UNIVERSITAS INDONESIA
PENYISIHAN AMONIA DARI AIR LIMBAH
MENGGUNAKAN GABUNGAN PROSES MEMBRAN
DAN OKSIDASI LANJUT DALAM REAKTOR HIBRIDA
OZON-PLASMA MENGGUNAKAN LARUTAN PENYERAP
ASAM SULFAT
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik
SILVIA RAHMI EKASARI 1106029805
UNIVERSITAS INDONESIA FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Tesis ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Silvia Rahmi Ekasari
NPM : 1106029805
Tanda Tangan :
HALAMAN PENGESAHAN
Tesis ini diajukan oleh
Nama : Silvia Rahmi Ekasari
NPM : 1106029805
Program Studi : Teknik Kimia
Judul Tesis : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Magister pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
DEWAN PENGUJI
Pembimbing I : Prof.Ir.Sutrasno Kartohardjono, MSc.PhD ( )
Pembimbing II : Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA ( )
Penguji I : Dr. Ir. Nelson Saksono, M. T. ( )
Penguji II : Dr. Ing. Donni Adinata, S. T. M. Eng. Sc. ( )
Penguji III : Ir. Amien Raharjo, M. T. ( )
Ditetapkan di : Depok Tanggal : Januari 2013
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul “Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat”. Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Master Teknik Jurusan Teknik Kimia pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan tesis ini, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan tesis ini. Oleh karena itu, penilis mengucapkan terima kasih kepada :
(1) Bapak Prof. Ir. Sutrasno Kartohardjono, M.Sc. Ph.D dan Prof.Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan tesis ini; (2) Bapak Ir. Mahmud Sudibandriyo, MSc. PhD selaku dosen pembimbing
akademik selama masa perkuliahan dan Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen Teknik Kimia FTUI serta Dr.Ir. Nelson Saksono,MT. dan I Dr.Ing. Donni Adinata, ST., M.Eng., Sc. dan Ir. Amien Raharjo, M. T. yang telah memberikan banyak masukan;
(3) Taufan Azwar Zamzami suami tercinta, kedua orang tua Sja’roni, MPdI dan Dra. Fasichatus Sa’niyah serta adik saya M. Hilmi Khoirul Umam yang telah memberikan dukungan baik secara moral maupun material;
(4) Rekan satu penelitian saya, Fanny Rahmalia teman satu bimbingan Samantha Juliana, Hutama Prastika, dan teman-teman S2 Teknik Kimia angkatan 2011 yang telah bersedia berdiskusi dan saling mendukung satu sama lain selama proses kuliah dan penyelesaian tesis ini;
(5) Mbak Tiwi, Mang Ijal, Kang Jajat, Mas Heri dan Mas Taufik atas bantuannya pada saat penulis melakukan penelitian.
Penulis menyadari bahwa dalam proposal tesis ini masih terdapat banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun sehingga dapat menyempurnakan proposal tesis ini dan melaksanakan perbaikan di masa yang akan datang. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan bagi dunia pendidikan dan ilmu pengetahuan.
Depok, Januari 2013 Penulis
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akedemik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Silvia Rahmi Ekasari
NPM : 1106029805
Program Studi : Teknik Kimia Departemen : Teknik Kimia
Fakultas : Teknik
Jenis Karya : Tesis
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusif Royalty- Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan
Larutan Penyerap Asam Sulfat
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalih media/ formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Ditetapkan di : Depok Tanggal: Januari 2013
Yang Menyatakan
ABSTRAK
Nama : Silvia Rahmi Ekasari Program Studi : Teknik Kimia
Judul : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam Sulfat
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis efektivitas penyisihan amonia dengan kombinasi proses absorbsi dalam membran dan oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibridaozon plasma. Serta mengetahui pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor membran menggunakan larutan penyerap asam sulfat (H2SO4). Variabel proses pada proses penyisihan amonia
menggunakan membran adalah laju alir umpan (3, 4, 5 LPM), pH larutan umpan (10, 11, 12), temperatur umpan (20, 30, 40oC) dan jumlah serat membran (50, 60, 70 serat). Penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma dapat meningkatkan jumlah amonia yang akan disisihkan oleh kontaktor membran. Konfigurasi gabungan absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut dalam RHOP dapat meningkatkan penyisihan amonia menjadi 81,3% dengan konsentrasi amonia tersisa 149.568 ppm sedangkan pada proses tunggal membran yang hanya dapat menyisihkan amonia sebesar 63,9 %. Kodisi operasi optimum dalam penelitian ini diperoleh pada temperatur 400C, pH 11 dan jumlah serat membran 70.
