel yang sama dengan tahanan terobosan relatif kecil,
2.
Stabilitas mekanik yang tinggi,
3.
Tidak larut dalam air dan pelarut yang digunakan,
4.
Tahan terhadap asam dan basa yanng mengoksidasi,
5.
Tahan terhadap suhu,
6.
Dapat digunakan dalam suatu daerah pH yang luas,
7.
Tidak mempunyai daya adsorpsi terhadap ion lawan yang bergerak bebas.
8.
Dapat diregenerasi, dan
9.
Kapasitas penukaran dan aktifitas penukaran sudah tertentu.
Proses penukaran ion merupakan proses yang sering banyak dimanfaatkan dalam bidang pemurnian air sadah. Air sadah adalah air yang mengandung ion logam seperti Ca2+ atau Mg2+. Kesadahan air tidak diharapkan dalam kehidupan
sehari-hari
karena
dapat
membentuk
kerak
dan
dapat
menyebabkan pemakaian air sabun yang banyak. Proses penukaran ion salah satunya adalah dengan menggunakan resin penukar ion.
44
Mekanisme pertukaran ion melibatkan transfer massa dari larutan yang berkonsentrasi tinggi ke padatan resin yang berkonsentrasi rendah. Mekanisme pertukaran ion adalah sebagai berikut: a.
Pergerakan ion dari larutan menuju lapisan(film) atau lapisan perbatasan disekitar padatan/resin
b.
Ion melalui perpindahan massa melewati lapisan menuju ke permukaan padatan/resin
c.
Terjadi perpindahan massa menuju pori-pori padatan karena adanya perbedaan konsentrasi diluar dan didalam resin. Dimana konsentrasi diluar lebih tinggi dibandingkan didalam
d.
Terjadi reaksi pertukaran ion hingga mencapai konsentrasi seimbang
e.
Perpindahan massa melewati lapisan cairan atau lapisan perbatasan disekitar padatan/resin
f.
Ion yang telah dipertukarkan terbawa aliran larutan dan meninggalkan kolom. Pada proses penukaran ion dikenal dengan istilah backwash. Proses
backwash dilakukan setelah tahap sevice atau pemakaian karena setelah pemakaian unggun resin akan memadat dan menggumpal. Pemadatan ini menyebabkan permukaan luas kontak air dengan resin menjadi berkurang sehingga pertukaran ion menjadi kurang efektif. Tujuan diadakannya proses backwash antara lain untuk : 1. Menghilangkan kotoran dan gas
45
Kotoran-kotoran ini disebabkan oleh air sadah yang akan dilewatkan pada resin tidak disaring terlebih dahulu. 2. Memisahkan resin yang menggumpal Resin yang telah mengalami proses service ketinggiannya akan semakin berkurang, karena resin akan semakin menggumpal karena tekanan air dari atas. Hal ini akan semakin mengurangi efisiensi pertukaran ion karena luas permukaan pertukaran ion pada resin semakin berkurang karena penggumpalan tersebut.
3. Mengatur ulang kembali resin Resin yang telah melewati proses backwash akan tersusun kembali dengan baik.
46
3. PERPINDAHAN MASSA GAS– CAIR 1. Teori Transfer Gas
Transfer gas didefinisikan sebagai perpindahan gas dari fase gas ke fase cair atau sebaliknya. Transfer gas melibatkan terjadinya kontak antara udara atau gas lain dengan air atau suatu pelarut yang menyebabkan berpindahnya suatu senyawa dari fase gas ke fase cair atau menguapnya suatu senyawa dari fase cair(dalam bentuk terlarut) menjadi fase gas ( lepas ke udara ). Perpindahan massa zat dari fase gas ke fase cair atau sebaliknya (absorpsi – desorpsi), terjadi bila ada kontak antar permukaan cairan dengan gas atau udara. Mekanisme ini terjadi secara difusi. Gaya penggerak perpindahan massa dari udara ke dalam air atau sebaliknya dikendalikan oleh perbedaan konsentrasi zat dalam larutan dan kelarutan gas pada kondisi tertentu.
Faktor utama yang mempengaruhi kelarutan gas dalam air adalah: suhu air, tekanan parsial gas dalam fase gas, konsentrasi padatan terlarut dalam fase air dan komposisi kimia gas.
Kelarutan gas, tidak seperti kelarutan zat padat dalam air, menurun seiring dengan kenaikan suhu. Pada tekanan parsial sampai 1 atm, konsentrasi keseimbangan gas dalam larutan pada suatu suhu tertentu sebanding dengan tekanan parsial gas dalam air, sesuai dengan hukum Henry:
Cs = H.P
(7.1)
Dimana : Cs = konsentrasi jenuh atau keseimbangan gas dalam larutan, mg/l
P = Tekanan parsial phase gas dalam air,atm H = koefisien kelarutan Henry.
47
Jika kita perhatikan dengan seksama persamaan tersebut dapat kita ketahui bahwa persamaan tersebut merupakan bektuk khusus dari persamaan kesetimbangan gas. Dimana kesetimbangan gas dipengaruhi oleh tekanan parsial gas. Sedangkan tekanan parsial gas diperngaruhi oleh faktor konsentrasi zat serta suhu yang dapat diformulasikan melalui hukum boylecharles yaitu:
PV = βT
Dimana : β = koefisien massa dari gas P = tekanan gas V = volume gas T = tekanan absolute gas
β dalam persamaan tersebut secara umum menyatakan fumgsi jumlah mol gas yang ada, sehingga persamaan gas ideal dapat ditulis kembali menjadi :
PV = nRT
Dimana n merupakan jumlah mol zat dan R merupakan konstanta untuk semua jenis gas. Hukum Henry merupakan hukum yang penting berkaitan dengan kelarutan gas dalam air. Hukum Henry juga berkaitan dengan hukum tekanan gas parsial yang dikemukakan oleh Dalton yang berbunyi “ pada
campuran gas, seperti udara, setiap jenis gas yang ada memiliki tekanan yang tidak bergantung terhadap yang lainnya. Tekanan parsial setiap jenis gas sebanding dengan jumlah (persen volume) gas dalam campuran...”.
48
Hukum Henry banyak digunakan pada gas-gas yang sering dijumpai dalam teknik pengolahan air dan air limbah seperti oksigen, metana, karbondioksida, dan hidrogen sulfida.
Bila permukaan air dipaparkan dengan udara atau gas dan belum terjadi kesetimbangan sebelumnya, maka secara serentak dan segera pada bidang kontak antar fase akan jenuh dengan gas dan gas ditransportasikan ke badan air dengan proses difusi molekuler sebagai berikut :
(7.2)
dimana : ∂∂mt = Laju perpindahan gas melintas permukaan area bidang kontak
D
= koefisien difusi molekuler
∂ c ∂ x
= Gradien konsentrasi pada interface.
Model secara fisik dari konsep persamaan 7.2 ditunjukkan dalam Gambar 7.1. Bulk Gas Well Mixed
(Turbulen area)
Interface
Pg Fixed Gas Film
(Laminer area) Pi
Fixed Liquid Film
Ci=Cs
(laminer area) CL
49
(Turbulen area) Bulk Liquid Well Mixed. Gambar 7.1 Model transfer gas dua-film
Diasumsikan bahwa tahanan pada perpindahan gas berada dalam lapisan tetap (fixed film) gas dan cair pada antar bidang (interface) gas cair. Perpindahan gas melintasi bidang permukaan lapisan gas menunjukkan adanya gradien tekanan dalam lapisan gas dan oleh sebab itu tekanan gas pada bidang permukaan (interface), Pi lebih rendah dari tekanan bulk gas, Pg. Perpindahan gas terjadi dalam dua langkah (1) perpindahan dari keseluruhan fase gas dengan tekanan gas (P g) ke interface, dengan tekanan parsial gas (Pi), selanjutnya dikonversi ke fase liquid dengan konsentrasi C i, (2) Transformasi dalam fase cair ke bulk liquid dengan konsentrasi (C L). Perpindahan ini dapat terjadi dalam dua arah tergantung pada perbedaan konsentrasi CL dan Ci. Jika CL > Ci dan Pi > Pg maka terjadi pelepasan gas dari fase cair ke fase gas. Laju perpindahan gas melintas bidang permukaan A dinyatakan dalam persamaan:
(7.3).
