BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil
Penelitian dilakukan mengikuti prosedur penelitian yaitu penentuan garis laser dan penyelidikan pengaruh gas karbondioksida. Hasil penelitian tersebut adalah :
4.1.1. Penentuan Garis Laser
Penentuan garis laser dilakukan dengan cara scanning terhadap gas nitrogen dan scanning terhadap campuran gas etilen dengan gas nitrogen.
Scanning terhadap gas nitrogen dilakukan untuk posisi steppermotor 6200 sampai 7000. Pada scanning tersebut, gas nitrogen dari tabung gas
dialirkan menuju detektor fotoakustik dengan kecepatan aliran 30,1 ml/menit. Rangkaian alat yang digunakan untuk scanning gas
nitrogen tersebut adalah rangkaian pada Gambar 3.2.
Scanning terhadap campuran gas etilen dengan gas nitrogen
menggunakan rangkaian alat pada Gambar 3.3. Gas etilen dicampur dengan gas nitrogen karena konsentrasi gas etilen pada tabung gas terlalu
besar yaitu 10 ppm. Gas etilen 10 ppm dengan kecepatan aliran 3,1 ml/menit dicampur dengan gas nitrogen yang memiliki kecepatan
aliran 27,2 ml/menit. Campuran tersebut menghasilkan gas etilen dengan konsentrasi 0,99 ppm yang mengalir dengan kecepatan 30,3 ml/menit. Gas etilen hasil pencampuran inilah yang mengalir ke detektor fotoakustik untuk scanning dari posisi steppermotor 6200 sampai 7000.
Scanning menghasilkan data daya dan sinyal fotoakustik untuk setiap posisi steppermotor. Nilai sinyal ternormalisir untuk tiap posisi steppermotor dapat diperoleh dari data daya dan sinyal tersebut. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen ditunjukkan oleh Gambar 4.2. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 Sin ya l T e rn or m al isir ( au) Posisi Steppermotor
Gambar 4.1. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari gas nitrogen
0 0.5 1 1.5 2 2.5 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 Sin y al T e rn o rm al isir ( au) Posisi Steppermotor
Gambar 4.2. Grafik sinyal ternormalisir terhadap posisi steppermotor dari campuran gas etilen dengan gas nitrogen
Pertambahan sinyal ternormalisir diketahui dengan cara membandingkan Gambar 4.1 dengan Gambar 4.2. Pertambahan sinyal ternormalisir yang terbesar terjadi pada posisi steppermotor 6542. Gambar 4.1 menunjukkan pada posisi tersebut dihasilkan nilai sinyal ternormalisir yang sangat kecil. Gambar 4.2 menunjukkan terjadinya pertambahan sinyal ternormalisir yang terbesar pada posisi tersebut. Posisi tersebut merupakan posisi garis laser untuk etilen yaitu pada posisi steppermotor 6542.
4.1.2. Penyelidikan Pengaruh Gas Karbondioksida
Hal pertama yang dilakukan dalam penyelidikan ini adalah pengisian cuvet dengan gas karbondioksida yang memiliki konsentrasi 5000 ppm. Pengisian cuvet tersebut menggunakan rangkaian alat pada
Gambar 3.4. Setelah itu, dilakukan penyelidikan pengaruh perubahan konsentrasi karbondioksida terhadap amplitudo dan fase sinyal fotoakustik menggunakan rangkaian alat pada Gambar 3.1. Penyelidikan ini menggunakan cuvet yang telah berisi gas karbondioksida dengan konsentrasi 5000 ppm. Penyelidikan tersebut dilakukan pada garis laser yang memiliki serapan terhadap etilen. Posisi garis laser tersebut dapat diketahui dari hasil penentuan garis laser.