Kata kunci: amonia,larutan penyerap asam sulfat, membran, oksidasi lanjut, ozon, danreaktor hibrida ozon-plasma
ABSTRACT
Name : Silvia Rahmi Ekasari Study Programme : Chemical Engineering
Title : Ammonia Removal from Wastewater Through a Combination of Membrane Process and Advanced Oxidation Process in a Ozone-Plasma Hybrid Reactor with Sulfuric Acid Solution as Absorbent.
In this experiment liquid waste ammonia will be removedby combination of the absorption process in the membrane and advanced oxidation using RHOP (ozone-plasma hybrid reactor). The effect addition of advanced oxidation processes in RHOP for ammonia removal process in the membrane contactor using absorbent solution of sulfuric acid (H2SO4). Process variables on ammonia
removal process using membranes is feed flow rate (3, 4, 5 LPM), the pH of feed solution (10, 11, 12), feed temperature (20, 30, 40 °C) and the amount of fiber membrane (50, 60, 70 fibers). The addition of advanced oxidation processes in a hybrid ozone plasma reactor can increasing the amount of ammonia that will be set aside by the membrane contactor. Configuring the combined absorption in the membrane and advanced oxidation processes in RHOP can increase ammonia removal to 81.3 % with concentrations149.568 ppm, compared with the single membrane process that can only be set aside ammonia by 63,9 %. Optimum operation in this study were obtained at a temperature of 400C, pH 11, and the number of fibers 70.
Keywords : absorbent solution of sulfuric acid, amonia, membrane, advanced oxidation, ozone, and ozone-plasma hybrid reactor
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR.. ... v
ABSTRAK ... vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xiii
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Rumusan Masalah ... 3 1.3 Tujuan Penelitian ... 3 1.4 Batasan Masalah ... 3 1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Amonia ... 5
2.1.1 Sifat Amonia ... 5
2.1.2 Kesetimbangan Amonia dan Ammonium dalam Air ... 7
2.2 Kontaktor Membran ... 8
2.2.1 Kontaktor Membran Serat Berongga ... 9
2.2.2 Membran Polivinil Klorida ... 11
2.2.3 Pelarut Asam Sulfat………. 12
2.2.4 Aplikasi Penggunaan Membran Serat Berongga untuk Penyisihan Amonia dengan Pelarut Asam Sulfat……….. 13
2.3 Advanced Oxidation Process ... 14
2.3.1 Teknologi Plasma ... 15
2.3.3 Aplikasi Penggunaan Reaktor Hibrida Ozon-Plasma untuk Penyisihan
Amonia………... 20
2.4 Penelitian yang Sudah Dilakukan ... 21
BAB III METODE PENELITIAN ... 27
3.1 Sasaran Penelitian ... 27
3.2 Tahapan Penelitian ... 27
3.3 Set up Peralatan dan Bahan Penelitian ... 28
3.3.1 Peralatan yang Digunakan ... 28
3.3.2 Bahan yang Digunakan ... 29
3.4 Prosedur Penelitian ... 30
3.4.1 Uji Plasma dan Ozon ... 30
3.4.1.1 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Plasma Ozon ... 30
3.4.1.2 Uji Kinerja Reaktor Hibrida Plasma Ozon ... 31
3.4.2 Uji Perpindahan Massa ... 33
3.4.2.1 Proses Membran ... 33
3.4.2.2 Proses Hibrida Plasma dan Ozon... 34
3.4.2.3 Proses Gabungan Reaktor Hibrida Plasma Ozon dan Membran ... 35
3.5 Pengolahan dan Analisis Data ... 36
3.5.1 Persen Penyisihan Ammonia (% R) ... 37
3.5.2 Menghitung Koefisien Perpindahan Massa ... 37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 39
4.1 Penyisihan Amonia Terlarut dalam Limbah Sitetis ... 39
4.1.1 Proses Penyisihan dalam RHOP………... 39
4.1.2 Proses Penyisihan dalam RHOP-Ozon ... 41
4.1.3 Proses Penyisihan dalam Membran ... 43
4.1.3.1 Pengaruh Laju Alir Umpan ... 43
4.1.3.2 Pengaruh Temperatur Umpan ... 44
4.1.4 Proses Penyisihan dalam Membran-RHOP dan Gabungan Membran- RHOP-Ozon ... 45
4.1.4.1 Pengaruh Temperatur Umpan ... 45
4.1.4.2 Pengaruh pH Umpan ... 47
4.1.5 Perbandingan dengan Referensi ... 51
4.2 Studi Perpindahan Massa ... 52
4.2.1 Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Perpindahan Massa ... 53
4.2.2 Pengaruh pH Umpan terhadap Perpindahan Massa ... 55
4.2.3 Pengaruh Laju Alir Umpan dan Jumlah Serat Membran terhadap Perpindahan Massa ... 58
BAB V SIMPULAN DAN SARAN ... 63
DAFTAR PUSTAKA ... xiv LAMPIRAN 1 DATA PENGAMATAN
LAMPIRAN 2 PENGOLAHAN DATA LAMPIRAN 3 GAMBAR ALAT
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Struktur Kimia Amonia ... 6
Gambar 2.2 Pengaruh pH pada Distribusi Amonia dan Ammonium Dalam Air ... 7
Gambar 2.3 Membran Serat Berongga ... 10