Untuk menyatakan massa gas dalam bentuk konsentrasi maka satuan massa gas dibagi dengan volume cairan yang ada dan disederhanakan maka diperoleh persamaan :
( 7.4 )
50
Dimana :
a = A/V KL = koefisien transfer dalam fase cair. KG = koefisien transfer dalam fase gas. NA = Laju perpindahan massa,
Persamaan (7.4) dapat ditulis dalam bentuk yang lebih sederhana, yaitu:
(7.5)
-1
di mana:
KLa = koefisien transfer total, jam Cs = konsentrasi gas jenuh, mg/l C = konsentrasi gas dalam cairan mg/l
Aerator untuk perpindahan oksigen ditentukan berdasar pada kapasitas oksigenasinya (OC), yang didefinisikan sebagai laju suplai
oksigen oleh aerator ke dalam air bersih pada kondisi standar (20°C, 1 atm). Oxygenation Capacity (OC) dapat dituliskan: Nilai KLa dapat ditentukan dalam skala percobaan dengan melakukan integrasi terhadap persamaan (7.5) diperoleh persamaan garis : Dari data percobaan dengan konsentrasi awal oksigen Ci dan
51
konsentrasi oksigen dalam interval waktu percobaan Ct, maka dapat diplot ln(Cs-Ct) Vs t, maka diperoleh garis lurus dengan besarnya sudut arah (slope) adalah KLa.
2. Aerasi
Aerasi merupakan istilah lain dari transfer gas dengan penyempitan makna, lebih dikhususkan pada transfer gas (khususnya oksigen) dari fase gas ke fase cair. Faktor-faktor yang mempengaruhi perpindahan oksigen adalah (1) suhu, (2) kejenuhan oksigen, (3) karakteristik air, dan (4) derajat turbulensi.
Pengaruh Suhu
Koefisien penyerapan oksigen k La meningkat seiring dengan kenaikan suhu, karena suhu dalam air akan mempengaruhi tingkat difusi, tegangan permukaan dan kekentalan air. Kemampuan difusi oksigen meningkat dengan peningkatan suhu, sedang tegangan permukaan dan kekentalan menurun seiring dengan kenaikan suhu. Pengaruh suhu pada berbagai faktor tersebut dirangkum dalam persamaan dengan koefisien empiris (f) sbb :
(kl .a)20 = (kl .a)T f (20−T )
(7.9)
Nilai f untuk aerasi permukaan umumnya memiliki rentang nilai 1,012 – 1,047.
52
Kejenuhan Oksigen
Konsentrasi jenuh oksigen dalam air tergantung pada derajat salinitas air, suhu, dan tekanan parsial oksigen yang berkontak dengan air. Eckenfelder
dan
O’Connor
dalam
Benefield
dan
Randal
(1982)
menyarankan bahwa konsentrasi jenuh dapat ditentukan dari persamaan berikut :
475 − 2,65S
(C ) =
(7.10)
s 760 33,5 +T
dimana :
(Cs)760 = nilai kejenuhan oksigen pada tekanan udara 760 mm Hg, mg/l S = konsentrasi padatan terlarut dalam air, gram/l T = suhu, °C
Nilai konsentrasi jenuh oksigen pada persamaan (7.10) dapat dikoreksi untuk tekanan udara barometrik dengan pernyataan:
P−p = (C )
C
s
s 760
(7. 11) 760 − p
P menyatakan tekanan barometrik dalam mm Hg dan p menyatakan tekanan jenuh uap air pada suhu air yang diaerasi. Tekanan jenuh uap air pada berbagai suhu disampaikan pada tabel 7.1.
53
Tabel 7.1 Tekanan Uap Air yang Berkontak dengan Udara
Suhu °C
Tekanan uap (mm Hg)
0
4,5
5
6,5
10
9,2
15
12,8
20
17,5
25
23,8
30
31,8
Sumber: Benefield L.D & Randall (1982)
Karakteristik Air
Dalam praktek ada perbedaan nilai K La untuk air bersih dengan K La air limbah yang mengandung materi tersuspensi, surfactant (detergen) dalam larutan dan perbedan temperatur. Faktor-faktor ini juga mempengaruhi nilai Cs. Pengaruh faktor ini, dikoreksi dengan menggunakan koefisien empirik ( ) untuk pengaruh padatan tersuspensi dan surfactant dan ( ) untuk pengaruh perbedaan temperatur.
KLa (air lim bah) (7.12) α = KLa (air bersih)
Cs (air lim bah)
(7.13)
β = Cs (air bersih)
Nilai tipikal α untuk surface aerator berkisar 0,8 – 1,2 dan nilai
berkisar
0,9 – 1.
54
Derajat Turbulensi
Derajat turbulensi dalam tangki aerasi akan mempengaruhi nilai sebagai berikut : 1. Turbulensi akan menurunkan derajat tahanan liquid – film. 2. Turbulensi akan meningkatkan laju perpindahan masa oksigen karena terjadi percepatan laju pergantian permukaan bidang kontak, yang berakibat pada defisit oksigen (driving-force, C ) tetap terjaga konstan. 3. Turbulensi
secara
langsung
akan
meningkatkan
nilai
koefisien
perpindahan oksigen (KLa).
55
3. Stripping
"stripping" merupakan istilah lain dari transfer gas dengan penyempitan makna, lebih dikhususkan pada transfer gas dari fase cair ke fase gas. Jenis peralatan stripping untuk penyisihan ammonia umumnya adalah menara dengan sistem counter-current antara udara (upflow) dan air (downflow). Menara dilengkapi dengan kipas , rak untuk mendistribusikan air, lubang untuk pengeluaran gas, dan sebagainya.
Dasar perancangan ammonia stripping menggunakan persamaan Henry's sebagai berikut:
pA = m X
(7.14)
Dimana :
56
Tabel 7.2 Tekanan Parsial Ammonia Suhu, oC
Tekanan parsial ammonia,
X
pA (mmHg)
(gr NH3/106 gr air)
0
0,0112
50
10
0,0189
50
20
0,0300
50
25
0,0370
50
30
0,0479
50
40
0,0770
50
50
0,1110
50
Sumber: Qasim et al. (2000)
Kadar ammonia setimbang dalam campuran udara dinyatakan sebagai ratio massa atau berat, dihubungkan dengan tekanan parsial sebagai berikut:
dalam hal ini:
Y* = ratio massa atau berat ammonia Pt = tekanan total atmosfer, mmHg pA = tekanan parsial ammonia, mmHg
MA = merat molekul ammonia, 17 gr/gr mol
Mudara = berat molekul udara, 29 gr/gr mol
57
4. Absorbsi
Absorbsi adalah operasi penyerapan komponen-komponen yang terdapat di dalam gas dengan menggunakan cairan, sehingga tingkat absorbsi gas akan sebanding dengan daya kelarutan gas tersebut dalam cairan. Proses ini melibatkan difusi molekuler dan turbulen atau perpindahan massa solute A melalui gas B diam menembus cairan C diam. Peristiwa ini mengikuti prinsip kecenderungan kelarutan solute A di dalam cairan (pelarut). Tujuan dari proses absorbsi adalah : 1)
Untuk mendapatkan senyawa yang bernilai tinggi dari campuran gas atau uap.
2)
Untuk mengeluarkan senyawa yang tidak diinginkan dari produk.
3)
Pembentukan persenyawaan kimia dari absorben dengan salah satu senyawa dalam campuran gas. Bila gas dikontakkan dengan zat cair, maka sejumlah molekul gas
akan meresap dalam zat cair dan juga terjadi sebaliknya, sejumlah molekul gas meninggalkan zat cair yang melarutkannya. Dengan bertambahnya waktu, pada suatu ketika akan terjadi dimana kecepatan pelarutan gas sama besar dengan kecepatan pelepasan gas. Keadaan ini disebut keadaan setimbang. Tekanan yang diukur pada keadaan ini juga disebut tekanan setimbang pada temperature tertentu. Zat cair yang masuk bisa berupa pelarut murni atau larutan encer zat terlarut di dalam pelarut didistribusikan di atas isian itu dengan distributor, sehingga pada operasi yang ideal, membasahi permukaan isian itu secara seragam. Beberapa hal yang mempengaruhi absorbsi gas ke dalam cairan : 1.
Temperature operasi.
2.
Tekanan operasi.
3.
Konsentrasi komponen di dalam cairan.
4.
konsentrasi komponen di dalam aliran gas.
5.
Luas bidang kontak.
6.
Lama waktu kontak.
58
Beberapa jenis menara absorbsi : a)
Menara absorbsi dengan benda isi (packing column).
