Pengaruh Laju Alir Dan Tegangan Listrik Terhadap Proses Pengayaan Oksigen Dari Udara Menggunakan Medan Elektromagnet

Pengaruh Laju Alir Dan Tegangan Listrik Terhadap Proses Pengayaan

Oksigen Dari Udara Menggunakan Medan Elektromagnet

Nelson Saksono, Setijo Bismo, Danu Febiyanto

Departemen Teknik Gas dan Petrokimia , Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Kampus UI Depok , Depok 16424 Tel. 786-3515, 786-3516

E-mail : nelson@che.ui.edu

Abstrak

Metode pemisahan udara yang lazim dikenal dapat memisahkan oksigen dengan kadar oksigen cukup tinggi antara lain adalah teknologi kriogenik, PSA, VSA dan membran. Selain metode tersebut, ada metode alternatif lain yang telah dikembangkan beberapa tahun terakhir ini, yaitu metode pemisahan udara dengan magnetisasi. Prinsip teknologi pemisahan ini berdasarkan sifat kemagnetan dari oksigen yang bersifat paramagnetik, dan nitrogen yang bersifat diamagnetik. Jika suatu udara dilewatkan pada daerah yang termagnetisasi, maka oksigen akan tertarik dan nitrogen akan tertolak sehingga kedua unsur tersebut akan terpisahkan. Untuk membuktikan hipotesis tersebut, digunakan alat pengayaan oksigen menggunakan medan elektromagnetik. Penelitian dilakukan dengan cara mengalirkan udara dengan laju alir tertentu melalui alat pengayaan tersebut, udara yang keluar melalui salah satu pipa adalah udara yang kaya oksigen dan di pipa lain akan kaya nitrogen. Berdasarkan penelitian yang dilakukan dengan variasi laju alir udara dan tegangan listrik didapat peningkatan konsentrasi oksigen sebesar 1,05 % dan 0,66 %. Hasil tersebut cukup membuktikan kebenaran akan hipotesis bahwa oksigen dapat terpisahkan dari udara menggunakan metode elektromagnet.

Abstract

The method of air separation with high oxygen rate that has widely known are cryogenic technology, PSA, VSA and membrane. Besides the method, there is another alternative method which have been developed at this last some years, that is method of air separation with magnetization. The principal of this technology is the nature of magnetism from oxygen which is paramagnetic, and nitrogen which is diamagnetic. If air is passing through an area with the magnetic field, the oxygen will be sligthly attracted by the magnetic fieldand the nitrogen will be repelled, so that both of the element will be dissociated. To prove the hypothesis, an appliance of oxygen enrichment using electromagnetic fieldis constructed. Research conducted by flowing air with certain flow rate through the appliance of the enrichment, the air flowing out through one of the outlet pipe is rich of oxygen and the othe pipe will be rich of nitrogen. Based on the of research conducted with variation of air flow rate and the electricity voltage, the improvement of oxygen concentration is equal to 1,05 % and 0,66 %.. The result prove hypothesis that oxygen can be separated from the air using electromagnet method.

1. Pendahuluan

Dewasa ini, ada beberapa teknologi pemisahan udara yang lazim digunakan untuk mendapatkan oksigen dengan kadar yang cukup tinggi. Metode yang sering digunakan antara lain adalah metode pemisahan kriogenik, metode PSA (Pressure Swing Adsorption), metode VSA (Vacuum Swing Adsorption), dan metode pemisahan membran. Metode yang telah disebutkan di atas banyak digunakan dalam dunia industri dalam skala besar, prosesnya relatif rumit, dan tentunya memerlukan biaya yang tidak murah [1].