Gambar 2.4 Foto SEM Membran Serat Berongga PVC ... 12
Gambar 2.5 Representasi Skematis dari Transportasi selama Pemisahan NH3 dari Air ... 13
Gambar 2.6 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran ... 14
Gambar 2.7 Transisi Perubahan Fasa ... 16
Gambar 3.1 Bagan Alir Penelitian ... 28
Gambar 3.2 Rangkaian Alat Peralatan Reaktor Hibrida Plasma Ozon ... 31
Gambar 3.3 Skema Uji Produktivitas Ozonator ... 32
Gambar 3.4 Skema Peralatan Proses Membran ... 34
Gambar 3.5 Skema Peralatan Proses Plasma ... 35
Gambar 3.6 Skema Peralatan Proses Gabungan Reaktor Hibrida Plasma Ozon dan Membran.... 35
Gambar 3.7 Skema Peralatan Proses Membran untuk Penurunan Rumus Koefisien Perpindahan Massa. ... 36
Gambar 4.1 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP ... 41
Gambar 4.2 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP-Ozon ... 42
Gambar 4.3 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Laju Alir Umpan ... 43
Gambar 4.4 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Temperatur Umpan………..………..………..……….. 44
Gambar 4.5 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran-RHOP-Ozon ... 45
Gambar 4.6 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Temperatur… 46 Gambar 4.7 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur Umpan……… 47
Gambar 4.8 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi pH Umpan… 48 Gambar 4.9 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi pH Umpan……… 48
Gambar 4.10 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Serat Membran49 Gambar 4.11 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi Serat Membran……… 50
Gambar 4.12 Nilai %R pada berbagai Macam Proses Selama Selang Waktu 2 Jam…….50 Gambar 4.13 Perbandingan Penurunan Konsentrasi Hasil Penelitian dengan Referensi…51 Gambar 4.14 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..54 Gambar 4.15 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP Variasi Temperatur………. ……….. 54 Gambar 4.16 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur……….. 55 Gambar 4.17 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP Variasi pH……….. 57 Gambar 4.18 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP-Ozon Variasi pH……… 57 Gambar 4.19 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..58 Gambar 4.20 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP Variasi Serat Membran……….. 59 Gambar 4.21 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP-Ozon Variasi Serat Membran………..……….. 60 Gambar 4.22 Koefisien Perpindahan Massa pada (a) Proses Membran Variasi Laju Alir (b)Proses Gabungan Membran-RHOP dan (c)Proses Gabungan Membran- RHOP-Ozon Variasi Jumlah Serat………. 61 Gambar 4.23. Perbandingan Konfigurasi Proses Membran, Membran-RHOP dan Membran- RHOP-Ozon pada kondisi operasi suhu 300C dan pada kondisi operasi suhu 400C……… 62
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisik Amonia ... 6
Tabel 2.2 Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air ... 14
Tabel 2.3 Penelitian yang Telah Dilakukan terkait Penggunaan Membran untuk Proses Penyisihan Amonia………. 21
Tabel 2.4 Penelitian yang Telah Dilakukan terkait Proses Oksidasi Lanjut……… 24
Tabel 3.1 Rincian Alat yang Digunakan dalam Penelitian………29
Tabel 3.2 Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ………..29
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Permasalahan yang timbul akibat proses industrialisasi adalah meningkatnya limbah pencemar yang berbahaya bagi lingkungan. Salah satu senyawa yang dihasilkan proses industri yang dapat menyebabkan pencemaran terhadap lingkungan adalah amonia (El-Bourawi dkk., 2007). Kadar amonia dalam effluent limbah harus diminimalisir karena sangat beracun untuk spesies ikan dan oleh lingkungan amonia akan dibio-dioksidasi oleh mikroorganisme nitrifikasi menjadi nitrit dan nitrat yang berbahaya bagi manusia. Limbah dengan kadar amonia yang tinggi biasanya hadir terdapat dalam air limbah industri penyamakan kulit, tekstil, lindi TPA, pupuk (Hasanouglu, Romero dkk., 2010), pengolahan minyak bumi, farmasi dan industri katalis (Ashrafizadeh dkk., 2010). Oleh karena itu diperlukan suatu metode yang tepat dan efektif untuk pengolahan limbah yang mengandung amonia agar kualitas limbah tersebut memenuhi baku mutu lingkungan yang telah ditetapkan serta tidak berbahaya terhadap lingkungan yaitu melalui proses separasi.