Alat ini memakai metoda pengabsorpsian gas yang paling umum. Alat ini mirip dengan alat yang dipergunakan untuk distilasi atau eksraksi pelarut dan dapat dipaking dengan cincin Raschig, pelana Berl atau tipe-tipe paking lainnya. Paking disini gunanya untuk memperbesar permukaan kontak dengan jala penyebaran zat cair dan penyebaran gas. Cairan disemprotkan ke bagian puncak kolom dan secara vertical ke bawah akan bertemu dengan aliran gas-gas yang berlawanan arah yang melalui kolom tersebut. Cairan yang
berisi gas-gas terlarut akan meninggalkan dasar
kolom dan gas yang tak larut akan keluar melalui puncak kolom. Cairan tersebut dapat dipergunakan kembali ( recycle ) seperti proses semula sampai tidak terdapat lagi gas atau gas-gas terlarutnya dihilangkan dan cairan dapat digunakan kembali.
b)
Menara absorbsi dengan pelat atau piringan.
Bentuk dari pelat/piringan ayak atau piring berlubang (sieve tray) dan pelat golakan (bubble cup). Pelat ayakan terdiri dari pelat yang berlobang yang dipasang horizontal dalam kolom dengan diameter lobang berkisar sekitar 6-25 mm, sedangkan pada sisi tepian diberi tepian limpahan. Zat cair mengalir melalui tepian ke dalam ruang limpahan, zat cair dari atas mengalir ke bawah dengan gravitasi dengan pola berliku-liku melalui pelat. Gas mengalir naik ke atas melalui lubang yang ada pada piring (perforasi) dan kontak dengan cairan membentuk gelembung-gelembung gas yang kecil-kecil. Pelat golakan (bubble cup) berupa lubang-lubang bulat dengan ditambahkan cup dan aluran atau cerebong kecil diatasnya. Gas yang akan diabsorpsi mengalir lewat lubang dan cerobong dan berkontak dengan cairan.
59
c)
Menara absorbsi dengan penyemprot. Tipe ini berukuran pendek berupa menara yang tidak dilengkapi
dengan paking. Ke dalam menara ini cairan diisikan dari puncak berupa semprotan yang sangat halus. Proses penyemprotan ini dilakukan untuk memperbanyak luasmukaan dengan bantuan penyemprotan. Pembagian zat cair ini diatur agar menjadi percikan kecil yang banyak.
d)
Pembersih Pancar (Jet Scrubber) Cairan pengabsorpsi ditarik oleh gaya tekan melalui pipa dan
masuk ke dalam lubang. Kemudian cairan disemprotkan ke ruangan dimana gas-gas yang terdapat diserap dan diisap.
Pada absorbsi sendiri ada dua macam proses yaitu : a.
Absorbsi fisik
Absorbsi fisik merupakan absorbsi dimana gas terlarut dalam cairan penyerap tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh absorbsi ini adalah absorbsi gas H2S dengan air, metanol, propilen, dan karbonat. Penyerapan terjadi karena adanya interaksi fisik, difusi gas ke dalam air, atau pelarutan gas ke fase cair b.
Absorbsi kimia
Absorbsi kimia merupakan absorbsi dimana gas terlarut didalam larutan penyerap disertai dengan adanya reaksi kimia. Contoh absorbsi ini adalah absorbsi dengan adanya larutan MEA, NaOH, K2CO3, dan sebagainya. Aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO2 pada pabrik amoniak. Penggunaan absorbsi kimia pada fase kering sering digunakan untuk mengeluarkan zat terlarut secara lebih sempurna dari campuran gasnya. Keuntungan absorbsi kimia adalah meningkatnya koefisien perpindahan massa gas, sebagian dari perubahan ini disebabkan makin besarnya luas efektif permukaan. Absorbsi kimia dapat juga berlangsung di daerah yang hampir stagnan disamping penangkapan dinamik.
60
5. Operasi dan Peralatan Transfer Gas Peralatan untuk perpindahan massa dari fase gas ke fase cair atau sebaliknya dapat dibedakan dalam beberapa jenis sesuai dengan sifat operasinya, yaitu: (1) Gravitasi / jatuhan Peristiwa perpindahan massa dari cair ke gas dengan menggunakan prinsip gravitasi, contohnya pada alat packing column. (2) Semprotan Peristiwa perpindahan massa dari cair ke gas yang dilakukan dengan cara menyemprotkan suatu cairan yang akan dikontakkan ke dalam suatu ruang yang berisi gas, lalu gas tersebut akan terdifusi ke dalam cairan. Hal ini dapat dilihat pada alat spray column. (3) Diffuser Merupakan alat sirkulasi yang dapat memberikan pengaruh suhu udara di dalam ruangan tersebar secara merata, dan terjadi perpindahan massa dari fase cair ke fase gas. Contohnya adalah humidifier.
61
5.Humidifikasi
Dalam pemrosesan bahan sering diperlukan untuk menentukan uap air dalam aliran gas. Operasi ini dikenal sebagai proses humidifikasi. Dalam humidifikasi, kadar dapat ditingkatkan dengan melewatkan aliran gas di atas cairan yang kemudian akan menguap ke dalam aliran gas. Perpindahan ke aliran utama berlangsung dengan cara difusi dan pada
perbatasan
(interface) perpindahan panas dan massa yang
berlangsung
terus
menerus.
Arah aliran proses humidifikasi tergantung dari cara mengatur
valve yang ada. Gas yang masuk mengalir pada pipa orifice mempunyai beda tekanan tertentu. Proses humidifikasi, merupakan suatu proses yang dapat menambah kadar air dalam gas. Dalam prosesnya ada dua cara yaitu dengan pemanasan dan tanpa pemanasan. Arah aliran kedua proses tersebut berbeda tergantung bagaimana kita dapat mengatur buka tutupnya valve. Pada proses ini, gas dikontakan dengan air yang berada di dalam labu secara counter current dimana air mengalir dari atas dan gas/udara menngalir ke atas dari bawah, dengan laju alir sirkulasi air tertentu. Data yang diambil adalah suhu gas masuk (Td in dan Tw in), suhu gas keluar ( Td out dan Tw out), dan beda tekanan di dalam labu. Istilah dalam proses humidifikasi 1. Kelembaban yaitu massa uap yang dibawa oleh satu satuan massa gas bebas uap, karena itu humidity hanya bergantung pada tekanan bagian uap di dalam campuran bila tekanan total tetap. 2. Suhu bola basah yaitu suhu pada keadaan tunak dan tidak berkesetimbangan yang dicapai bila suatu massa kecil dari zat cair dikontakkan dalam keadaan adiatik di dalam arus gas yang kontinue. 3. Kelembaban jenuh yaitu udara dalam uap air yang berkesetimbangan dengan air pada suhu dan tekanan tertentu. Dalam campuran ini,
62
tekanan parsial uap air dalam campuran udara-air adalah sama tekanan uap air murni pada temperatur terntentu. 4. Kelembaban relatif yaitu ratio antara tekanan bagian dan tekanan uap zat cair pada suhu gas. Besaran ini dinyatakan dalam persen (%) sehingga kelembaban 100% berarti gas jenuh sedang kelembaban 0% berarti gas bebas uap. 5. Kalor lembab yaitu energi kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu satuan massa beserta uap yang dikandungnya sebesar satu derajat satuan suhu. 6. Entalpi lembab adalah entalpi satu satuan massa gas ditambah uap yang terkandung di dalamnya. 7. Volume lembab adalah volume total stu satuan massa bebas uap beserta uap yang dikandungnya pada tekanan 1 atm. 8.
Titik embun campuran udara-uap air adalah temperatur pada saat gas telah jenuh oleh uap air.
Ada beberapa jenis pelembab udara yaitu: 1.
Vaporizer (uap humidifier) Salah
satu
jenis
evaporative
humidifier
memanfaatkan
hanya reservoir dan sumbu. Kadang-kadang disebut humidifier alami, ini biasanya non-komersial, perangkatnya yang dapat dirakit atau tanpa biaya. Salah satu versi dari humidifier alami menggunakan mangkuk stainless steel, sebagian diisi dengan air, ditutupi oleh handuk. Berat A digunakan untuk wastafel handuk di tengah mangkuk. Tidak perlu untuk kipas angin sebagai air menyebar melalui handuk dengan aksi kapiler dan luas permukaan handuk cukup besar untuk menyediakan penguapan cepat. Mangkuk stainless steel jauh lebih mudah dan bersih dari tangki air humidifier. Hal ini, kombinasi untuk setiap hari penggantian handuk, dapat menghilangkan masalah dengan jamur dan bakteri.
