MODEL TRANSPORT LARUTAN REAKTIF DALAM KOLOM TANAH. Barokah Aliyanta *, Satrio Dewanto *

MODEL TRANSPORT LARUTAN REAKTIF DALAM KOLOM TANAH

Barokah Aliyanta *, Satrio Dewanto *

ABSTRACT ID990000046 MODELING OF REACTIVE SOLUTE TRANSPORT IN SOIL COLUMN. Laboratory scale experiment were conducted to describe migration and interaction of reactive solute transport in disturbed soil column. Obtained breakthrough curves from experiment are used to evaluate migration of reactive solute in the unsaturated soil layer, based on the best fitting from the result of numerical simulation for one dimensional convection-dispersion equation and is incorporated with adsorption process, that are equilibrium and kinetics adsorption. The model used in the simulation divides the adsorption site into two parts, namely equilibrium and kinetics parts. The simulation results from this model provided good approximation to the experimental results so that the simulation results give a good description on the reactive solute transport in soil column.

ABSTRAK

MODEL TRANSPORT LARUTAN REAKTIF DALAM KOLOM TANAH. Percobaan skala laboratorium telah dilakukan untuk menggambarkan migrasi dan interaksi larutan reaktif dalam kolom tanah disturbed. Dari percobaan ini didapatkan kurva breaktrough. Kurva ini digunakan untuk mengevaluasi migrasi larutan reaktif dalam lapisan tanah tak jenuh, melalui penyesuaian dengan kurva hasil simulasi numerik persamaan konveksi-dispersi 1 dimensi dan digabung dengan adsorpsi yang digambarkan dalam bentuk adsorpsi keseimbangan dan adsorpsi kinetik. Digunakan model yang membagi daerah adsorpsi menjadi 2 bagian, yaitu bagian keseimbangan dan kinetik. Hasil simulasi dengan model ini memberi hasil yang mendekati hasil percobaan sehingga dapat memberi penjelasan yang baik pada transport larutan reaktif dalam kolom tanah.

PENDAHULUAN

Dari tahun ke tahun telah terjadi peningkatan penggunaan zat-zat kimia sebagai bahan fertilizer, herbisida maupun pemakaian logam yang menghasilkan limbah di bidang industri dan Iain-lain, yang berpotensi mencemari airtanah melalui media porous tak jenuh. Belakangan ini, telah dan banyak dikembangkan penelitian berkenaan dengan migrasi larutan dan karakteristiknya dalam tanah, melalui percobaan laboratorium menggunakan kolom tanah adalah umum dilakukan [1].

Pengembangan dan penggunaan model transport larutan sebagai alat untuk analisis atau memprediksi migrasi .polutan dalam tanah telah banyak dikembangkan. Model ini dikembangkan untuk analisis migrasi suaru larutan reaktif dalam kolom tanah khususnya atau kontaminan umumnya melalui media porous tanah.

Kontaminan yang bergerak dalam media porous tanah akan mengalami beberapa proses kejadian atau interaksi sebelum mencapai permukaan air tanah. Proses ini antara lain pertukaran ion, filtrasi, interaksi muatan partikel, adsorpsi maupun presipitasi. Hal umum yang dipertimbangkan dalam pemodelan berkenaan dengan migrasi larutan dalam tanah adalah proses retensi sebagai akibat interaksi antara polutan dengan partikel tanah dan merupakan proses fisika-kimia yang sering disebut sebagai adsorpsi.

Dalam model ini telah dicoba mensimulasi pengaruh konveksi-dispersi dan adsorpsi linear keseimbangan maupun adsorpsi linear ketakseimbangan dan atau gabungan keduanya terhadap larutan reaktif yang bergerak dalam kolom tanah.

TRANSPORT LARUTAN DALAM KOLOM TANAH

Transport larutan dalam 1 dimensi arah vertikal dan tidak adanya faktor sink serta dalam kondisi aliran tunak digambarkan dengan persamaan konveksi-dispersi sebagai [2,3]

dCldt + ( 0 - f ) p /0 ) dq/dt = D ^C/Sz2 - v dCldz ( 1 )

dimana

C = konsentrasi dalam larutan (|a.g/ml) f = porositas

p = densitas tanah kering (g/cm3)

v = kecepatan air dalam pori-pori (cm/jam) D = koefisien dispersi (cm /jam)

0 = kandungan rata-rata air

q = adsorpsi keseimbangan linear atau adsorpsi kinetik, maupun gabungan keduanya.

MODEL TRANSPORT Asumsi

Seperti halnya pada beberapa model simulasi lain, model di sini juga menggunakan beberapa asumsi selama larutan reaktif mengalir dalam kolom tanah.