Proses separasi dilakukan untuk memisahkan amonia dari limbah cair yang dihasilkan dari suatu produksi. Proses separasi yang selama ini digunakan untuk menghilangkan amonia dapat berupa amonia stripping, biological nitrification-denitrification, ion exchange, chemical precipitation, breakpoint klorinasi dan biological treatment (Li Huang, 2008). Aplikasi proses pemisahan amonia tergantung dari beberapa faktor yaitu tingkat kontaminasi, keamanan sistem, ketersediaan sumber pemanas dan bahan kimia (Xie, Duong dkk., 2009). Masing-masing teknologi konvensional ini memiliki kekurangan dan membutuhkan biaya yang mahal (Bonmati dkk., 2003).
Disamping metode konvensional tersebut, terdapat cara baru yang sedang dikembangkan yang memiliki kelebihan dibandingkan cara separasi biasa adalah dengan menggunakan teknologi membran, karena dengan menggunakan teknologi membran terdapat luas permukaan yang lebih luas untuk kontak antara larutan umpan dan larutan penyerap sehingga hanya membutuhkan energi yang lebih kecil untuk setiap mol amonia yang terserap (Hasanouglu dkk., 2010). Membran disini berfungsi
sebagai kontaktor yang merupakan media tempat berkontak antara larutan penyerap dengan amonia. Dalam penelitian ini pelarut yang digunakan adalah asam sulfat karena asam sulfat merupakan senyawa asam yang bersifat reaktif terhadap amonia yang bersifat basa, sehingga diharapkan amonia yang terpisahkan dari selongsong akan bereaksi dengan asam sulfat yang berada dalam serat membran membentuk ammonium sulfat yang dapat digunakan sebagai pereaksi bahan kimia atau penggunaan lainnya. Dalam proses pemisahan amonia dari air melalui membran, perbedaan konsentrasi dan tekanan parsial antara kedua fasa cair memberikan gaya penggerak untuk perpindahan secara difusi melalui membran tersebut (Gabelman, 1999).
Selanjutnya yang menjadi permasalahan dalam penggunaan kontaktor membran adalah amonia dalam larutan air limbah berada dalam dua kondisi yaitu molekul ammonia yang mudah menguap NH3 dan kation NH4+ (Tan dkk., 2006;
Hasanouglu dkk., 2010). Hanya molekul amonia yang mudah menguap NH3 yang
dapat terdifusi dan akan terserap dalam larutan penyerap sehingga harus ditemukan metode untuk memperbesar jumlah komponen molekul amonia yang mudah menguap (El-Bourawi dkk., 2007).
Salah satu proses untuk tujuan tersebut adalah menggabungkan dengan proses oksidasi lanjut. Proses oksidasi yang selama ini dikembangkan adalah dengan non thermal plasma (NTP) menggunakan tegangan tinggi di serat seperti elektroda untuk akan menyebabkan ionisasi gas menghasilkan sebuah jet plasma yang dapat menghasilkan sinar UV, ozon, dan radikal hidroksil (Locke, 2006). NTP dianggap sangat efisien karena sedikit energi yang hilang dalam pemanasan cairan sekitarnya, yang memungkinkan energi akan difokuskan pada eksitasi elektron (Gerrity dkk., 2009). Proses oksidasi lanjut yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah dengan gabungan teknologi plasma dengan proses ozonasi pada fasa liquid.
Penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma dapat menghasilkan ion OH- yang dapat menggeser reaksi kesetimbangan atau menghasilkan radikal OH• yang dapat membantu proses degradasi amonia. Reaktor hibrida ozon plasma yang digunakan untuk proses oksidasi lanjut dirancang untuk menghasilkan plasma berbentuk shell and tube yang terbuat dari kaca borosilikat dan diluarnya diselubungi dengan elektroda yang terbuat dari stainless steel berbentuk batang dan kasa.
Dari beberapa latar belakang diatas, keunggulan dari perancangan sistem pengolahan limbah yang akan dilakukan adalah meningkatkan efektivitas penyisihan amonia dalam membran dengan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida ozon plasma, serta mengetahui pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor membran. Metode ini belum pernah dilakukan sebelumnya, untuk itu diperlukan penelitian lebih lanjut.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas rumusan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Bagaimana kemampuan pelarut asam sulfat dalam penyisihan amonia dari
air limbah dengan menggunakan teknologi membran.
2. Bagaimana pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor membran.
3. Bagaimana kombinasi teknologi proses absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida ozon plasma untuk menghilangkan amonia dalam air limbah serta bagaimana efektivitasnya. 1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang dan menganalisis efektivitas kombinasi proses absorbsi dalam membran dan oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida ozon plasma. Serta mengetahui pengaruh penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor membran menggunakan larutan penyerap asam sulfat (H2SO4).
1.4 Batasan Masalah
Penelitian ini merupakan suatu usaha untuk meningkatkan efektivitas penyisihan amonia dalam membran dengan penggabungan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma. Dengan penambahan proses oksidasi lanjut, diharapkan proses penyisihan amonia lebih sempurna dan menghasilkan produk yang ramah lingkungan dan aman. Dalam penelitian ini, pembahasan dilakukan dengan batasan-batasan sebagai berikut:
1. Air limbah yang digunakan sebagai umpan adalah air limbah sintetik amonia 800 ppm yang bebas partikel pengotor.
2. Membran yang digunakan adalah membran serat berongga dari polimer polivinil chlorida (PVC) yang bersifat hidrofobik.
3. Larutan penyerap yang digunakan adalah larutan H2SO4.
4. Reaktor hibrida ozon plasma yang digunakan merupakan hasil rancang bangun peneliti di Laboratorium Intensifikasi Proses dengan tegangan ±9300 V.
5. Variabel tetap yang digunakan adalah peralatan yang sama untuk membran, plasma, dan ozonator.
6. Variabel yang divariasikan adalah temperatur, pH larutan umpan, laju alir umpan dan jumlah serat membran.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tesis ini terdiri dari lima bab, yaitu: BAB I PENDAHULUAN
Menjelaskan latar belakang, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan masalah
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab Tinjauan Pustaka merupakan bagian yang memuat landasan teori dan yang menjadi acuan penulis untuk melakukan penelitian dan pembahasan mengenai hasil penelitian.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Menampilkan tahapan penelitian yang akan dilakukan, diagram alir prosedur penelitian, skema rangkaian alat, tahapan operasi dan studi perpindahan massa. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisi analisis dan pembahasan dari hasil penelitian berupa data yang diperoleh. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi kesimpulan dari analisis dan pembahasan dari hasil penelitian yang dilakukan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pada tinjauan pustaka ini berisi landasan teori umum yang digunakan untuk menjelaskan masalah yang akan dibahas penulis untuk melakukan penelitian diantaranya, teori tentang amonia meliputi baku mutu limbah amonia serta kesetimbangan amonia dalam air, penyisihan amonia dengan teknologi membran, pelarut asam sulfat, definisi proses oksidasi lanjut menggunakan plasma dan ozon, serta kelebihan teknologi penyisihan amonia dengan menggunakan proses absorbsi dalam membran dan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida plasma-ozon. 2.1 Amonia
Amonia (NH3) adalah gas atau cairan tak berwarna yang memiliki bau yang
berbeda. Amonia merupakan kontaminan yang umum di tanah maupun air limbah. Konsentrasi NH3-N dapat bervariasi dari 5 sampai 1000mg / L dalam air limbah
industri kokas, pupuk kimia, gasifikasi batubara, pemurnian minyak bumi, farmasi dan industri katalis (AtkinsJr dkk., 1997). Amonia hadir dalam konsentrasi rendah dan jumlah debit mungkin rendah. Namun, amonia yang terlarut dalam air limbah tidak dapat diuapkan karena gas amonia akan menyebabkan masalah lingkungan yang serius (Bhattacharya, 2011).