63
Sebuah humidifier untuk melembabkan sel bahan bakar terdiri dari humidifier sisi anoda dan katoda sisi humidifier masing-masing memiliki sejumlah modul membran serat berongga untuk migrasi kelembaban antara pasokan gas yang dipasok ke sel bahan bakar, dan gas buang, yang kelelahan dari sel bahan bakar untuk melembabkan sehingga pasokan gas, yang humidifier terdiri dari sepasang kepala yang memegang kedua ujung modul
membran
serat
berongga,
anggota
menghubungkan
yang
menghubungkan masing-masing kepala, dan perangkat untuk pemanasan pasokan gas terdiri dari saluran melalui mana media pendinginan kelelahan dari sel bahan bakar dilewatkan. Perangkat untuk pemanasan gas pasokan dikonfigurasi sehingga menghangatkan humidifier pada sisi outlet dari pasokan gas, dan kemudian menghangatkan humidifier pada sisi inlet dari pasokan gas. Sebuah
perangkat
CPAP
meliputi
humidifier
termasuk
bak
humidifier memiliki panas melakukan plat dasar, dan cradle untuk mendukung bak humidifier dalam posisi operasi. Cradle juga dapat mendukung
generator
aliran
dalam
kaitannya
operasi
ke
bak
humidifier. Cradle termasuk piring pemanas dalam komunikasi dengan panas melakukan base plate dari bak humidifier digunakan. Cradle selanjutnya meliputi mekanisme penahan untuk mempertahankan bak humidifier dalam buaian, mekanisme mempertahankan yang terstruktur untuk
memaksa
pelat
dasar
menjadi
keterlibatan
dengan
pelat
pemanas. Generator humidifier dan / atau aliran dapat mencakup berbagai fitur untuk mengelola kembali spill air dari humidifier ke generator mengalir.
2.
Impeller humidifier Sebuah disk berputar air pada diffuser, yang memecah air menjadi
tetesan halus yang melayang ke udara.
64
3.
Ultrasonic humidifier Sebuah diafragma
logam
yang
bergetar
pada
frekuensi
ultrasonik menciptakan tetesan air yang perlahan-lahan keluar humidifier dalam bentuk kabut dingin. Humidifier ultrasonik menggunakan transduser piezo-listrik untuk menciptakan mekanik osilasi frekuensi tinggi dalam air. Air tersebut mencoba untuk mengikuti osilasi frekuensi tinggi tetapi tidak bisa karena berat komparatif dan inersia massa. Dengan demikian, kekosongan sesaat dibuat pada osilasi negatif, menyebabkan air untuk menjadi uap. Transduser mengikuti kekosongan sesaat dengan osilasi positif yang menciptakan gelombang tekanan kompresi yang tinggi di permukaan air, melepaskan molekul-molekul uap kecil air ke udara. Ini adalah kabut sangat halus, sekitar satu mikrometer diameternya, yang dengan cepat diserap ke dalam aliran udara. Berbeda dengan humidifier bahwa air mendidih, air tetesan ini mengandung kotoran yang berada di reservoir, termasuk mineral dari air keras (yang kemudian sulit untuk menghilangkan debu putih pada benda-benda terdekat dan furnitur), dan patogen tumbuh di tangki stagnan. Humidifier ultrasonik harus dibersihkan secara teratur untuk menghindari kontaminasi bakteri yang dapat diproyeksikan ke udara.
Impeller dan ultrasonik humidifier tidak selektif menaruh air di udara, mereka juga menambahkan materi tersuspensi dalam air ke udara seperti mikroorganisme dan mineral. Jumlah mineral dan bahan lainnya dapat sangat dikurangi dengan menggunakan air suling, meskipun tidak ada air yang benar-benar murni. Pada proses humidifikasi yaitu proses penambahan kandungan air dalam udara dilakukan dalam dua proses yaitu dengan dan tanpa pemanasan. Dengan bertambahnya jumlah aliran air yang dikontakkan dengan udara proses maka akan meningkatkan kandungan air dalam udara sampai mencapai kondisi jenuh. Pada proses humidifikasi dengan pemanasan jumlah kandungan air yang diserap oleh udara makin besar. Ini
65
disebabkan karena dengan pemanasan maka temperatur udara akan naik sementara kelembaban relatifnya menjadi turun sehingga kemampuan udara di dalam menangkap air lebih besar bila dibandingkan dengan yang tanpa pemanasan. Contoh aplikasi humidifier pada industri kimia adalah pengeringan gas dan menara pendingin (cooling tower). 1.
Proses Pengeringan Gas
Cairan dan uap yang di kandung oleh gas alam yang di produksikan dari reservoir harus di pisahkan agar memenuhi syarat lebih kecil dari 2 – 4 lb/MMSCF. Jika produksi gas kandungan airnya lebih besar dari syarat maka harus di lakukan proses lebih dahulu sebelum di jual, di bakar sebagai bahan bakar dan di kirim ke konsumen, tujuan proses ini adalah : 1.
Mencegah terjadinya hydrate dalam pipa transmisi.
2.
Menyesuaikan syarat kontrak yang telah di tetapkan.
3.
Mencegah korosi dan
4.
Mencegah terjadinya pembekuan pada proses pendinginan.
Dehydration adalah adalah proses pengolahan gas alam untuk mengurangi dan mengeluarkan kandungan air. Teknik dehydration tediri dari : 1.
Absortion menggunakan liquid desiccant (desikan cair)
2.
Adsorption menggunakan solid desiccant (desikan padat) Dehydration dengan menggunakan pendingin.
3. 2.
Cooling Tower
Cooling tower adalah suatu alat yang dipergunakan untuk memindahkan sejumlah panas dari suatu fluida ke fluida yang lain.
Cooling tower ini beroperasi menurut prinsip difusi, dimana adanya perubahan temperatur
dapat mengakibatkan perbedaan besarnya laju
66
perpindahan massa yang terjadi. Besarnya laju perpindahan massa dipengaruhi oleh luas daerah kontak antara fluida panas dan fluida dingin. Didalam industri kimia, cooling tower banyak sekali digunakan untuk mendinginkan air, air digunakan sebagai fluida dingin pada proses dengan udara, sehingga air tersebut dapat dipergunakan kembali pada proses berikutnya. Pada operasi cooling tower tersebut bukan hanya panas laten saja diperhatikan , tetapi juga panas sensibel. Bial terjadi kontak antara air panas dan air dingin, maka udara akan mendinginkan air sehingga temperatur udara meningkat, hal demikian menyebabkan timbulnya panas sensibel dari air sekitar 15% dari panas sensibel yang berpindah ke menara. Selama operasi tersebut ada air yang hilang. Uap air melalui cooling tower dan keluar atmosfer. Untuk operasi normal yang hilang mendekati 0,2 % dari jumlah volume air yang disirkulasikan pada setiap range pendingin 10. Kurang lebih 1 % setiap perbedaan temperatur 12 dalam 1000 btu/lb air yang diuapkan. Macam – Macam Cooling Tower Cooling tower terbagi beberapa macam antara lain: 1.
Berdasarkan arah aliran udara masuk
a.
Cross flow
b.
Counter current flow
2.
Berdasarkan cara pemakaian alat bantu seperti fan atau blower
a.
Induced draft, yaitu alat bantu berada dibagian puncak tower
b.
Force draft, yaitu alat bantu berada dibagian bawah tower
3.
Berdasarkan kondisi aliran udara bebas tanpa alat pembantu
a.
Atmosphere (udara pada kondisi atmosphereric mengalir bebas tanpa memakai penutup tower)
b.
Natural draft (udara mengalir dalam udara pendinginan dari tower namun kondisi udara belum tentu atmospheric)
c.
Mechanical Draft (menggunakan fan untuk sirkulasi udara)
67
Tipe – Tipe Dasar Cooling Tower Tipe-tipe dasar cooling tower secara garis besar dapat dibagi menjadi 2 bagian besar yaitu : 1.
Evaporasi Cooling Tower atau Wet Cooling Tower
Transfer panas dari hot water menjadi cool water menggunakan proses transfer panas lewat evaporasi. Tiga perbedaan mendasar pada desain evaporasi cooling tower yaitu:
a.
Atmospherics Cooling Tower
b.
Natural Draft Cooling Tower
c.
Mechanical Draft Cooling Tower
Pada evaporasi cooling tower (ECT) panas yang dibuang berada pada keadaan atmosfer dibawa oleh sirkulasi cooling water dan terjadi kontak dengan udara. Pendinginan lebih baik dari pada evaporasi karena sedikit porsi atau persediaan air yang dapat menyebabkan perpindahan panas (PP) dari air keudara, air dipanaskan dalam kondensor steam kemudian dipompa untuk didistribusikan ketower bagian atas. Dan air yang dijatuhkan dengan grafitasi dengan aliran fill tower sebagai aliran udara pada seksi fill. Kesimpulannya dalam cooling dari air pada ambient wet bulb, temperature dan perpindahan panas latent ke udara, yang terjadi pada keadaan saturasi. Proses pendinginan pada proses evaporasi, air panas dibawa masuk dan langsung kontak dengan air pendingin. Ketika air masuk cooling
tower, yamg mengandung kelembaban yang biasanya dibawah saturasi yang muncul tiba-tiba pada temperature tinggi dan dengan kandungan kelembaban atau mendekati saturasi. Pendinginan secara evaporasi terjadi ketika air masuk berupa saturated karena seperti temperature air yang meningkat dalam proses panas sensible absorbsi air, juga peningkatan kapasitas air yang dibawa dan evaporasi dilanjutkan. Perhitungan proses evaporasi antara 65%-75% dari total transfer panas, sisanya ditransfer proses transfer panas sensible.