Aliran air dianggap 1 dimensi, homogen dalam kandungan air dan pada kondisi aliran tunak. Semua proses dispersi larutan digambarkari dengan kombinasi diffusi molekuler dengan hukum Fick dan dispersi hidrodinamik.

Aplikasi model untuk simulasi transport larutan reaktif tergantung pada penjelasan yang benar berbagai proses transport dan penggunaan paramater masukan. Pada prinsipnya model ini dikembangkan untuk penelitian skala laboratorium dengan kolom tanah, yang mungkin terbatas aplikasinya dalam skala lapangan.

ADSORPSI

Adsorpsi dapat dikatakan sebagai proses yang mana larutan dalam fase cair ditransfer ke fase padat. Secara umum dinyatakan dalam bentuk adsorpsi keseimbangan linear atau ketakseimbangan (kinetik) linear, yaitu distribusi keseimbangan atau kinetik material antara fase cair dan fase padat.

Adsorpsi Keseimbangan linear

Adsorpsi keseimbangan linear dinyatakan dalam bentuk :

q = Kd C ( 2 ) Persamaan (2) ini menunjukkan terjadinya keseimbangan antara konsentrasi larutan dalam fase padat (terserap dalam tanah) dengan konsentrasi fase cair (larutan) dengan faktor keseimbangan Kd dan disebut sebagai koefisien distribusi. Dalam sistim dinamik, adsorpsi ini berlangsung cepat dibandingkan dengan kecepatan aliran air/larutan dalam pori-pori tanah, sehingga keseimbangan fase cair dan padat dapat tercapai dalam waktu sesaat.

Adsorpsi ketakseimbangan/kinetik linear

Proses adsorpsi ini terjadi karena adanya transfer larutan dari fase cair ke fase padat dan atau sebaliknya, sehingga rasio konsentrasi terserap dan konsentrasi fase cair akan selalu berubah terhadap waktu. Proses adsorpsi demikian sering digambarkan sebagai proses adsorpsi ketakseimbangan atau kinetik dan dinyatakan dalam bentuk:

dimana

Kr adalah koefisien laju kinetik (Jam"1 )

Kd = koefisien distribusi (ml/g) C = konsentrasi fase cair (|ig/ml) q = aktual konsentrasi terserap (p.g/g)

SOLUSI NUMERIK Pendekatan beda hingga

Secara ringkas penyelesaian1 numerik persamaan konveksi-dispersi ini melalui

pendekatan beda hingga sebagai berikut. Persamaan (1) diselesaikan secara numerik dengan skema beda hingga Crank-Nicholson yang ditulis dalam bentuk nondifferensial sebagai Cy = 0.5 ( Cy+i + Q j )[4] : dimana subcript i dan j masing-masing mewakili nodal ruang dan waktu. Dengan mengelompokkan nodal waktu j+1 disebelah kiri dan nodal waktu j disebelah kanan, serta mengalikan kedua ruas dengan (Az) didapatkan persamaan (4) sebagai berikut:

C M. j+ 6i (Az)2 At 8i+0.5 5 Vi.o 5 (AZ) 2 Di+0.5 ( 2 > Ci - ' , j + )i.0.5Di.0.5 2 6i (Az)2 At Vi-0.5 (AZ) 2 ei + 0.5D 2 i+0.5 2 :

Qi-0.5 Dw. j Vj.o.5 (AZ) 9j + 0 5 Di + 0 5

}Ci, i + { } Ci + U - ( 1 - f) p Kr (Kd Cy - qu ) (Az)2 (4) 2 2 2 dengan mendefinisikan : 9i (Az)2 Coef2i = (5a) At Vi.05(Az) (Vj + Coef5i = - = (5b) 2 4

©i-o.s Dj.o.5 Oj Dj + 9j_] Dj.!

Coef7i = = (5c)

2 4

0J+O.5 Dj+o.5 6i Dj + 9i + 1 Dj+i

Coef9i = = (5d)

2 4

R2i = ( l - f ) p K r ( K d C

i J

- q

i J

) ( A z )

2

(5e)

Dengan demikian persamaan (4) dapat ditulis dalam bentuk

(- Coef7i + CoefSi) CM J +i + (Coef2i + Coef7i + Coef9i - Coef5i) CiJ+1 - Coef9i Cj+I j+1 =

(Coef7i - Coef5i) Q., j + (Coef2i - Coef7i - Coef9i + CoefSi) Cy + Coef9i Ci+lij - R2i (6)