2.1.1 Sifat Amonia
Dalam keadaan terlarut, amonia ada dalam dua bentuk. Salah satunya adalah gas beracun amonia (NH3) dan yang lainnya adalah ion amonium kurang berbahaya
(NH4+). Komposisi tersebut konstituen tergantung pada pH dan temperatur. Amonia
beracun berbahaya bagi kehidupan air , dalam konsentrasi terendah 0,01 ppm memiliki efek negatif pada ikan, sedangkan 0,1 ppm dapat mematikan bagi beberapa spesies lain (Bhattacharya, 2011). Gas amonia sedikit lebih ringan dari udara dan amonia dalam amonium hidroksida sangat mungkin menjadi udara. Kisaran ambang batas bau adalah 5-17 ppm.
Amonia dalam bentuk cairan atau gas dapat menyebabkan iritasi parah dan/atau luka bakar pada mata, hidung, tenggorokan dan kulit. Amonia memiliki ambang batas bau dari 5 -17 ppm (yang lebih rendah dari batas eksposur). Amonia
dalam konsentrasi tinggi dapat menyebabkan cedera permanen pada mata, kerusakan yang luas pada tenggorokan dan saluran pernapasan bagian atas, dan dapat mempengaruhi kerja jantung. Gas amonia anhidrat mudah meledak pada konsentrasi 16-25 % volume di udara. Selain itu amonia juga bersifat korosif.
.
Gambar 2.1 Struktur kimia Amonia
Dari OR-OSHA diketahui Permissible Exposure Limit (PEL) untuk NH3
adalah 25 ppm selama delapan jam untuk Time Weighted Average (TWA). Sedngkan The American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) merekomendasikan delapan jam TWA dengan konsentrasi 25 ppm, batasan ambang batas ini untuk mengendalikan potensi bahaya amonia terhadap kesehatan. ACGIH juga merekomendasikan Short Term Exposure Limit (STEL) 35 ppm selama rata-rata 15 menit.
Tabel 2.1. Sifat-Sifat Amonia (Putri , 2010)
Sifat Fisika Amonia Nilai
Massa jenis dan fase Kelarutan dalam air Titik lebur Temperatur autosolutan Titik didih Keasaman (PKa) Kebasaan (PKb) 0,6942 g/L, gas 89,9 g/100 ml pada 0°C -77,73 °C (195,42 K) 651°C -33,34 °C (239,81 K) 9,25 4,75
The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) juga telah menetapkan Recommended Exposure Limit (REL) 25 ppm dengan waktu paparan 10 jam selama seminggu (dengan jam kerja 40 jam per minggu). Mereka juga menyarankan konsentrasi amonia yang terpapar tidak lebih dari 35 ppm STEL
(OR-OSHA, 2009). Sedangkan berdasarkan peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup nomor 19 tahun 2010 adalah sebesar 10 mg/l. Amonia memiliki sifat-sifat seperti yang tertera pada tabel 2.1.
2.1.2 Kesetimbangan Amonia dan Amonium dalam Air
Amonia tidak terionisasi dan memiliki rumus kimia NH3, sedangkan
ammonium terionisasi dengan rumus kimia NH4+. Faktor utama untuk menentukan
perbandingan ammonium dan amonia dalam air adalah pH. Aktivitas amonia dalam air dipengaruhi oleh Temperatur dan kekuatan ion. Amonia sangat beracun untuk organisme yang hidup didalam air. Sedangkan ammonium tidak terlalu berbahaya. Pada suhu dan tekanan yang normal, ion NH4+ dan NH3 membentuk suatu
kesetimbangan dengan reaksi sebagai berikut (El-Bourawi, 2007):
(2.1) Distribusi NH3 dan NH4+ dalam air dipengaruhi oleh pH dan temperatur.
Pengaruh pH dan temperatur pada distribusi NH3 dan NH4+ dalam air ditunjukkan
pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Pengaruh pH dan Temperatur pada Distribusi Amonia dan Ammonium dalam Air (Viljoen, 2001)
Dari gambar 2.2 dapat diketahui persentase gas terlarut akan naik seiring dengan bertambahnya pH dan suhu. Dimana suhu dan pH merupakan salah satu faktor penting dalam penghilangan amonia.
2.2 Teknologi Membran
Sejak tahun 1990-an, proses berbasis membran telah diakui sebagai proses separasi yang baik untuk perbedaan konsentrasi sangat tinggi antar-fase dan memberikan kemudahan untuk mengontrol kondisi operasi. Studi tentang membran, banyak dikembangkan terutama untuk penghapusan komponen volatile dari air atau air limbah. Komponen yang ingin dihilangkan dari modul membran dengan cara menyapu gas, atau menggunakan beberapa pelarut, yang dapat bereaksi sangat cepat dengan komponen yang ingin dihilangkan (Ding dkk.,2006).