68
Dari ketiga tipe dari cooling tower sebagai tempat panas mempunyai termal efisien yang paling besar tapi konsumsi airnya paling banyak dan mempunyai visible vapor volume yang besar ketika modul mechanical
draft cooling tower disusun dalam sebuah jajaran, dapat terjadi ground fogging. Ini bisa diperkecil dengan menggunakan natural draft tower dan dapat direduksi dengan modularized mechanical draft tower ketika disusun dalam circular fashion. 2.
Non evaporative Cooling Tower atau Dry Cooling Tower
Transfer panas dari hot water menjadi cold water menggunakan transfer panas sensible. Terdapat 3 jenis dessain untuk tipe non
evaporative cooling tower : a.
Air Cooled Tower Cndenser
Air cooled condensers digunakan sebagai air cooled steam surface condensers untuk mentransfer panas yang ditolak dari
cycle ke
atmospherics cooling air. b.
Air Cooled Heat Exchanger Cooling Air Flow.
Air Cooled Heat Exchanger digunakn sebagi air cooled heat exchanger dimana panas ditrasfer dari air cooled condenser atau air cooled heat exchanger dengan konveksi sebagai panas sensible. c.
Wet-Dry Cooling Tower
Cooling Air flow dibagi dua tipe, yaitu; 1.
Tipe direct condencing
2.
Tipe Heat Exchanger
Pada proses nonevaporasi air panas dipisahkan dari udara dingin dengan means of thin metals walls, biasanya tubenya circular cross section tapi kadang elliptical cross section. Karena laju transfer panas yang rendah dari permungkaan pada udara pada tekanan atm, dibuat sisi udara dengan permungkaan yang panjang dengan fin dalam beragam geometri. Perpindahan panas pada permungkaan biasanya melewati dua atau lebih dalam sisi air dan single pass, cross flow dalam sisi udara.
69
Perpindahan panas sensible melewati tube dan dari permukaan yang panjang dan responsible untuk semua panas yang diberikan oleh air dan akan diabsorbsi oleh udara pendingin. Temperatur air akan turun dan temperature udara akan meningkat. Nonevaporative cooling tower dapat digunakan sebagai air cooled vapor condenser dan biasanya dikerjakan sebagai condensing steam. Steam dikondensat didalam tube pada temperature konstan, memberikan panas vaporasi laten untuk udara pendingin yang kemudian akan menaikkan temperature. Limit teoritis untuk pendinginan adalah temperature udara masuk. Dry cooling tower
(nonevaporasi) menggunakan heat exchanger dengan permungkaan yang panjang untuk panas yang ditolak keatmosfer dengan fluida sirkulasi juga aliran udara ambient diatas tube luar dan permungkaan yang panjang meningkatkan transfer panas konveksi sebagai hasil dari peningkatan kontak area. Gabungan dari dua tipe dasar diatas dengan dua proses pendinginan yang digunakan secara paralel atau terpisah. Jika udara kering pada temperatur konstan dijenuhkan dengan air pada temperatur yang sama dalam suatu peralatan kontak langsung. Uap air akan masuk keudara dengan membawa panas latentnya. Humiditas campuran udara-uap air akan meningkat selama penjenuhan, karena tekanan uap dari air yang berpindah dari lingkungan air lebih besar dari tekanan uapnya dalam udara tak jenuh sehingga penguapan dapat terjadi. Dan bila tekanan uap dari air diudara
sama
dengan
terhenti.perpindahan
cairannya,
material
dan
maka
perbedaan
penguapan teklanan
uap
akan (beda
konsentrasi) disebut difusi. 2.1. Fungsi Cooling Tower
Cooling tower sangat dibutuhkan oleh industri sebab cooling tower merupakan bagian dari utilitas yang banyak digunakan. Dimana cooling
tower memproses air yang panas menjadi air yang dingin yang digunakan kembali yang bisa dirotasikan. Cooling tower salah satu alat yang juga mengolah air untuk mengatasi masalah polusi lingkungan.
70
2.2. Persyaratan Proses Cooling Tower
Umumnya batasan operasi cooling tower adalah pada suhu 120 oF. Temperatur air keluar biasanya lebih rendah dari 120 oF. Pada saat temperatur air proses melebihi 120 oF perlu dilakukan tahapan evaporasi dengan menggunakan cooler sehingga tidak terjadi kontak langsung antar air panas dan udara. Temperatur air terendah yang mungkin didinginkan didalam cooling tower tergantung pada wet bulb temperatur udara, tetapi ini bukanlah batasan mutlak karena tekanan uap keluar dan wet bulb temperatur dalam cooling tower disebut Approach. 2.3. Packing Cooling Tower
Jenis bahan isian atau packing pada cooling tower biasanya khusus, seperti kayu sipres yang mempunyai daya tahan aksi gabungan air dan angin. Pengisian packing pada cooling tower harus memenuhi karakteristik sebagai berikut: 1. Permukaan interfacial antara fuida yang akan didinginkan dengan fluida yang mendinginkan besar. 2. Memiliki karakteristik aliran fluida yang didinginkan pada packing harus terjadi pertukaran volume fluida yang besar melalui cross
section tower yang kecil tanpa loading/ fleeding dan presure drop yang rendah untuk gas. 3. Zat inert fluida dapat diproses secara kimia. 4. Mempunyai kekuatan struktural sehingga mudah dalam penangan dan instalasi. 5. Biayanya murah. 2.4. Operasi Cooling Tower
Sistem operasi cooling tower berdasarkan pada penguapan dan perubahan panas sensibel, dimana campuran dua fluida pada temperatur yang berbeda (air dan udara) akan melepaskan panas latent penguapan 71
yang menyebabkan efek pendinginan ke fluida yang lebih panas dalam dalam kasus ini adalah air. Efek pendinginan ini dicapai dengan merubah sebagian cairan ke dalam uap dengan melepaskan panas latent penguapan. Selain itu, panas sensibel juga berperan ketika air panas yang dilewatkan kontak dengan aliran udara dingin yang masuk, sehingga udara kan mendinginkan air dan temperaturnya akan meningkat sesuai dengan jumlah panas sensibel air yang diperolehnya. Selama proses terjadi penghilangan air, dimana uap air yang lewat cooling tower akan dilepaskan ke atmosfer. Untuk kondisi normal, air yang hilang kira-kira 0,2% dari volume total air yang disirkulasikan untuk setiap 10o range pendinginan dan 1,0 % untuk 12 o beda temperatur dalam area 1000 btu/lb air yang menguap. Prinsip
perpindahan
panas
yang
terlibat
dalam
yaitu
evaporasi/penguapan dan konveksi. Laju peprpindahan panas dari keduanya akan meningkat sebanding dengan peningkatan luas permukaan kontak udara-air, kecepatan relatif, waktu kontak dan temperatur differensial. Sebelum cooling tower diaktifkan, beberapa hal yang harus diperhatikan : 1.
Sistem distribusinya harus bersih dan lubang-lubangnya harus
sudah terpasang 2.
Valve untuk basin tempat penambahan air beroperasi secara
bebas
Penerapan yang nyata dari operasi ini adalah dengan cooling tower. Biasanya cooling tower ini menyerupai kotak kayu, dimana alat ini mengontakkan air panas sisa dari proses pendingin ke udara sehingga terjadi proses pendinginan air. Fungsi kayu yang ada pada bagian cooling
tower adalah untuk memperluas wilayah pertemuan antara air dan udara. Suatu cooling tower biasanya dapat menekan kebutuhan akan cooling water sebanyak 98 % walau ada juga resiko terkontaminasi yang disebabkan oleh penjenuhan air oleh uap air.