Selain metode tersebut, ada metode alternatif lain yang telah dikembangkan beberapa tahun terakhir ini, yaitu metode pemisahan udara dengan magnetisasi. Proses pemisahan ini memiliki tujuan utama untuk meningkatkan kadar oksigen yang dipisahkan (enrichment) yang nantinya akan sangat berguna dalam proses aplikasi oksigen lainnya

Proses magnetisasi merupakan salah satu metode pemisahan dan pengayaan oksigen (oxygen enriching) untuk keperluan industri dan rumah tangga yang tidak membutuhkan kadar oksigen yang tinggi, seperti proses pembakaran, pembuatan baja, pengelasan, dan proses air conditioning.

Proses pemisahan ini relatif sederhana, sehingga mudah diterapkan dan relatif lebih ekonomis dalam hal pembiayaan, walaupun dalam hal tingkat pemisahan oksigen relatif lebih rendah dibandingkan proses yang biasa digunakan dalam industri. Prinsip teknologi ini berdasarkan sifat kemagnetan dari oksigen yang bersifat paramagnetik, dan nitrogen yang bersifatdiamagnetik. Jika udara dilewatkan pada daerah yang termagnetisasi,

maka oksigen akan tertarik dan nitrogen akan tertolak sehingga kedua unsur tersebut akan terpisahkan. Dalam pembahasan ini, proses magnetisasi yang dilakukan menggunakan medan elektromagnet.

Molekul oksigen bersifat paramagnetik, hal ini dapat dijelaskan berdasarkan konfigurasi elektron oksigen. Terdapat dua elektron yang memiliki propabilitas untuk tidak berpasangan. Elektron yang tidak berpasangan inilah yang menyebabkan molekul oksigen bersifat paramagnetik. Sedangkan gas nitrogen semua elektronnya berpasangan sehingga bersifat diamagnetik [2].

Sifat paramagnetik dan diamagnetik ini dapat dilihat juga berdasarkan nilai magnetic susceptibility. Yaitu sebuah sifat yang menyatakan seberapa besar kecenderungan suatu zat untuk dapat dipengaruhi oleh adanya medan magnet.

Tabel 1. Magnetic Susceptibility [3] Jenis material Magnetic susceptibility (cm3_/g) N2 (gas) -0,43 x 10 -6 O2 (gas) +106,2 x 10 -6

Material yang bersifat paramagnetik memiliki nilai magnetic susceptibilty positif, sedangkan yang bersifat diamagnetik nilainya negatif.

Berdasarkan sifat ini, maka jika udara dilewatkan pada daerah yang termagnetisasi, oksigen akan tertarik dan nitrogen akan tertolak sehingga kedua unsur tersebut akan terpisahkan.

Pemisahan oksigen akan efektif jika kekuatan medan magnetnya cukup besar dan adanya variasi kekuatan medan magnet secara mikroskopik yang dihasilkan dari induksi medan magnet. Variasi kekuatan medan magnet yang dimaksud mirip dengan fenomena adsorpsi-desorpsi. Ketika kekuatan medan magnet besar, oksigen akan tertarik (teradsorpsi), dan ketika kekuatan medan magnet kecil, oksigen akan lepas (terdesorpsi). Ketika oksigen lepas pada satu titik, maka akan ditarik oleh titik setelahnya yang memiki kekuatan medan magnet yang besar sehingga secara keseluruhan oksigen akan terdorong dan terpisah dari nitrogen.

Untuk menghasilkan fenomena tersebut digunakan kumparan solenoida dengan arus lisrik bolak-balik.

Gambar 1. Arah Arus Lisrik dan Garis-Garis Gaya Magnetik Pada Kumparan Solenoida [4]

Persamaan matematika untuk kumparan solenoida adalah:

B = k ni (1)

Dimana,

B = besar kuat medan magnet (weber/m2) k = konstanta kesebandingan

= K. µ0 = (Relative Permeability).4 π 10-7 n = jumlah lilitan/panjang kumparan (N/L) i = kuat arus (A)