Teknologi membran tidak menawarkan selektivitas untuk spesies tertentu, tetapi hanya bertindak sebagai penghalang antara fasa yang terlibat, dengan memungkinkan kontak di antara mereka. Dua fasa terpisah oleh membran, dimana tidak ada pencampuran dari mereka dan tidak ada fenomena dispersi. Spesies ditransfer dari satu fasa ke fasa lain hanya dengan difusi saja. Membran yang digunakan biasanya mikroporous dan simetris, baik hidrofobik maupun hidrofilik (Drioli dkk., 2006).
Aplikasi teknologi membran tidak meningkatkan transfer massa melainkan meningkatkan luas area per volume seperti dapat ditemukan dalam serat berongga dan modulus kapiler, oleh karena itu proses ini menjadi lebih menarik daripada kontaktor fasa terdispersi konvensional. Sebagai contoh packed and tray coloumn memiliki luas area per volume sekitar 30-300 m2/m3, tetapi dengan kontaktor membran, luas area per volumenya dapat mencapai 1600-6600 m2/m3. Pada kontaktor membran G-L satu fasa adalah gas atau uap dan fasa lainnya adalah cairan sedangkan pada kontaktor L-L kedua fasanya adalah cairan. Kontaktor G-L dapat membagi proses dimana gas atau uap yang dipindahkan dari fasa gas ke fasa cair dan uap atau gas yang dipindahkan dari fasa cair ke fasa gas (Mulder, 2000).
Aspek-aspek positif kontaktor membran adalah sebagai berikut antara lain daerah interfasial yang tinggi pada volume yang kecil, tidak ada dispersi antara fasa-fasa, tidak perlu bekerja dengan cairan yang berbeda densitas, tidak ada flooding, loading, dan foaming, laju alir operasi dengan rentang yang luas, temperatur operasi yang lebih rendah jika dibandingkan dengan proses distilasi, campuran azeotropik dapat lebih mudah dipisahkan daripada dalam unit konvensional, reaksi dan
pemisahan berlangsung serentak. fleksibel, mudah dalam scale-up, kontrol dan otomatisasi.
Sedangkan aspek-aspek negatif membran kontaktor adalah seperti di bawah ini umur hidup membran terbatas, adanya fouling membran sehingga diperlukan pretreatment, stabilitas pelarut, umur hidup, dan selektivitas carrier dalam mendukung membran cair terbatas (Drioli dkk., 2009).
Perpindahan massa antar fasa pada kontaktor membran didorong oleh adanya perbedaan konsentrasi komponen antar fasa dan penurunan tekanan yang diperlukan untuk menahan interfasa antar fluida yang sangat kecil. Pada proses kontak antar fluida melalui membran, langkah-langkah yang terjadi adalah (Kartohardjono dkk., 2010):
1. Perpindahan massa komponen dari fluida umpan ke membran. 2. Difusi massa tersebut melewati membran.
3. Perpindahan massa dari membran ke fluida lainnya.
2.2.1 Kontaktor Membran Serat Berongga (Hollow Fiber Membrane Contactor- HMFC)
Serat berongga telah digunakan sejak tahun 1960-an dalam berbagai macam aplikasi seperti reverse osmosis, ultrafiltrasi, pemisahan gas membran, organ buatan, dan tujuan medis lainnya (Khulbe, 2008). Fungsi utama membran dalam kontaktor membran serat berongga adalah untuk menciptakan luas permukaan kontak yang sangat besar di dalam modul sehingga proses perpindahan massa yang terjadi akan lebih efisien. Selain itu membran serat berongga juga digunakan untuk membuat fasa kontak gas cair pada pori membran tidak bergerak dengan kombinasi efek tegangan permukaan dan perbedaan tekanan pada tiap fasa.
Perbedaan antara modul kapiler dan modul serat berongga adalah dalam masalah dimensi, sedangkan konsep modulnya sama. Modul serat berongga berkonfigurasi dengan densitas packing yang paling tinggi, yang dapat mencapai nilai 30.000 m2/m3. Modul ini digunakan jika aliran umpan relatif bersih, seperti dalam pemisahan gas dan pervaporasi. Selain itu juga digunakan dalam desalinasi air laut, dan aliran umpan yang relatif bersih lainnya (Mulder, 2000).
