• Tidak ada hasil yang ditemukan

KINERJA SISTEM DMPS/C DALAM PENENTUAN DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL AEROSOL

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Membagikan "KINERJA SISTEM DMPS/C DALAM PENENTUAN DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL AEROSOL"

Copied!
7
0
0

Teks penuh

(1)

Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996

ISSN : 0854 - 4085

ID0000069

KINERJA SISTEM DMPS/C DALAM PENENTUAN

DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL AEROSOL

Otto Pribadi Ruslanto

Pusat Standardisasi dan Penelitian Keselamatan Radiasi - BAT AN ABSTRAK

KINERJA SISTEM DMPS/C DALAM PENENTUAN DISTRIBUSI UKURAN PARTIKEL AEROSOL. Telah dilakukan evaluasi kinerja sistem DMPS/C TSI 3932 dalam penentuan ukuran partikel aerosol. Evaluasi meliputi validasi fungsi alih dan resolusi instrumen secara eksperimen, serta uji ketelitian dan ketepatan pengukuran sistem pada penentuan distribusi ukuran aerosol monodispersi dan polidispersi. Hasil evaluasi terhadap fimgsi alih dan resolusi instrumen menunjukkan kecocokan antara hasil eksperimen dan hasil penurunan teori. Evaluasi ketelitian pengukuran memberikan simpangan sebesar 0,74 %, dan evaluasi ketepatan pengukuran memberikan koefisien variasi (KV) sebesar 0,50 % untuk aerosol monodispersi dan harga KV sebesar 1,63 % untuk aerosol polidispersi.

ABSTRACT

PERFORMANCE OF DMPS/C SYSTEM IN DETERMINING AEROSOL PARTICLE SIZE DISTRIBUTION. An evaluation of performance of DMPS/C system TSI-3932 in detennining aerosol particle size has been carried out. The evaluation consist of validity of experimentally transfer function, instrument resolution, and test of measurement accuracy and precission for monodisperse and polydisperse aerosol size distribution. Evaluation results of the instrument such as transfer function and resolution were fit to theoretical results. Evaluation of measurement accuracy gave a deviation of 0.74 %, and evaluation of measurement precission gave variation coefficient of 0.50 % and 1.63 % for monosdisperse aerosol and polydisperse aerosol respectively.

PENDAHULUAN

Aerosol kerap tidak disadari keberadaannya, padahal aerosol sangat mempengaruhi kualitas kesehatan ling-kungan. Partikel beracun yang terkandung dalam asap bahan kimia, partikel radioaktif pada penambangan bahan galian nuklir, dan partikel pembawa virus penyakit di lingkungan rumah sakit, adalah contoh keberadaan aerosol yang perlu diperhatikan. Keberadaan aerosol ini kerap terabaikan karena terhirupnya aerosol tidak berakibat akut bagi kesehatan. Namun akumulasi racun, zat radioaktif, dan kuman penyakit tersebut sampai batas ambang tertentu dapat menimbulkan gangguan kesehatan yang serius.

Di alam ukuran partikel di dalam aerosol sangat bervariasi, dengan rentang

(range) yang lebar, dari partikel yang sangat

halus («10~2 um) sampai dengan yang cukup besar (« 100 urn). Aerosol demikian disebut polidispersi. Ketika terhirup, partikel yang cukup besar akan mengendap di saluran pernafasan bagian awal, bahkan tertahan di bulu getar hidung. Tetapi partikel yang sangat halus dapat mencapai bagian alveoli

pada paru-paru [1,2]. Karena itu distribusi ukuran partikel aerosol sangat penting untuk diketahui. Salah satu sistem untuk menentukan distribusi ukuran partikel aerosol yang dimiliki PSPKR adalah sistem DMPS/C (Differential Mobility Particle

Sizerwith CPC).