Selain kuat medan dan gaya magnet, gradien medan medan juga sangat berpengaruh pada proses magnetisasi dalam kumparan berarus listrik. Gradien medan magnet adalah suatu perbedaan kuat medan magnet pada suatu tempat, yang dirumuskan sebagai berikut:

Grad = µ02 H (dH/dy) (2)

Dimana,

Grad = gradien medan magnet (T2/m) µ0 = 4 π 10-7 Wb/Am

H =intensitas medan magnet (Tesla)

(dH/dy) = perubahan intensitas medan magnet pada jarak tertentu (Tesla/m) Hubungan H dan B adalah sebagai berikut:

B = µH = µ0 (1+χ) H (3)

Dimana,

µ = permeabilitas absolut

χ = kemampuan kemagnetan suatu zat

Jika suatu gas dilewatkan dengan kecepatan tertentu pada suatu kumparan, dan jika di dalam kumparan tersebut terdapat gradien medan magnet, maka gradien tersebut dapat menyebabkan adanya perbedaan percepatan [5]. Perbedaan percepatan yang ditimbulkan ini menyebabkan gas yang bersifat paramagnetik dapat tertarik ke dinding kumparan dan bergerak keluar dari kumparan.

Jika di dalam kumparan tidak terdapat gradien medan magnet atau hanya memiliki medan magnet yang homogen, maka gas yang bersifat paramagnetik tersebut tidak dapat dipengaruhi oleh medan magnet [5].

Besar kuat medan magnet dan gradien medan maganet ini dapat menghasilkan gaya tarik magnet. Secara matematis besar gaya tarik di dalam medan magnet ini dinyatakan dengan persamaan :

Fm = (χ/µ0) B (dB/dy) (4)

Dimana,

Fm = gaya tarik magnet (N)

χ

= kemampuan kemagnetan suatu zat

µ0 = permeabilitas ruang hampa = 4 π 10 -7 B = besar kuat medan magnet (weber/m2) (dB/dy) = gradien medan magnet

Gaya tarik ini sangat efektif karena memiliki kekuatan tarik yang cukup besar. Untuk 1 mol oksigen, jika besar kuat medan magnet 1 Tesla dan gradien medan magnet sebesar 120 T2/m, maka dapat menghasikan gaya sebesar 4,2 Newton atau sebesar tujuh kali besar gaya gravitasi [6]

2. Metodologi

Alat pengaya oksigen menggunakan medan elektromagnet terdiri dari 3 bagian uama yaitu pipa baja tahan karat, kumparan kawat tembaga dan rangkaian sumber arus listrik AC. Susunannya dapat dilihat pada Gambar 2. Udara bertekanan masuk dari sebelah kiri alat dengan tekanan 2 bar dan selanjutnya akan mengalami arah medan magnet (B) sebesar 571 Gauss. Molekul Oksigen yang bersifat paramagetik akan mengalami gaya tarik magnet (Fm) kearah dinding magnet dan selanjutnya keluar pada pipa keluaran Oksigen (pipa T), sementara molekul Nitrogen akan bergerak lurus pada arah sumbu pipa dan keluar pada pipa Nitrogen (pipa lurus). Arus listrik yang digunakan sebesar 1,3 Ampere , sementara tegangan divariasikan sebesar 11 - 14 volt.

Gambar 2. Alat Pengayaan Oksigen Menggunakan Medan Elektromagnet

Pengujian yang dilakukan meliputi variasi laju alir udara masuk dan tegangan listrik pada arus AC, kemudian sampel keluaran akan dianalisis menggunakan Kromatogrfi Gas DO Meter . Tingkat pemisahan dilakukan dengan membandingkan secara langsung komposisi oksigen dengan dan tanpa perlakukan medan elektromagnet.. Diagram alir penelitian yang dilakukan adalah seperti yang terlihat pada Gambar 3 berikut ini :

3. Hasil dan Pembahasan

Gambar 4. menunjukkan bahwa perubahan komposisi oksigen berfluktuatif terhadap variasi laju alir 60 s/d 100 cc/s, sehingga tidak dapat dilihat bagaimana pengaruh kenaikan laju alir terhadap efektifitas pemisahan oksigen.