Syarat batas

Apabila pada saat z = 0 dan dengan konstant fluk massa ( injeksi kontinu) sehingga untuk i = 1 , Dispersi (Do) = 0 maka COj j+i = COj = Q

Oleh karena itu persamaan (6) dapat ditulis kembali sebagai

(- Coef71 + Coef51 ) Co j+I + (Coef21 + Coef71 + Coef91 - Coef51) C,J+1 - Coef91 C2 j+1 =

(Coef71 - Coef51) C0 J + (Coef21 - Coef71 - Coef91 + Coef51) C,j + Coef91 C2 J - R2I (7)

Apabila pada saat z = L (L adaiah panjang kolom tanah), 8 C/5z = 0 serta

D iend+0 5 =-0 sehingga Coef9iend = 0 dan persmaan (6) dapat ditulis

(- Coef7iend + Coef5iend) Ci e i u U j + I + (Coef2iend + Coef7iend + Coef9iend - Coef5iend) Ciend>j+1 =

(Coef7iend - Coef5iend) Ci e n d.u + (Coef2iend - Coef7iend - Coef9iend + Coef5iend) Ciendij - R2iend (8)

dari persamaan (6) sampai (8) dapat disusun dalam bentuk matrik dimana nodal waktu j+1 ditempatkan pada ruas kiri dan nodal waktu j disebelah kanan sebagai berikut

A Cj+I = B Cj + R2 (9)

Konsentrasi keluaran dari kolom tanah disimulasi berdasarkan perhitungan dari nodal waktu j ke j + 1 . Sedangkan perhitungan numerik persamaan (3) yaitu persamaan adsorpsi kinetik didekati dengan

= Kr {Kd ( ) - ( )} (10) At 2 2 2 + At Kr 2 - At Kr Q j + C; j+] atau ( ) qu + I = ( ) qu + Kr { Kd ( ) 2 At 2 At 2 2 - A t K r ' 2AtKrKd Cu + Ci J +, jadi qu + 1 = ( ) qy + ( ) (11) 2 + AtKr 2 + AtKr 2 2 - A t K r 2 AtKrKd dengan mendefinisikan VR = dan VF =

2 + At Kr 2 + At Kr

QiJ + Qij+I Cij + Cy+i

serta BRRi = ; TMCi=

2 2 Sehingga perhitungan nilai R2i dapat ditulis dengan

R2i = (l - f ) p K r ( K d T M C i - BRRi) ( Az)2 (12)

Hasil simulasi

Contoh hasil simulasi larutan reaktif yang dalam hal ini Co (NO3)2 dapat dilihat

pada gambar-2 sampai gambar-7 yang terdiri dari simulasi dengan adsorpsi linear keseimbangan , adsorpsi linear ketakseimbangan dan gabungan keduanya yaitu dengan membagi adsorpsi site menjadi 2 bagian, site dimana adsorpsi keseimbangan terjadi sesaat dan site dimana adsorpsi terjadi secara kinetik. Sedangkan parameter yang digunakan dapat dilihat pada gambar-1 (a, b, c) untuk larutan non reaktif dan tambahan parameter Kd ( untuk adsorpsi keseimbangan), Kd dan Kr ( untuk adsorpsi kinetik) serta Kdl, Kd2 dan Kr (untuk gabungan adsorpsi keseimbangan dan kinetik), masing-masing dapat dilihat pada gambar-2 sampai 7. Dengan C/Co adalah relatif

konsentrasi yang keluar dari kolom tanah dan V/Vo adalah angka volume pori air yang keluar dari kolom tanah.

KESIMPULAN

Kurva breakthrough larutan reaktif mempunyai karakteristik retensi yang cukup besar di dalam kolom tanah disturbed. Retensi ini disebabkan oleh adsorpsi larutan reaktif dalam kolom tanah. Dengan membagi fase padat tanah ke dalam 2 daerah adsorpsi, yaitu daerah pertama yang mencapai keseimbangan linear adsorpsi sesaat dan daerah kedua dimana terjadi proses adsorpsi kinetik, didapatkan hasil simulasi yang lebih baik dan penggabungan adsorpsi keseimbangan (Kdl) dengan adsorpsi kinetik (Kd2, Kr) diperoleh hasil simulasi yang sangat mendekati dengan titik-titik data pengamatan. Penggabungan kedua adsorpsi ini dalam simulasi dapat menjelaskan dengan baik transport larutan reaktif dalam kolom tanah.