Aliran gas-gas yang digunakan pada penyelidikan ini dibuat tetap selama pengukuran. Gas nitrogen dialirkan menuju cuvet yang berisi gas karbondioksida dengan kecepatan aliran 19,9 ml/menit. Kemudian, gas tersebut bercampur dengan campuran gas etilen 10 ppm yang memiliki kecepatan aliran 3,0 ml/menit dan gas nitrogen yang memiliki kecepatan aliran 7,3 ml/menit. Sehingga, diperoleh nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm dengan kecepatan aliran 30,2 ml/menit serta nilai konsentrasi karbondioksida yang berubah-ubah seiring bertambahnya waktu. Sementara itu, tidak ada tambahan aliran dari uap air maka konsentrasi uap air pada penyelidikan ini memiliki nilai yang tetap yaitu 53,07 %.
Selanjutnya, dilakukan pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal fotoakustik. Saat pengukuran nilai amplitudo dan fase sinyal fotoakustik tersebut dilakukan pencatatan nilai daya laser. Pengukuran tersebut dilakukan pada nilai frekuensi resonansi 1741 Hz. Sehingga, diperoleh data pada Tabel 4.1. Grafik amplitudo tiap satuan daya (R/P) ditunjukkan Gambar 4.3. Grafik fase sinyal fotoakustik ditunjukkan Gambar 4.4.
Tabel 4.1. Amplitudo tiap satuan daya (R/P) dan fase (θ) sinyal fotoakustik
Posisi Steppermotor : 6542 Konsentrasi Uap Air : 53,07 % Frekuensi Resonansi : 1741 Hz Konsentrasi Etilen : 0,99 ppm Konsentrasi CO2 (ppm) Fase/θ (0) R/P (au) 0 14,85 89,7 237,86 15,02 90,2 335,73 15,04 91,3 584,89 15,11 94,67 2466,28 58,22 136,25 2927,45 58,64 151,25 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 A m pl it udo T ia p S a tua n D a y a (a u ) Konsentrasi Karbondioksida (ppm)
Gambar 4.3. Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi karbondioksida untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm
0 10 20 30 40 50 60 70 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 F ase / θ ( 0) Konsentrasi Karbondioksida (ppm)
Gambar 4.4. Grafik hubungan fase sinyal fotoakustik (θ) terhadap konsentrasi karbondioksida untuk nilai konsentrasi etilen 0,99 ppm
Data pada Tabel 4.1 menunjukkan nilai amplitudo tiap satuan daya berbeda saat nilai konsentrasi karbondioksida berbeda walaupun nilai konsentrasi etilen tetap yaitu 0,99 ppm dan nilai konsentrasi uap air tetap yaitu 53,07 %. Gambar 4.3 menunjukkan grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi karbondioksida. Grafik tersebut menunjukkan peningkatan nilai R/P saat terjadi peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida. Gambar 4.4 menunjukkan adanya nilai fase sinyal fotoakustik berbeda saat nilai konsentrasi karbondioksida berbeda walaupun nilai konsentrasi etilen tetap yaitu 0,99 ppm dan nilai konsentrasi uap air tetap yaitu 53,07 %. Pada grafik tersebut, fase sinyal fotoakustik meningkat seiring meningkatnya konsentrasi karbondioksida.
4.2. Pembahasan
Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik untuk nilai konsentrasi karbondioksida yang berbeda-beda telah dilakukan dalam penelitian ini. Pengukuran tersebut dilakukan pada nilai konsentrasi etilen yang tetap dan nilai konsentrasi uap air yang tetap. Pengukuran dilakukan menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Penelitian ini dilakukan pada garis laser yang memiliki serapan terhadap etilen. Oleh karena itu, sebelum pengukuran dilaksanakan perlu dilakukan penentuan garis laser.
Penentuan garis laser dilakukan dengan cara scanning. Scanning
dilakukan untuk gas nitrogen dan untuk campuran gas etilen dengan gas nitrogen. Pencampuran gas etilen dengan gas nitrogen bertujuan menghindari habisnya daya laser terserap oleh molekul gas etilen. Dalam hal ini, konsentrasi etilen mempengaruhi serapan terhadap daya laser. Saat proses eksitasi, molekul gas yang terdapat di dalam sel fotoakustik menyerap daya laser untuk berpindah dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Jika konsentrasi etilen terlalu besar maka serapannya terhadap daya laser juga besar. Hal tersebut memungkinkan daya laser habis terserap oleh molekul gas tersebut. Oleh karena itu, konsentrasi gas etilen yang digunakan harus kecil dan perlu dilakukan pengenceran.