Untuk mengetahui keandalan suatu perangkat perlu diketahui parameter kinerja sistem secara operasional dibandingkan dengan perhitungan harga teorinya. Pada tulisan ini dievaluasi kinerja sistem pengukur partikel aerosol DMPS/C model 3932, buatan TSI Inc., USA. Evaluasi meliputi validasi fungsi alih dan resolusi instrumen secara eksperimen, serta uji ketepatan dan ketelitian pengukuran sistem pada penentuan distribusi ukuran aerosol monodispersi dan polidispersi.

TEORI

Secara garis besar, sistem DMPS/C terdiri atas beberapa bagian utama yaitu pengklasifikasi elektrostatik (PE), pencacah partikel, komputer, dan alat-alat bantu seperti impaktor, meter aliran, pompa hisap, dan tapis HEPA.

(2)

Presiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996 ISSN : 0854 - 4085

PE berfungsi sebagai peng-klasifikasi ukuran partikel aerosol secara elektrostatik. Prinsip dasar dari PE adalah hubungan antara ukuran partikel dan mobilitas listriknya di dalam medan listrik, sebagai berikut [3] :

v

E

(1)

dengan, p mobilitas listrik partikel Volr^s"*]; v : kecepatan meruji [cm.s" rip: Jumlah muatan partikel; e: muatan

T| : viskositas x 10"19C;

elementer = 1,6

udara [g.cm s ]; c : faktor koreksi gelincir l+2,492(X/Dp)+0,84(?JDp)

exp[-0,435(Dp/?t)]; A,: lintasan bebas rata-rata partikel [cm]; Dp : diameter partikel [cm].

Dari Persamaan (1) dipersyaratkan bahwa partikel aerosol tersebut hams bermuatan listrik, oleh karena itu PE terdiri atas dua bagian yaitu pengkondisi muatan

(charger/neutralizer) Kr-85 yang berfungsi

untuk mengkondisikan muatan listrik partikel aerosol pada distribusi muatan tertentu yang diketahui, dan penganalisis mobilitas diferensial (PMD) yang berfungsi mengklasifikasi ukuran partikel aerosol berdasarkan mobilitas listrik partikel tersebut di dalam medan listrik. Partikel yang lolos klasifikasi kemudian dicacah dengan CPC (condensation particle

counter).

Penganalis Mobilitas Diferensial

Dari penelitian terdahulu [3,4,5], telah diketahui bahwa PMD bertindak sebagai tapis mobilitas Iolos pita (band

pass-filter). Lebar pita mobilitas (band width)

PMD, AZp, adalah :

(2)

2TIVA

dan nilai tengah (centroid) pita mobilitas tersebut adalah :

4JIVA (3)

dengan V : tegangan kerja pada batang pusat [V]; A : tetapan geometris PMD = 60,3 cm; qp : laju alir aerosol yang dianalisis [liter per menit = lpm]; qs : laju alir masukan

udara yang kering dan bebas partikel [lpm]; qm : laju alir keluaran aerosol yang lolos

klasifikasi [lpm]; qe : laju alir udara turah

(excess air) [lpm].

Fungsi AHh dan Resolusi PMD

Persamaan (2) dan (3) menunjukkan rentang mobilitas partikel yang dapat lolos klasifikasi PMD. Tidak ada partikel dengan mobilitas di luar rentang mobilitas tersebut yang dapat lolos klasifikasi. Namun hal itu tidak menunjukkan bahwa partikel di dalam rentang tersebut pasti lolos klasifikasi. Knutson dan Whitby [4] mendefinisikan kebolehjadian bahwa suatu partikel dengan mobilitas Zp yang lolos klasifikasi dengan

fungsi alih (transfer function) dan

dilambangkan dengan Q.. Secara aljabar fungsi alih dapat dinyatakan dalam bentuk :

Q= — qm) - qs

(4)

Fungsi alih secara teori berbentuk segitiga bila qp=qm> atau segitiga ter-pancung bila qp^qm (Gambar la, lb dan resolusi PMD dapat hasil bagi sebagai Secara teori

dinyatakan dengan berikut:

Resolusi = (5)

Substitusi AZp dan Zp dari persamaan (2) dan (3) pada persamaan (4) menghasilkan :

Resolusi = qe-qP (6) dari persamaan (5) tampak bahwa resolusi PMD hanya bergantung pada laju alir.