72
Pada cooling tower udara dingin dari atmosfer dilewatkan ke bagian bawah cooling tower dan terjadi panas antara air panas dengan udara dingin. Bila zat cair panas dikontakkan kepada gas tak jenuh, sebagian dari zat cair tersebut akan menguap dan suhu zat cair menjadi turun. Pendinginan air dalam jumlah besar dilakukan dalam kolam-kolam semprot (Spray Pond). Kita telah tahu bahwa tujuan dari dibuatnya cooling tower atau menara pendingin adalah untuk mensirkulasikan air pendingin dengan cara mendinginkan air itu dan menggunakannya kembali secara berulang-ulang. Air panas yang biasanya berasal dari kondensor atau unit perpindahan panas lainnya dimasukkan melalui puncak menara (top tower) dan di distribusikan ke dalam plat-plat melalui metode cascade kebawah dilengkapi dengan Slat Grating untuk memberikan luas permukaan yang besar untuk kontak udara dan air. Pada prinsipnya cooling tower atau menara pendingin adalah jenis bahan isian yang khusus yaitu kayu sipres yang mempunyai daya tahan aksi gabungan air dan angin. Dalam menara itu sebian air menguap ke udara dan kalor sensibel berpindah dari air panas ke udara yang lebih dingin. Kedua proses itulah yang mengakibatkan turunnya air dingin dan untuk menjaga keseimbangan air dingin kita hanya perlu menambahkan air untuk menggantikan air yang hilang karena penguapan atau angin. Air panas dialirkan berlawanan arah dengan media pendingin yaitu udara. Udara di alirkan dari bawah cooling tower, sedangkan air di alirkan dari atas cooling tower. Perpindahan panas yang terjadi adalah panas sensibel dari air yang panas ke udara yang lebih dingin yang mengakibatkan turunnya temperatur air. Proses perpindahan panas yang terjadi antara panas yang dibawa oleh air dan panas yang dibawa udara agar dapat menguapkan kandungan uap air dari fasa air. Semakin banyaknya kontak antara air dengan udara maka akan semakin besar nilai humidity. Bila semakin besar kontaknya maka akan semakin banyak terjadinya perpindahan panas maupun massa. Cara memperbesar kontak antara air 73
dengan udara yaitu dengan menambah sekat-sekat pada cooling tower. Sedangkan untuk perpindahan massa terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi. Di mana saat pertama kali udara yang masuk bersifat tidak jenuh dan saat keluar dari atas cooling tower, udara akan jenuh yang memiliki cukup banyak kandungan uap air.
74
4.PERPINDAHAN MASSA FASE GAS-PADAT
- Proses Sublimasi 1. Pengertian Sublimasi
Sublimasi adalah perubahan wujud zat dari padat ke gas atau dari gas ke padat. Bila partikel penyusun suatu zat padat diberikan kenaikan suhu melalui pemanasan, maka partikel tersebut akan berubah fasa [wujud] menjadi gas. Sebaliknya, bila suhu gas tersebut diturunkan dengan cara kondensasi, maka gas akan segera berubah menjadi padat. Pada dasarnya sublimasi diterapkan untuk memisahkan suatu zat dari pengotornya [impurities] sehingga diperoleh zat yang lebih murni, kotoran biasanya akan tertinggal dalam wadah akibat ketidak mampuannya
dalam
menyublim.
Syarat
pemisahan
campuran
dengan
menggunkan sublimasi adalah partikel yang bercampur harus memiliki perbedaan titik didih yang besar, sehingga dapat menghasilkan uap dengan tingkat kemurnian yang tinggi.Sublimasi juga diartikan sebagai proses perubahan zat dari fasa padat menjadi uap, kemudian uap tersebut dikondensasi langsung menjadi padat tanpa melalui fasa cair (fase antara).
2. Prinsip Kerja Sublimasi
Prinsip kerja sublimasi secara umum [dalam skala industri] adalah memisahkan zat yang mudah menyublim tersebut dengan sebuah sublimator sehingga
menjadi
gas/uap.
Gas
yang
dihasilkan
ditampung,
lalu
didinginkan/dikondensasi kembali. Sedangkan cara kerja sublimasi secara sederhana [dalam skala laboratorium] adalah zat yang akan disublimasi dimasukkan dalam cawan/gelas piala untuk keperluar sublimasi, ditutup dengan gelas arloji , corong/labu berisi air sebagai pendingin , kemudian di panaskan dengan api kecil pelan-pelan. Zat padat akan menyublim berubah menjadi uap, sedangkan zat penyampur tetap padat. Uap yang terbentuk karena adanya proses
75
pendinginan berubah lagi menjadi padat yang menempel pada dinding alat pendingin. Bila sudah tidak ada lagi zat yang menyublim , dihentikan proses pemanasan dan di biarkan dingin supaya uap yang terbentuk menyublim semua, kemudian zat yang terbentuk dikumpulkan untuk diperiksa kemurniannya. Bila kurang murni proses sublimasi dapat diulang sampai didapatkan zat yang murni.
3. Proses Sublimasi
Diklasifikasikan menjadi 2, yaitu proses sublimasi buatan dan secara alami, antaralain: A.
Proses Sublimasi Buatan Merupakan proses sublimasi yang terjadi secara sengaja/paksa, proses ini
dapat terjadi pada skala industri dan skala laboratorium. Berikut ini merupakan langkah retorika proses sublimasi iodin pada skala laboratorium : Prinsipnya : Iodin diubah menjadi gas dengan cara memanaskan campuran bersama kotoran. Setelah iodin berubah menjadi gas, gas akan terperangkap di dalam beaker gelas yang atasnya telah ditutup dengan labu didih sehingga gas iodin tidak keluar. Untuk mengubah wujud iodin yang berupa gas menjadi padat kembali secara cepat, diperlukan proses pendinginan [kondensasi]. Pendinginan pada percobaan tersebut dilakukan dengan meletakkan beberapa potong es batu/air dingin di dalam labu didih. Hasil dari percobaan tersebut adalah adanya kapur barus yang menempel di bagian bawah labu didih yang berbentuk kerak. Pada akhirnya kotoran [impurities] akan tertinggal di dasar beaker glass karena tidak dapat menyublim. Alat & Bahan : ¦ Beaker glass ¦ Cawan porselein beserta mortir ¦ labu didih berleher ¦ Kaki tiga dan kassa ¦ Pembakar Bunsen
76
¦ Campuran kristal iodin yang telah ditumbuk dengan pasir/karbon aktif ¦ es batu/air dingin
Prosedur : 1.
Gerus/tumbuk iodin [kuantitas bahan sesuai keinginan kita sendiri] sampai halus untuk memperoleh luas permukaan yang besar sehingga proses perubahan fasa berjalan lebih cepat
2.
Tambahkan zat pengotor seperti pasir maupun karbon aktif.
3.
Masukkan ke dalam beaker glass lalu tutup bagian atasnya dengan cawan porselein atau labu didih yang didalamnya telah dilengkapi dengan batu es atau air dingin.
4.
Susun alat dan bahan tersebut seperti pada gambar di bawah ini, nyalakan pembakar bunsen
5. Biarkan sampai semua iodin yang ada di dalam campuran menguap. Setelah itu matikan pembakar bunsen. 6.
Amati yang terjadi pada labu didih. Akan terbentuk kerak yang menempel
pada bagian bawah labu didih seperti di bawah ini.
77
Keterangan : Hati-hati saat mengambil kerak iodin, karena uap berwarna ungu dari iodin yang menerobos keluar dapat
menimbulkan
keracunan
dan
iritasi
pernafasan bila terhirup.
B. Proses Sublimasi Secara Alami Merupakan proses sublimasi yang terjadi secara natural [alami] akibat dari proses alam itu sendiri. Misalnya sublimasi belerang yang terjadi pada kawah-kawah gunung berapi. Contohnya yakni pada kawah Gunung Ijen (ketinggian 2.386 m), Kecamatan Licin, Sempol, Kabupaten Banyuwangi, Bondowoso, Jawa Timur. Kawah ini selalu melepaskan gas vulkanik dengan konsentrasi sulfur yang tinggi dan bau gas yang kadang menyengat. Belerang tersebut dihasilkan dari hasil sublimasi gas-gas belerang yang terdapat dalam asap solfatara [asap yang berasal dari kawah] yang bersuhu sekitar 200 °C. ketika asap tersebut menuju atmosfer maka udara dingin di pegunungan akan mengkondensasi secara alami gas yang mengandung belerang.