Posisi garis laser yang memiliki serapan terbesar ditunjukkan oleh posisi steppermotor yang memiliki pertambahan sinyal ternormalisir terbesar. Pertambahan sinyal ternormalisir disebabkan adanya serapan etilen terhadap daya laser pada posisi tersebut. Dari hasil perbandingan kedua grafik sinyal ternormalisir, diperoleh posisi garis laser yang memiliki serapan etilen terbesar
yaitu 6542. Posisi garis laser tersebut merupakan posisi garis laser yang sensitif untuk mengukur gas etilen. Pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik dilakukan pada posisi tersebut.
Pada penelitian ini, amplitudo tiap satuan daya (R/P) dan fase (θ) sinyal fotoakustik berbeda-beda untuk nilai konsentrasi karbondioksida yang berbeda- beda walaupun nilai konsentrasi etilen tetap dan nilai konsentrasi uap air tetap. Grafik hubungan amplitudo tiap satuan daya (R/P) terhadap konsentrasi karbondioksida ditunjukkan oleh Gambar 4.3. Pada grafik tersebut, saat nilai konsentrasi karbondioksida meningkat terjadi peningkatan nilai amplitudo tiap satuan daya. Gambar 4.4 menunjukkan peningkatan nilai fase sinyal fotoakustik saat terjadi peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida.
Hasil pengukuran yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan terbentuknya resultan amplitudo dan fasenya yang berasal dari molekul gas C2H4 (etilen), molekul gas H2O (uap air), dan molekul gas CO2 (karbondioksida). Peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida saat konsentrasi etilen dan konsentrasi uap air bernilai tetap menyebabkan peningkatan nilai amplitudo sinyal fotoakustik tiap satuan daya. Hal ini memenuhi persamaan (2.8). Di samping itu, peningkatan konsentrasi karbondioksida saat konsentrasi etilen dan konsentrasi uap air bernilai tetap menyebabkan peningkatan fase sinyal fotoakustik. Hal ini memenuhi persamaan (2.9).
Persamaan (2.8) dan (2.9) menunjukkan keterkaitan amplitudo dan fase sinyal fotoakustik terhadap konsentrasi gas. Persamaan (2.8) menunjukkan jika terjadi peningkatan nilai konsentrasi salah satu gas sementara konsentrasi gas lain
bernilai tetap maka akan terjadi peningkatan nilai amplitudo sinyal fotoakustik. Persamaan (2.9) menunjukkan nilai fase sinyal fotoakustik akan meningkat bila terjadi peningkatan nilai konsentrasi gas karbondioksida ketika konsentrasi gas lain bernilai tetap. Hasil pengukuran yang diperoleh dalam penelitian ini memenuhi kedua persamaan tersebut.
Sinyal fotoakustik terkait dengan daya laser, koefisien serapan, dan konsentrasi gas. Faktor lain yang terkait dengan sinyal fotoakustik adalah waktu relaksasi molekul. Pada metode spektroskopi laser, salah satu fenomena fisika yang terjadi pada interaksi laser dengan medium tertentu adalah relaksasi dari molekul-molekul yang terdapat dalam medium tersebut [Zharov dan Letokhov, 1986]. Waktu relaksasi mempengaruhi nilai fase sinyal fotoakustik. Jika terdapat lebih dari satu jenis molekul gas pada sel fotoakustik, maka cepat atau lambatnya waktu relaksasi molekul tergantung dari interaksi molekul-molekul gas tersebut.
Interaksi molekul-molekul gas ditentukan dari jenis gas dan sifatnya. Dalam penelitian ini, gas nitrogen digunakan sebagai gas pembawa. Gas pembawa ini tidak menyerap radiasi laser CO2 sehingga keberadaannya tidak mempengaruhi hasil pengukuran. Gas pembawa tersebut akan membawa sampel gas yang mengandung molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 ke sel fotoakustik. Radiasi laser yang mengenai sampel gas pada sel fotoakustik menyebabkan molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 mengalami eksitasi dari keadaan dasar ke keadaaan tereksitasi ( C2H4*, H2O*, dan CO2* ). Molekul-molekul gas tersebut akan mengalami relaksasi. Molekul gas karbondioksida memiliki waktu relaksasi yang lebih lama dibandingkan molekul
gas C2H4 (etilen) dan molekul gas H2O (uap air). Hal tersebut menyebabkan pergeseran fase sinyal fotoakustik.