(3)

Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996 ISSN : 0854 - 4085

TATA KERJA Bahan dan peralatan

Bahan yang digunakan pada pembangkit aerosol adalah :

• air suling derajat dua awaion

(deionized)

• NaCl murni (p.a)

• Larutan PSL (polystyrene latex), bahan acuan standar, NIST SRM 1691 - 0,3

Resolusi Pengukuran

Dengan alasan yang sama, untuk keperluan eksperimen dapat diturunkan bahwa :

V .

Resolusi = —— -j (8)

Dengan eksperimen, sesuai dengan Persamaan (5), diperlihatkan bahwa resolusi bergantung pada pengaturan laju alir masukan dan keluaran PMD.

Peralatan yang digunakan, selain DMPS/C yang dievaluasi, adalah pembangkit aerosol (atomizer) keluaran tetap buatan TSI Inc. model 3076.

Metoda Evaluasi

Fungsi Alih Eksperimen

Pada Gambar digambarkan dengan Parameter yang

adalah V.

tertentu, maka dilakukan variasi harga V dalam rentang yang diturunkan dari persamaan (2) dan (3) sebagai berikut :

(7)

1, fungsi alih absis ZpVA. terkontrol secara praktek Dengan mengambil harga ZpA

2 T I ZPA 2TTZPA

Pengujian kecocokan hasil eksperimen dan teorinya dilakukan menggunakan distribusi %2 dengan aras

kepercayaan 95 %. Hipotesa statistik yang dipergunakan adalah :

Ho : Harga pengamatan eksperimen

cocok dengan harga teori H, : Harga pengamatan tidak cocok

dengan harga teori. Ho diterima bila

i = 1 ' i

dengan Ei : harga eksperimen; Tj : harga teori; k : Jumlah data yang diperiksa; k-1 : derajat kebebasan.

Ketelitian dan Ketepatan Pengukuran

Pemeriksaan ketelitian pengukuran dilakukan menggunakan partikel aerosol monodispersi dari PSL yang merupakan bahan acuan standar dengan diameter partikel 0,269 \xm (sertifikasi oleh National Institute of Standard and Technology, USA) dengan nomor NIST SRM 1691, 0,3 [im sebanyak 40 tetes PSL dilarutkan dalam 600 ml air suling derajat dua awaion, kemudian dibangkitkan dengan pembangkit aerosol keluaran tetap buatan TSI Inc. model 3076.

Ketepatan pengukuran berkaitan dengan kedapatulangan (repeatability) pengukuran. Karenanya ketepatan peng-ukuran diperiksa melalui koefisien variasi (KV) dari pengukuran berulang [6].

HASIL DAN BAHASAN

Pengamatan fungsi alih ekspe-rimental dilakukan untuk beberapa kombinasi laju alir, yaitu :

1 • qp=qm=0,4 lpm; qe=qs=4 1pm 2- qp=qm=0,4 1pm; qe=qs=3 lpm 3. qp=qm=0,3 Ipm; qe=qs=4 lpm 4. qp=0,4 lpm, qm=0,6 lpm; qe= 4 lpm, qs=4,2 lpm 5. qp=0,6 lpm, qm=0,4 lpm; • qe= 4 1pm, qs=3,8 lpm

Bila konsentrasi relatif diplot terhadap tegangan batang pusat, diperoleh grafik fungsi alih yang disajikan pada Gambar 2. Pada gambar tersebut juga diplot fungsi alih teori secara tumpang tindih.