Selanjutnya belerang yang telah padat akan menumpuk di tanah lalu terkubur secara
alami
membentuk
deposit
[endapan] yang dapat berupa batuan padat. Kemudian akibat adanya erosi [misal
78
karena hujan dan angin] maka batuan belerang ini dapat muncul separuh bagian maupun seluruhnya dengan wujud visual batuan padat kasar berwarna kuning pucat. Biasanya deposit belerang ini dimanfaatkan oleh penambang lokal maupun industri terdekat [misalnya industri karet] melalui penggalian secara langsung. Contoh : Proses sublimasi pada sulfur dari alam Sulfur yang terdapat di alam dapat di proses menggunakan proses frasch , yaitu dengan mengalirkan pipa ke dalam tanah yang mengandung sulfur kemudian di alirkan uap panas sehingga sulfur tersebut mencapai titik didihnya dan menguap. Ketika telah sampai ke permukaan tanah campuran sulfur –air – udara yang ada segera di pompakan ke dalam tangki besar yang merupakan tempat pendinginan dan cairan kristal sulfur yang berwarna ungu akan berubah menjadi padatan sulfur kuning. Kemudian dilakukan pemisahan dinding penopang padatan ( tangki) dan dengan menggunakan dinamit sulfur dibelah / di pecahkan sehingga dapat diangkut dengan kendaraan. Oleh karena itu sulfur tidak larut dalam air dan dapat di peoleh sulfur pada metode ini sebesar 99,6%.
4. Syarat Pemisahan Campuran Dengan Metode Sublimasi
Zat padat yang memiliki suhu dan tekanan di bawah T° dan P°, T° dan P° adalah suhu dan tekanan dimana zat berada dalam keadaan setimbang. Partikel yang bercampur harus memiliki perbedaan titik didih yang besar sehingga dapat menghasilkan uap dengan tingkat kemurnian yang tinggi.
5. Bahan-Bahan Yang Dapat Disublimasi
-Ammonium clorida -CO2 padat (dry ice) -Kafein
79
-Kamper (Naftalein) -Iodium -Belerang -Arsenik -Klorofoam
7. Aplikasi Proses Sublimasi
Pembuatan Dry Ice (CO2 padat) Gas yang mengandung konsentrat CO2 tinggi
Gas yang kaya kerbon dioksida ini kemudian dimampatkan dan di turunkan suhunya sampai -78.5°C
Tekan/pemampatan kemudian dikurangi (sebagian kecil CO2 menguap)
CO2 yang telah berbentuk salju kemudian dipotong-potong
80
Proses pemisahan kapur barus dari pasir dengan cara sublimasi
Sublimasi adalah proses pemisahan campuran yang digunakan untuk memisahkan komponen yang dapat menyublim dari campuran yang tidak dapat menyublim. Kapur barus merupakan zat yang dapat menyublim jika di panaskan ,jika kapur barus ini bercampur dengan zat pengotor seperti pasir. Cara memisahkan kapur barus yang bercampur dengan zat pengotor dapat dilakukan dengan proses sublimasi ini. Ketika campuran kapur barus dan pasir di panaskan, kapur barus akan menguap sedangkan Pasir tidak uap kapur barus akan segera berkeristal ketika menemui daerah yang cukup dingin, dengan demikian kapur barus murni dapat di peroleh kembali.
81
5.PERPINDAHAN MASSA FASE GAS-GAS Difusi gas
Dikatakan difusi gas jika terjadi perpindahan molekul gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Contohnya yaitu difusi O2 pada pengemas plastik. Ketika kita menggunakan pengemas plastik untuk membungkus suatu bahan, maka selama penyimpanan akan terjadi difusi oksigen dan uap air dari lingkungan luar ke dalam plastik pengemas. Jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam plastik pengemas bervariasi tergantung permeabilitas dari plastik pengemas tersebut. Semakin banyak jumlah oksigen dan uap air yang dapat masuk ke dalam plastik pengemas berarti kualitas plastik pengemasnya semakin buruk. Disini, difusi oksigen merupakan difusi gas dan difusi uap air merupakan difusi cair.
Makin besar perbedan konsentrasi anatara dua daerah, maka makin tajam pula gradasi konsentrasinya sehingga makin lambat pula kecepatan difusinya. Apabila partikel suatu zat dapat bergerak bebas tanpa terhambat oleh gaya tarik, maka dalam jangka waktu tertentu partikel-partikel itu akan tersebar merata dalam ruang yang ada. Sampai distribusi merata seperti itu terjadi, akan terdapat lebih banyak partikel yang bergerak dari daerah tempat partikel itu lebih pekat ke daerah yang partikelnya kurang pekat, lalu terjadi yang sebaliknya, dan secara menyeluruh gerakan partikel ke arah tertentu disebut difusi. Makin besar perbedaan
konsentrasi
antara
dua
daerah,
yaitu
makin
tajam
gradasi
konsentrasinya, makin besar kecepatan difusinya.
1. Difusi Gas Respirasi Pada Manusia
Peristiwa respirasi pada manusia berlangsung di dalam paru –paru tepatnya di bagian alveoli. Udara/gas oksigen yang terdapat di lingkungan sekitar memiliki kandungan oksigen yang lebih tinggi daripada di dalam tubuh manusia. Ketika menghirup oksigen, udara berjalan melewati rongga hidung menuju saluran trakea/tenggorokan, selanjutnya menuju bronkus dan bronkiolus.
82
Proses difusi:
Difusi dalam respirasi merupakan proses pertukaran gas antara alveoli dengan darah pada kapiler paru Proses difusi terjadi karena perbedaan tekanan, gas berdifusi dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Salah satu ukuran difusi adalah tekanan parsial.
Difusi terjadi melalui membran respirasi yang merupakan dinding alveolus yang sangat tipis dengan ketebalan rata-rata 0,5 mikron. Di dalamnya terdapat jalinan kapiler yang sangat banyak dengan diameter 8 angstrom. Dalam paru-paru terdapat sekitar 300 juta alveoli dan bila dibentangkan dindingnya maka luasnya mencapai 70 m 2 pada orang dewasa normal.
Saat difusi terjadi pertukaran gas antara oksigen dan karbondioksida secara simultan. Saat inspirasi maka oksigen akan masuk ke dalam kapiler paru dan saat ekspirasi karbondioksida akan dilepaskan kapiler paru ke alveoli untuk dibuang ke atmosfer. Proses pertukaran gas tersebut terjadi karena perbedaan tekanan parsial oksigen dan karbondioksida antara alveoli dan kapiler paru.
83
Volume gas yang berdifusi melalui membran respirasi per menit untuk setiap perbedaan tekanan sebesar 1 mmHg disebut dengan kapasitas difusi. Kapasitas difusi oksigen dalam keadaan istirahat sekitar 230 ml/menit. Saat aktivitas meningkat maka kapasitas difusi ini juga meningkat karena jumlah kapiler aktif meningkat disertai dDilatasi kapiler yang menyebabkan luas permukaan membran difusi meningkat. Kapasitas difusi karbondioksida saat istirahat adalah 400-450 ml/menit. Saat bekerja meningkat menjadi 1200-1500 ml/menit.
Difusi dipengaruhi oleh : 1. Ketebalan membran respirasi 2. Koefisien difusi 3. Luas permukaan membran respirasi* 4. Perbedaan tekanan parsial
84
2. Pertukaran Gas Pada Tumbuhan
Pertukaran udara melalui stomata merupakan contoh dari proses difusi. Pada siang hari terjadi proses fotosintesis yang menghasilkan O2 sehingga konsentrasi O2 meningkat. Peningkatan konsentrasi O2 ini akan menyebabkan difusi O2 dari daun ke udara luar melalui stomata. Sebaliknya konsentrasi CO2 di dalam jaringan menurun (karena digunakan untuk fotosintesis) sehingga CO2 dari udara luar masuk melalui stomata Laju difusi antara lain tergantung pada suhu dan densitas (kepadatan) medium. Gas berdifusi lebih cepat dibandingkan dengan zat cair, sedangkan zat padat berdifusi lebih lambat dibandingkan dengan zat cair. Molekul berukuran besar lebih lambat pergerakannya dibanding dengan molekul yang lebih kecil. Pertukaran udara melalui stomata merupakan contoh dari proses difusi. Pada siang hari terjadi proses fotosintesis yang menghasilkan O2 sehingga konsentrasi O2 meningkat. Peningkatan konsentrasi O2 ini akan menyebabkan difusi O2 dari daun ke udara luar melalui stomata. Sebaliknya konsentrasi CO2 di dalam jaringan menurun (karena digunakan untuk fotosintesis) sehingga CO2 dari udara
85
luar masuk melalui stomata. Penguapan air melalui stomata (transpirasi) juga merupakan contoh proses difusi. Di alam, angin, dan aliran air menyebarkan molekul lebih cepat disbanding dengan proses difusi.