Penggabungan sinyal fotoakustik dari molekul gas C2H4, molekul gas H2O, dan molekul gas CO2 menghasilkan resultan amplitudo dan fase dengan nilai tertentu. Saat nilai konsentrasi karbondioksida meningkat, nilai amplitudo tiap satuan daya dan nilai fase sinyal fotoakustik yang diperoleh dalam penelitian ini juga meningkat. Hal tersebut menandakan terjadinya peristiwa kinetic cooling
yang mengakibatkan pemanasan berlangsung dalam waktu yang lama. Kinetic cooling disebabkan waktu relaksasi molekul gas karbondioksida (CO2) yang lebih lama dibandingkan molekul gas etilen (C2H4) dan molekul gas H2O (uap air).
Peristiwa kinetic cooling ditandai dengan adanya faktor τ4 pada persamaan (2.7), persamaan (2.8), dan persamaan (2.9). τ4 merupakan waktu relaksasi vibrasional efektif dari molekul gas nitrogen tereksitasi. Molekul gas nitrogen tersebut mengalami eksitasi karena tumbukan dari molekul gas CO2 tereksitasi yang memiliki tingkat energi vibrasi yang resonan dengan molekul tersebut. Relaksasi vibrasional efektif dari molekul gas nitrogen tereksitasi melibatkan proses transfer energi dari energi eksitasi molekul tersebut ke energi translasi melalui tumbukan dengan molekul gas lain.
Relaksasi dari molekul gas C2H4 dan H2O tereksitasi ( C2H4* dan H2O* ) terjadi dalam waktu yang singkat dan jika tidak terdapat molekul gas karbondioksida maka tidak terjadi kinetic cooling. Jika tidak terjadi kinetic cooling, maka nilai sinyal fotoakustik akan sebanding dengan penjumlahan linear dari hasil kali koefisien serapan dengan konsentrasi masing-masing gas. Namun,
saat terjadi relaksasi dalam waktu yang lama akibat keberadaan molekul gas karbondioksida, maka terjadilah kinetic cooling. Hal tersebut menyebabkan
munculnya faktor + − 4 4 1 1 ωτ ωτ β i i
pada hasil kali koefisien serapan dan
konsentrasi gas karbondioksida pada persamaan (2.7).
Sinyal fotoakustik yang dihasilkan terkait dengan kosentrasi molekul gas yang berada dalam sel fotoakustik. Sinyal fotoakustik memiliki amplitudo dan fase. Jika relaksasi molekul-molekul gas terjadi dalam waktu yang singkat maka resultan amplitudo sinyal fotoakustik merupakan penjumlahan amplitudo masing- masing sinyal fotoakustik. Sehingga, dapat diperoleh hasil ukur konsentrasi gas yang tepat menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Penggabungan sinyal fotoakustik dari molekul-molekul gas yang memiliki waktu relaksasi berbeda menyebabkan resultan amplitudonya lebih kecil daripada penjumlahan amplitudo sinyal fotoakustik dari masing-masing gas. Perpaduan amplitudo dan fase tersebut dapat digambarkan dengan diagram fasor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Hal ini menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi gas.
Pada penelitian ini, perubahan kosentrasi karbondioksida mengakibatkan perubahan amplitudo tiap satuan daya dan perubahan fase sinyal fotoakustik pada nilai konsentrasi etilen dan nilai konsentrasi uap air yang tetap. Pengukuran konsentrasi etilen menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 erat kaitannya dengan sinyal fotoakustik yang diperoleh dari pengukuran tersebut. Maka, perubahan amplitudo dan fase sinyal fotoakustik akibat keberadaan gas
karbondioksida tersebut akan menyebabkan hasil ukur konsentrasi etilen menggunakan detektor fotoakustik menjadi tidak akurat. Oleh karena itu, pengukuran konsentrasi etilen tanpa memperhitungkan adanya molekul gas karbondioksida dalam sampel gas yang diukur akan menyebabkan kesalahan pada hasil ukur konsentrasi etilen tersebut.