(4)

Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996 ISSN : 0854 - 4085

1

'.3 2 h c I 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0.3 0,1 Teori 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 3300 Tegangan Batang Pus at [V] ==-Gambar2.b. Fungsi Alih PMD untuk q = q =0 4 lpm

, i P tn ^ q = q = 3 lpm

A

1m.

271

Gambar 1. Fxmgsi aHh Penganalisis Mobilitas Diferensial Ci(Zp-untuk a) qm> qp r b) qm- qp , 0 qm< qp.

Teon

2500 3000 3500 4000 Tegangan Batang Pusat [V]

-4500

Teori

2800 3000 3200 3400 3600 3800 Tegangan Batang Pusat [V]

4000

Gambar 2.c. Fungsi Alih PMD untuk q = q =0,3 lpm q = q =4 lpm

Teon

2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700 3900 4100 Tegangan Batang Pusat [V] ^ Gambar 2 . d. Fungsi Alih PMD untuk q = 0,4 1pm,

q = 0,6 lpm; q = 4 l pm ; q = 4,2 lpm

Gambar 2.a. Fungsi Alih PMD untuk q = q =0,4 lpm q = q = 4 lpm

(5)

Prosiding Presentasi Ilmiah Kcselamalan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996 ISSN : 0854 - 4 0 8 5

Tcon

2000 2500 3000 Tegangan Batang Pusat [V]

3500

Gambar2.e. Fungsi Alih PMD untuk q =0,6 Ipm; q =0,4 lpm; q = 4 Ipm ; q = 3.8 lpm

Hasil pemeriksaan kecocokan

(goodness of fit) antara data eksperimen dan

teori menunjukkan bahwa semua kombinasi fungsi alir, hipotesa Ho diterima, artinya

data eksperimen yang diperoleh dapat dianggap cocok dengan data teorinya. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa validasi fiingsi alih instrumen berhasil dengan baik. Lebih jauh dapat pula dikatakan bahwa instrumen beroperasi sesuai dengan rancangan.

Dengan menggunakan data yang sama dan menggunakan tiga kombinasi laju alir yang pertama, dapat dibandingkan antara hasil perhitungan teori dengan persamaan (6) dan hasil eksperimen dengan persamaan (8). Harga AV pada persamaan (8) merupakan selisih antara tegangan pada saat regresi sisi kiri segitiga memotong sumbu tegangan, dan tegangan pada saat regresi sisi kanan segitiga memotong sumbu tegangan. Sedangkan harga V dihitung sebagai titik tengah distribusi, dengan cara :

V =

Yft

dengan (Vi, NO : koordinat titik ke-i pada fungsi alih eksperimen.

Tabel 1 menyajikan perbandingan resolusi yang dihitung menggunakan persamaan (6) dan (8) tersebut.

Tabel 1. Perbandingan resolusi yang didapat dari perhitungan berdasarkan teori dan

jerhitungan dari data eksperimen.

Ill

1. 2. 3.

liilii

Slill

3316,0 2500,4 3325,3

lillil

1111

673,3 738,3 483,6

HHIlllil:

lliiailalll

4,42 2,89 6,38

liitiiiii

iiilliiiiii

4,50 3,25 6,17

Dari Tabel 1 tampak bahwa perbedaan resolusi instrumen antara hasil eksperimen dan teori pada data pertama sebesar 1,78%; data kedua sebesar 11,07%; dan data ketiga sebesar 3,40%. Juga secara eksperimen tampak bahwa harga resolusi dipengaruhi oleh laju-laju alir, sesuai dengan pernyataan teori pada persamaan (6) di atas. Selisih antara harga teori dan eksperimen yang relatif besar pada data kedua lebih disebabkan oleh kesalahan pendekatan regresi yang dilakukan.

Harga resolusi sebesar 6,17 berarti bahwa pada kondidi operasi tersebut sistem mampu memisahkan sekurang-kurangnya enam puncak yang berurutan. Untuk aerosol monodispersi, enam puncak tersebut diakibatkan oleh jumlah muatan yang dibawa partikel aerosol.