DAFTAR PUSTAKA

1. H.M. SELIM, et. al, "Modeling the transport of Chromium (VI) in Soil Columns", Soil Sci. Soc. Am. Journal 53 (1989) 996

2. M. SHINSUKE, et. al, "Evaluation of Solute Transport in Unsaturated Column by Multi-Component Flow Model", in Japanese, Proc. of Env. and San. Eng. Research, Kyoto University, 22 (1986)

3. G.H. BOLTH, "Soil Chemistry, B. Physico-Chemical Models", Elsevier, New York (1979)

4. G.A. SOD, "Numerical Methods in Fluid Mechanics", Cambridge Univ. Press (1985)

1 o.s 0.6 0.4 0.2 ft - la Jet^o"^ : / - J 7

I

o>

/

i]il

Q = 8 5 ml/jam L = 8 cm 0 = 5 cm f - 0.56 6 = 0.50 DM =0.6 cm i . i . 0.5 1.5 V/Vo 2.5 0.5 1.5 V/Vo l D.S 0.6 0.4 0.2 I lb

" S

• / °

- r°

- of

/

° j Q =119 ml/jam i L = 8 cm 1 0 = 5 cm ! f - 0.53 0 = 0.48 ! DM =0.7 cm L , i 2.5 C/Co 1 0.S 0.6 0.4 0.2 -g, n o w ; Q =50.5mJ/jam L = 8 cm : 0 = 5 cm f - 0.53 j 6 =0.41 j DM = 1.1 cm i . . . . i 0.5 1.5 V/Vo 2.5

C/Co 1

0.2

-Gambar2. Kurva breakthrough Co hasil pengukuran dan perhitungan berdasarkan adsorpsi keseimbangan (kolom 1).

C/Co l

0.2

-Gambar 3. Kurva breakthrough Co hasil pengukuran dan perhitungan berdasarkan adsorpsi keseimbangan (kolom 2).

C/Co 1 r

0.2

Gambar4. Kurva breakthrough Co hasil pengukuran dan perhitungan berdasarkan adsorpsi keseimbangan (kolom 3).

C/Co 10 20 30 V/Vo 40 I 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Kdl Kd2 Kr = —-^ Kd = Kr = = 6 = 0.8 0.06 6.8 3.1 . i . . , . 50 60

Gambar5. Kurva breakthrough Co hasil pengukuran dan perhitungan berdasarkan adsorpsi kinetik dan gabungan antara adsorpsi keseimbangan dan kinetik (kolom 1).

C/Co 1 0.8 " 0.6 -0.4 -0.2

-: M

: /

-"-

—.

Kdl Kd2 Kr = 4.3 = 1.8 = 0.08 i , i Kd Kr = 5.5 = 1.7 , , i , i , , i > , . . 10 20 30 V/Vo 40 _{50 60}

Gambar 6. Kurva breakthrough Co hasil pengukuran dan perhitungan berdasarkan adsorpsi kinetik dan gabungan antara adsorpsi keseimbangan dan kinetik (kolom 2 ) . C/Co 0.8 0.6 -0.4 -0.2 -•

Jr/

_ Q'/ ^ Kr Kd = 0.5 = 5.5 I I I ! 1 I I Kr = Kdl = Kd2 = • • 1 0.04 4.3 1.5 • i • • i i • i i 10 20 30 V/Vo 40 50 60

Gambar 5. Kurva breakthrough Co hasil pengukuran dan perhitungan berdasarkan adsorpsi kinetik dan gabungan antara adsorpsi keseimbangan dan kinetik (kolom 3).

DIAKUSI

PRATOMO BS

Pada percobaan yang Anda lakukan dengan menggunakan larutan Co(NO3)2, berapa

pH larutan sebelum dan sesudah dilewatkan kolom 50//?

BAROKAH ALIYANTA

pH masuk dan pH keluar sama yaitu 4,2 karena telah dikondisikan terlebih dahulu sebelum percobaan dimulai.

AMIR EFFENDI

Bagaimana jika dalam penelitian Anda digunakan tracer yang radioaktif misalnya Cobalt? Apakah hasilnya akan lebih baik bila dibandingkan dengan menggunakan larutan reaktif seperti yang telah Anda gunakan?

BAROKAH ALIYANTA

Hasilnya sama, karena radioaktivitas suatu unsur tidak akan merubah harga/koefisien adsorpsi.

HANAFIKAMARZ

1. Apa tujuan penelitian ini dan apa kegunaannya? 2. Apa jenis tanah yang digunakan dalam kolom?

BAROKAH ALIYANTA

1. Tujuan penelitian adalah untuk mempelajari karakteristik migrasi Co dalam tanah dan berguna untuk menganalisa kasus pencemaran logam secara umum, khususnya Co.