Keberadaan gas karbondioksida dalam suatu sampel gas menyebabkan hasil ukur konsentrasi etilen yang kurang tepat. Contoh sampel gas yang mengandung gas etilen dan gas karbondioksida adalah gas buang kendaraan bermotor. Oleh karena itu, pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel gas tersebut menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 harus memperhatikan keberadaan gas karbondioksida. Gas karbondioksida yang terkandung dalam sampel gas tersebut harus ditapis. Penapisan gas karbondioksida dapat dilakukan menggunakan kalium hidroksida / KOH [Altuazar, 2003].
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Pada penelitian ini telah dilakukan pengukuran amplitudo dan fase sinyal fotoakustik untuk konsentrasi karbondioksida yang berbeda-beda menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2. Pengukuran ini dilakukan pada nilai konsentrasi etilen dan persentase uap air yang tetap. Hasil pengukuran yang ditunjukkan oleh Gambar 4.3 dan Gambar 4.4. Berdasarkan hasil pengukuran tersebut, dapat disimpulkan bahwa :
1. Peningkatan nilai konsentrasi karbondioksida menyebabkan peningkatan nilai amplitudo sinyal fotoakustik tiap satuan daya (R/P) dan peningkatan
nilai fase sinyal fotoakustik (θ).
2. Keberadaan gas karbondioksida dalam suatu sampel gas menyebabkan ketidakakuratan hasil ukur konsentrasi etilen dari sampel gas tersebut.
5.2. Saran
Jika dilakukan penelitian pada bidang sejenis dengan penelitian ini atau dilakukan pengembangan dalam penelitian ini maka penulis menyarankan untuk memperhatikan hal-hal berikut ini :
1. Pengukuran konsentrasi etilen dari suatu sampel menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 harus memperhatikan keberadaan gas karbondioksida.
2. Pengukuran konsentrasi etilen dari sampel yang mengandung gas karbondioksida pada detektor fotoakustik berbasis laser CO2 dilakukan dengan menapis gas karbondioksida menggunakan KOH.
DAFTAR PUSTAKA
Altuzar, V., Tomás, S. A., Zelaya-Angel, O., Sánchez-Sinencio, F., dan Arriaga, J. L..2003.”Atmospheric Pollution Profile in Mexico City in Two Different Seasons.”Review of Scientific Instruments.74(1) : 500 – 502.
Badan Pusat Statistik Republik Indonesia.2009. “Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor Menurut Jenis tahun 1987-
Gondal, M. A..1997.”Laser Photoacoustic Spectrometer for Remote Monitoring of Atmospheric Pollutants.”Applied Optics.36(15) : 3195 - 3201.
Juliantara, Ketut. “Polutan Pencemaran Udara (Pb).”
http://kesehatan.kompasiana.com/group/medis/2010/04/11/polutan- pencemaran-udara-pb/.diakses tanggal : 21 Oktober 2010.
Rooth, R. A., Verhage, A. J. L., dan Wouters, L. W..1990.”Photoacoustic Measurement of Ammonia in The Atmosphere : Influence of Water Vapor and Carbon Dioxide.”Applied Optics.29(25) : 3643 – 3653.
Santosa, Ign. Edi. 2008. Spektroskopi Fotoakustik.Yogyakarta : Laboratorium Analisa Kimia dan Fisika Pusat Universitas Sanata Dharma.
Sutrisno. 1982. Fisika Dasar : Gelombang dan Optik. Bandung : ITB.
Wang, Zu-Geng dan Xia, Hui-Rong.1991.Molecular and Laser Spectroscopy. Berlin : Springer-Verlag.
Zharov, V. P. dan Letokhov, V. S..1986.Laser Optoacoustic Spectroscopy. Berlin : Springer-Verlag.