Pada perangkat lunak program perhitungan dan otomatisasi DMPS/C, diambil qp=qm dan qs=qe dan qp= 0,1 qs.

Hal ini dapat difahami bahwa resolusi sistem pada keadaan itu sebesar 4,50 secara praktis dianggap cukup, dan dengan itu partikel bermuatan ganda dapat terpisahkan cukup jauh dari partikel bermuatan tunggal.

Pengukuran aerosol monodispersi dari larutan PSL standar, NIST SRM 1691, menghasilkan diameter terukur seperti disajikan pada Tabel 2, sebagai berikut: Tabel 2. Hasil pengukuran diameter partikel

PSL NIST SRM 1691

11111

i. 2. 3.

iiiiiiiiiiiiiii

iliiiiilllllli

0,267 0,268 0,266 0,093 0,097 0,092 Diameter partikel PSL rata-rata (xDp= 0,267

(6)

Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996 ISSN : 0854 - 4085

harga pada sertifikat yaitu Dp= 0,269 |_im,

didapatkan simpangan sebesar 0,74%. Dalam hal ini, dapat dikatakan bahwa ketelitian pengukuran yang diperoleh cukup tinggi.

Dari data yang sama dapat ditentukan koefisien variasi pengukuran diameter PSL yaitu 0,50%, yang berarti kedapatulangan pengukuran tersebut cukup tinggi.

Dengan menggunakan aerosol poli-dispersi, yang dibangkitkan dari 10 gram NaCl murni (p.a) per liter air suling, diperoleh data pengukuran sebagai berikut :

Nomor data 1. 2. 3. 4. 5.

rata-rata gcomctrik dari diameter ftim) 4,01 x 10 "2 4.00 x 10 "2 4,14 x 10 ~2 3,99 x 10 "2 4,09 x 10 "2 dan diperoleh Dp = 4,05 x 10"2 |j.m, an- i = 6,58 x 10"4 (j.m, koefisien variasi = 1,63 %.

Maka kedapatulangan pengukuran aerosol NaCl, sebagai contoh dari aerosol polidispersi, juga cukup tinggi.

Ketelitian dan ketepatan pengukuran yang tinggi menunjukkan bahwa sistem ini dapat diandalkan dalam penentuan distribusi ukuran partikel aerosol. Dengan parameter operasi yang sama, dapat diharapkan bahwa sistem ini juga akan menunjukkan kinerja yang baik sebagai pembangkit aerosol monodispersi.

Ketelitian dan ketepatan yang tinggi juga memberikan peluang terhadap sistem ini untuk digunakan sebagai kalibrator sistem lain yang mempunyai rentang klasifikasi yang hampir sama, seperti baterai difusi.

KESIMPULAN

Sistem DMPS/C model 3932 buatan TSI Inc. yang dimiliki PSPKR telah diperiksa kinerjanya. Hasil evaluasi fungsi alih PMD sebagai instrumen penganalisis

menunjukkan kecocokan antara harga eksperimen dan harga teori.

Resolusi sistem yang diamati melalui posisi tegangan kerja dan harga resolusi yang diharapkan, melalui pengaturan laju alir, dapat dikatakan mempunyai kesenadaan (monotonitas) yang sama. Evaluasi terhadap ketelitian dan ketepatan pengukuran menunjukkan keandalan pengukuran yang tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

1. HINDS, WILLIAM C , Aerosol Techno-logy, John Wiley & Son, New York, (1982)

2. DANUSANTOSO, HALIM, dan MARKUS M. D., Pengetahuan dasar Penyakit Paru Kerja, Majalah K & K Kerja, No. 2 Th. XII, (1994).

3. YEH, HSU CHI., Electrical Techniques, Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications, (Willeke, Klaus, and Baron, P.A., Eds.), Van Nostrand Reinhold, New York, (1993) 4. KNUTSON, E.O and WHITBY,K.T.,

Aerosol Classification by Electric Mobility : Apparatus, Theory, & Application, J. of Aerosol Sci., 6, 443-451,(1975).