Daun tumbuhan darat memperoleh karbondioksida dari udara sekitarnya melalui difusi. Udara di sekitar tumbuhan mengandung karbondioksida lebih banyak dibandingkan di dalam daun, sehingga gas karbondioksida berdifusi ke dalam daun melalui stoma di epidermis daun. Pada stomata (tunggal = stoma), bila sel penutup menyerap air secara osmosis, maka sel-sel tersebut mengembang atau membengkak.Bila stoma membuka, gas karbondioksida dapat berdifusi ke dalam daun. Gas oksigen yang dihasilkan dari proses fotosintesis dapat juga keluar dari daun melalui stoma yang membuka. Bila sel penjaga kehilangan air secara osmosis, maka sel-sel tersebut mengkerut. Bila stoma menutup, gas karbondioksida dan oksigen tidak dapat masuk atau keluar dari daun. Pertukaran udara seperti dijelaskan di muka selain terjadi pada stoma juga terjadi pada lentisel. Pertukaran udara melalui stoma dan lentisel tersebut terjadi pada tumbuhan berpembuluh. Pada tumbuhan tidak berpembuluh pertukaran udara terjadi secara difusi melalui membran plasma sel-sel penyusun tubuhnya.
86
3.Pencemaran Udara
Pencemaran udara dapat terjadi dimana-mana, misalnya di dalam rumah, sekolah, dan kantor. Pencemaran ini sering disebut pencemaran dalam ruangan. Sementara itu pencemaran di luar ruangan berasal dari emisi kendaraan bermotor, industri, perkapalan, dan proses alami oleh makhluk hidup. Sumber pencemar udara dapat diklasifikasikan menjadi sumber diam dan sumber bergerak. Sumber diam terdiri dari pembangkit listrik, industri dan rumah tangga. Sedangkan sumber bergerak adalah aktifitas lalu lintas kendaraan bermotor dan tranportasi laut. Dari data BPS tahun 1999, di beberapa propinsi terutama di kota-kota besar seperti Medan, Surabaya dan Jakarta, emisi kendaraan bermotor merupakan kontribusi terbesar terhadap konsentrasi NO2 dan CO di udara yang jumlahnya lebih dari 50%. Penurunan kualitas udara yang terus terjadi selama beberapa tahun terakhir menunjukkan kita bahwa betapa pentingnya digalakkan usaha-usaha pengurangan emisi ini. Baik melalui penyuluhan kepada masyarakat ataupun dengan mengadakan penelitian bagi penerapan teknologi pengurangan emisi. Secara umum, terdapat 2 sumber pencemaran udara, yaitu pencemaran akibat sumber alamiah, seperti letusan gunung berapi, dan yang berasal dari kegiatan manusia, seperti yang berasal dari transportasi, emisi pabrik, dan lain-lain. Di dunia, dikenal 6 jenis zat pencemar udara utama yang berasal dari kegiatan manusia, yaitu Karbon monoksida (CO), oksida sulfur (SOx), oksida nitrogen (NOx), partikulat, hidrokarbon (HC), dan oksida fotokimia, termask ozon. Di Indonesia, kurang lebih 70% pencemaran udara disebabkan oleh emisi kendaraan bermotor. Kendaraan bermotor mengeluarkan zat-zat berbahaya yang dapat menimbulkan dampak negatif, baik terhadap kesehatan manusia maupun terhadap lingkungan, seperti timbal/timah hitam (Pb), oksida nitrogen (NOx), hidrokarbon (HC), karbon monoksida (CO), dan oksida fotokimia (Ox). Kendaraan bermotor menyumbang hampir 100% timbal, 13-44% suspended particulate matter (SPM), 71-89% hidrokarbon, 34-73% NOx, dan hampir seluruh karbon monoksida (CO) ke udara Jakarta. Sumber utama debu berasal dari pembakaran sampah rumah tangga, di mana mencakup 41% dari sumber debu.
87
Zat pencemar
1. Karbon Monoksida
Asap kendaraan merupakan sumber utama bagi karbon monoksida di berbagai perkotaan. Data mengungkapkan bahwa 60% pencemaran udara di Jakarta disebabkan karena benda bergerak atau transportasi umum yang berbahan bakar solar terutama berasal dari Metromini. Formasi CO merupakan fungsi dari rasio kebutuhan udara dan bahan bakar dalam proses pembakaran di dalam ruang bakar mesin diesel. Percampuran yang baik antara udara dan bahan bakar terutama yang terjadi pada mesin-mesin yang menggunakan Turbocharge merupakan salah satu strategi untuk meminimalkan emisi CO. Karbon monoksida yang meningkat di berbagai perkotaan dapat mengakibatkan turunnya berat janin dan meningkatkan jumlah kematian bayi serta kerusakan otak. Karena itu strategi penurunan kadar karbon monoksida akan tergantung pada pengendalian emisi seperti pengggunaan bahan katalis yang mengubah bahan karbon monoksida menjadi karbon dioksida dan penggunaan bahan bakar terbarukan yang rendah polusi bagi kendaraan bermotor.
2.Nitrogen Dioksida (NO2)
NO2 bersifat racun terutama terhadap paru. Kadar NO2 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 NO2 sebesar 800 ppm akan mengakibatkan 100% kematian pada binatangbinatang yang diuji dalam waktu 29 menit atau kurang. Percobaan dengan pemakaian NO2 dengan kadar 5 ppm selama 10 menit terhadap manusia mengakibatkan kesulitan dalam bernafas.
3.Sulfur Oksida (SOx)
Pencemaran oleh sulfur oksida terutama disebabkan oleh dua komponen sulfur bentuk gas yang tidak berwarna, yaitu sulfur dioksida (SO2) dan Sulfur trioksida (SO3), yang keduanya disebut sulfur oksida (SOx). Pengaruh utama polutan SOx
88
terhadap
manusia
adalah
iritasi
sistem
pernafasan.
Beberapa
penelitian
menunjukkan bahwa iritasi tenggorokan terjadi pada kadar SO2 sebesar 5 ppm atau lebih, bahkan pada beberapa individu yang sensitif iritasi terjadi pada kadar 1-2 ppm. SO2 dianggap pencemar yang berbahaya bagi kesehatan terutama terhadap orang tua dan penderita yang mengalami penyakit khronis pada sistem pernafasan kadiovaskular.
4.Khlorin (Cl2)
Gas Khlorin ( Cl2) adalah gas berwarna hijau dengan bau sangat menyengat. Berat jenis gas khlorin 2,47 kali berat udara dan 20 kali berat gas hidrogen khlorida yang toksik. Gas khlorin sangat terkenal sebagai gas beracun yang digunakan pada perang dunia ke-1.Selain bau yang menyengat gas khlorin dapat menyebabkan iritasi pada mata saluran pernafasan. Apabila gas khlorin masuk dalam jaringan paru-paru dan bereaksi dengan ion hidrogen akan dapat membentuk asam khlorida yang bersifat sangat korosif dan menyebabkan iritasi dan peradangan.
Proses difusi :
Gas-gas pencemar yang dihasilkan dari suatu sumber pencemaran memiliki konsentrasi yang tinggi. Gas-gas pencemar tersebut akan berdifusi ke tempat yang konsentrasinya lebih rendah sehingga konsentrasi pada semua tempat sama (hingga mencapai kesetimbangan). Hal ini mengakibatkan semua daerah dapat merasakan dampak dari pencemaran udara.
89
4.Belerang Pada Kawah Gunung
Kawah merupakan sumber gas sulfur dalam bentuk SO 2 dan atau H 2S. Kawah secara aktif mengeluarkan gas belerang. Hal ini dapat diketahui terutama dari intensitas aroma yang spesifik dari kepulan asap putih yang diemisikan, serta warna belerang yang terdeposit pada batuan dan tanah di sekitar kawah. komponen penyusun gas belerang yang terdapat disekitar kawah adalah SO 2 dan H2S. Sulfur dioksida (SO2) merupakan oksida belerang yang tidak mudah terbakar, beraroma tajam dan waktu tinggal diudara selama 4 hari. Hidrogen sulfida (H2S) merupakan gas yang mudah terbakar, aromanya khas seperti telur busuk dan waktu tinggal di udara selama 2 hari. Pada waktu gas belerang berdifusi di atmosfer, akan terjadi proses pengenceran karena sebagian dari gas tersebut akan terdeposit basah atau kering pada permukaanbenda atau organisme yang ada pada arah difusi, akibatnya akan terbentuk gradien konsentrasi gas belerang dan atau keasaman habitat di sepanjang arah difusi gas.
Proses difusi:
Daerah di sekitar kawah memiliki konsentrasi gas sulfur dan belerang yang tinggi. Gas tersebut akan berdifusi ke tempat lain karena adanya perbedaan konsentrasi dan tekanan gas. Oleh karena itu pada saat kita berada di sekitar kawah, kita bisa merasakan bau gas beleran tersebut. Hal ini karena gas sulfur dan belerang tersebut telah berdifusi di sekitar tempat tersebut.
90