Namun pada laju alir yang sama dapat terlihat bahwa dengan adanya magnetisasi, terdapat perbedaan komposisi oksigen antara komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ dengan keluaran tanpa magnet dan keluaran pipa lurus. Pada semua variasi laju alir, terlihat bahwa komposisi oksigen pada pipa ‘T’ lebih besar dari pada pipa lurus dan keluaran tanpa magnet.

Untuk laju alir 90 cc/s terjadi perbedaan komposisi oksigen tertinggi antara pipa ‘T’ dan keluaran tanpa magnet yaitu meningkat sebesar 0,214 % atau tingkat efektifitas pemisahannya sebesar 1,05 %. Gambar 5 menunjukkan tingkat efektifitas pemisahan untuk berbagai variasi laju alir. Hal ini menjelaskan bahwa pada kondisi tersebut ada indikasi terjadinya pemisahan oksigen dari udara yang keluar melalui pipa ‘T’.

Kandungan Oksigen 20 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 60 70 80 90 100

Laju A lir Udara ( c c/ s)

K a n dunga n O da la m uda ra ( % )

Out let Lurus Out let T Tanpa M agnet

Gambar 4. Komposisi Oksigen Sebelum dan Sesudah Termagnetisasi Pada Variasi Laju Alir

Tingkat E fektifitas P emisahan O2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 60 70 80 90 100 La ju A lir Uda r a ( c c / s ) K e na ik a n K a ndu nga n O (% )

Gambar 5. Tingkat Efektifitas Pemisahan Pada Variasi Laju Alir

Fenomena pemisahan ini disebabkan molekul-molekul oksigen terpengaruhi oleh gaya tarik medan magnet, tertarik ke dinding pipa dan keluar melalui keluaran pipa ‘T’. Sedangkan nitrogen tidak dipengaruhi medan magnet dan keluar melalui keluaran pipa lurus. Sehingga komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ lebih besar dari pada keluaran pipa lurus. Jika tidak termagnetisasi, komposisi oksigen di kedua keluaran tersebut akan bernilai sama.

Terjadinya pemisahan ini disebabkan oleh faktor waktu tinggal udara yang melewati alat. Semakin lama waktu tinggal, yaitu pada saat laju alir rendah, maka semakin besar pula kemungkinan udara yang lewat untuk

dipengaruhi oleh medan magnet. Tetapi perubahan yang terjadi tidaklah linier, tetapi cenderung fluktuatif. Salah satu sebab yang mempengaruhinya adalah kemampuan gas untuk berdifusi.

Setelah mengalami proses pemisahan karena pengaruh medan, udara kemungkinan akan berdifusi kembali dengan udara asalnya. Proses difusi ini kemungkinan besar memiliki driving force yang lebih besar dibandingkan dengan laju alir udara yang ada. Kita ketahui bahwa oksigen adalah gas yang mudah untuk berdifusi kembali ke udara asal yang memiliki konsentrasi yang lebih rendah.

Selain itu konfigurasi elektron oksigen di orbital p, memiliki dua elektron yang tidak berpasangan. Menurut Kaidah Hund, konfigurasi yang lebih stabil adalah yang memiliki subkulit terisi penuh atau setengah penuh. Hal ini menyebabkan oksigen tergolong molekul yang tidak stabil, sehingga proses pemisahan yang terjadi tidak berlangsung optimal. Kandungan Oksigen 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 11 12 13 14 15

Tegangan Listrik ( V olt)

K a ndunga n O da la m uda ra ( % )

Out let Lurus Out let T Tanpa M agnet

Gambar 6. Komposisi Oksigen Sebelum dan Sesudah Termagnetisasi Pada Variasi Tegangan Listrik

Dari Gambar 6 di atas terlihat bahwa pada semua variasi tegangan, komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ lebih besar dari pada keluaran pipa lurus dan keluaran tanpa magnet, akan tetapi perubahannya masih fluktuatif. Hal ini cukup menjelaskan bahwa tegangan listrik (voltase) mempengaruhi efektifitas pemisahan oksigen. Komposisi oksigen pada keluaran pipa“T“ cenderung terus meningkat bila dibandingkan pada oksigen pada pipa tanpa magnet, yaitu pada tegangan 11, 12, dan 13 Volt.