5. RUSLANTO, O P . , dan TOPO S., Rancangan Penganalisis Mobilitas Diferensial pada Pengklasifikasi Partikel Aerosol secara Elektrostatik, Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, Batan, (1995).

6. HALL, J.L., NAIM, MAHMOOD, Instrument Statics, Instrumentation and Control: Fundamentals and Applications, (Nachtigal, C.L., ed.), John Willey & Sons Inc., (1990).

DISKUSI Sri Inang Sunaryati - PSPKR

1. Apa manfaat pengukuran distribusi aerosol

2. Apa pengaruh distribusi aerosol (diameter terhadap pengukuran ppm partikel)

(7)

Prosiding Presentasi Ilmiah Keselamatan Radiasi dan Lingkungan, 20 -21 Agustus 1996 ISSN : 0854 - 4085

Otto P. Ruslanto

1. Ukuran partikel aerosol merupakan dinamik yang menentukan jangkauan lintasan partikel. Dalam studi pada saluran pernafasan, misalnya kita dapat menentukan fraksi partikel yang terendapkan di bagian tertentu bila distribusi ukuran partikel aerosol yang terisap diketahui.

2. Distribusi ukuran partikel aerosol tidak berpengaruh terhadap ppm partikel. Pada penerapannya kedua besaran ini digunakan secara terpisah.

3. Batasan ukuran diameter partikel yang diklasifikasi DMPS/C adalah 0,01 sampai 1 \xm. Rentang diameter ini sesuai dengan rentang kritis bagi saluran pernafasan manusia (ICRP 66).

Eddy Supriadi - PSPKR

1. Apakah fungsi alih yang ditampilkan merupakan fungsi alih keseluruhan yaitu mencakup fungsi alih sistem/perangkat saja ditambah dengan fungsi alih pengontrolnya (yang mengatur tegangan). Mohon dijelaskan.

2. Mohon dijelaskan juga, mengapa fungsi alih dijadikan salah satu kriteria kinerja sistem, apa alasannya.

Otto P. Ruslanto

1. Fungsi alih yang dimaksud di dalam makalah ini adalah fungsi alih PMD yang bertugas mengklasifikasikan partikel berdasarkan mobilitas listrik-nya. Fungsi alih disini menyatakan probabilitas bahwa suatu partikel dengan mobilitas tertentu yang masuk penganalisis akan lolos klasifikasi. 2. Fungsi alih dijadikan salah satu kriteria

kinerja sistem karena fungsi alih menggambarkan dinamika proses pada PMD.

M. Phyatna - UNAS

1. Mohon dijelaskan, mengapa evaluasi V/AV dilakukan, yang diambil dari resolusi PMD tersebut (Z/AZP).

2. Dan sasaran apa yang diinginkan dari evaluasi V/AV.

Otto P. Ruslanto

1. V/AV tidak diambil untuk menggantikan Z/AZp tetapi diturunkan bahwa ternyata

resolusi = (Z/AZP) - 1/2 (1)

juga dapat dituliskan sebagai resolusi - (V/AV) - 1/2 (2) Bentuk ini (2) lebih disukai karena V adalah parameter terkontrol.

2. Sasaran yang diinginkan adalah mendapatkan harga resolusi secara eksperimen.

Gambar

Gambar 1. Fxmgsi aHh Penganalisis Mobilitas Diferensial Ci(Zp- Ci(Zp-untuk a)  q m &gt; q p r  b)  q m - q p  , 0  q m &lt; q p .
Tabel 1 menyajikan perbandingan resolusi yang dihitung menggunakan persamaan (6) dan (8) tersebut.

Referensi

Dokumen terkait

Untuk metode sedimentasi, distribusi ukuran partikel tepung dapat ditentukan dengan mengukur granularitas berdasarkan berat dari tepung tersebut pada berbagai macam fasa