Indikasi pemisahan terbesar terlihat pada tegangan 13 Volt, komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ lebih besar 0,136 % dari pada keluaran tanpa magnet atau tingkat efektifitas pemisahannya sebesar 0,66 %. Tingkat efektifitas pemisahan untuk berbagai variasi tegangan listrik ditunjukkan pada Gambar 7 berikut ini.

Tingkat E fektifitas P emisahan O2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 11 12 13 14 15

Te ga nga n Lis trik ( V olt)

K e na ik a n k a ndun ga n O (% )

Gambar 7. Tingkat Efektifitas Pemisahan Pada Variasi Tegangan Listrik

Sesuai dengan persamaan (1), besarnya kuat arus dan jumlah lilitan mempengaruhi besarnya kuat medan magnet pada kumparan solenoida. Sedangkan besarnya kuat arus yang dtimbulkan bergantung pada besarnya tegangan listrik yang diberikan. Pada penelitian ini, dengan melakukan berbagai variasi tegangan listrik, belum dapat dicapai kuat medan magnet yang dapat menghasilkan pemisahan oksigen yang tinggi. Hal ini disebabkan

untuk dapat mencapai kuat medan magnet yang optimal diperlukan juga jumlah lilitan dan arus yang lebih besar lagi.

4. Kesimpulan

Tingkat pemisahan oksigen dari udara menggunakan alat pengkaya oksigen telah dapat mengamati terjadinya proses pemisahan oksigen dari nitrogen. Meskipun tingkat pemisahan yang didapat baru sekitar 1 %, namun hal tersebut telah menunjukkan adanya suatu indikasi kuat terjadinya pemisahan oksigen dan nitrogen dari udara akibat adanya medan magnet. Pengaruh variabel penting seperti tegangan dan laju alir umpan memang belum terlihat jelas dalam penelitian ini hal ini dapat disebabkan masih rendahnya tingkat pemisahan yang didapat . Besarnya kuat medan medan magnet akan sangat berpengaruh terhadap kinerja alat , penggunaan medan eletromagnet sebagai sumber medan magnet masih belum cukup efektif menghasilkan medan magnet yang besar jika dibandingkan dengan magnet permanen , untuk itu diperlukan suatu kajian lanjut dengan menggunakan magnet permanen sebagai sumber medan magnet.

5. Daftar Acuan

[1] Faisal dan Dwi C., 2004, Laporan Kerja Praktek di PT AIR LIQUIDE Cibitung, Teknik Gas dan Petrokimia Universitas Indonesia, Depok.

[2] Cotton, F. Albert ,1989, “Kimia Anorganik dasar”, UI-Press, Jakarta.

[3] Wakayama, N. I., 1999, “Utilization of Magnetic Force in Space Experiments”, Adv. Space Res., Vol. 24, No. 10, pp. 1337-1340, Elsevier Science Ltd.

[4] http://hyperphysics.phy-astr.gssu.edu/hbase/solids/ferro.html

[5] Wakayama, N. I., 1994, “Magnetic Acceleration and Deceleration of O2 gas Stream Injected Air”, IEEE

Transactions On Magnetics, Vol. 31, No. 1.

[6] Iwasaki, M., etc, 1993, “Dynamic Behavior of Gas Flow in Gradient Magnetic Fields”, IEEE Transactions