Gambar 2.3. Membran Serat Berongga (Gabelman and Hwang, 1999)
Modul serat berongga memiliki karakteristik yang berbeda dari modul tubular, diantaranya yaitu:
• Modul serat berongga direkomendasikan untuk beroperasi dengan bilangan Reynolds pada rentang 500-3000, kebanyakan berjalan pada wilayah aliran laminer, level tekanan rendah dengan nilai maksimum 2,5 bar.
• Karena kombinasi aliran silang dengan laju alir yang rendah dan penurunan tekanan rendah, modul serat berongga adalah salah satu modul yang lebih ekonomis dalam hal konsumsi energi.
• Modul serat berongga memiliki rasio area permukaan terhadap volume yang paling tinggi dibandingkan dengan tiga konfigurasi modul lainnya yaitu modul tubular, modul lembaran datar, dan modul spiral.
• Kelemahan modul serat berongga adalah serat tipis mereka rentan untuk diblokir oleh umpan dengan partikel besar, jika mereka beroperasi dalam mode inside-out. Oleh karena itu pretreatment untuk mengurangi ukuran partikel menjadi 100 µm biasanya diperlukan untuk modul ini (Cui, 2010).
Serat berongga juga menghasilkan fleksibilitas dalam desain modulus dan alternatif umpan dan geometri aliran produk. Umpan dan permeate dapat mengalir dengan mudah dalam orientasi co-current, counter current, atau crossflow sebagaimana yang diinginkan untuk aplikasi tertentu(Peinemann, 2006).
2.2.2 Membran Serat Polivinil Klorida
Polivinil klorida (CH2=CHCl) biasa disingkat menjadi PVC adalah polimer
didinginkan. Jika ditinjau dari segi kestabilan, senyawa ini sangat stabil karena berbentuk polimer sehingga fasanya berbentuk padatan yang keras sehingga hampir tidak berpengaruh (tidak bereaksi) terhadap kehadiran oksidator kuat. Dari segi keamanan, senyawa ini hampir tidak berbahaya dan mengganggu lingkungan karena tidak berpotensi mencemari udara, air maupun tanah (Irawan, 2010).
PVC merupakan bahan membran yang terkemuka karena biaya yang rendah, sifat fisik dan kimia serta sifat mekaniknya yang sangat baik (Xu and Xu 2002). Gambar struktur membran serat berongga PVC dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2.4 Foto SEM Membran Serat Berongga PVC (a) pembesaran 70X (b) pembesaran 200 X (c) pembesaran 800X (d) pembesaran 10000X
PVC dipilih sebagai bahan serat membran karena memiliki struktur asimetris ganda, yang berarti bahwa serat berongga memiliki permukaan bagian dalam dan luar. Struktur asimetris ganda ini memberikan sebuah stabilitas mekanik yang lebih tinggi pada serat dibandingkan dengan membran serat berongga anisotropik konvensional. Keunggulan selanjutnya adalah tidak ada resiko penyumbatan pori
membran ketika dilakukan backwashing dengan tekanan yang lebih tinggi dari sisi permeat (Guo 2009). Selain itu PVC juga tahan terhadap asam, basa, dan hampir semua bahan kimia anorganik. Meskipun PVC larut dalam hidrokarbon aromatik, keton, dan eter siklik, PVC sulit untuk larut dalam pelarut organik lainnya (Vinyl dkk., 2012).
2.2.3 Pelarut Asam Sulfat
Pelarut yang digunakan dalam proses pemisahan amonia ini adalah asam sulfat karena asam sulfat merupakan senyawa asam yang bersifat reaktif terhadap amonia yang bersifat basa, sehingga diharapkan amonia yang terpisahkan dari selongsong akan bereaksi dengan asam sulfat yang berada dalam serat membran membentuk ammonium sulfat yang dapat digunakan sebagai pereaksi bahan kimia atau penggunaan lainnya. Di samping itu asam sulfat merupakan asam kuat yang dalam air akan terionisasi sempurna sehingga tidak akan melewati membran dan berpindah ke selongsong yang mengandung amonia. Di samping itu asam sulfat lebih cocok digunakan dengan membran PVC dibandingkan asam lainnya karena tidak bersifat oksidator kuat yang dapat merusak membran PVC.
Pada proses absorbsi pemilihan larutan penyerap akan mempengaruhi proses absorbsi. dipengaruhi oleh konsentrasi larutan penyerap asam sulfat yang digunakan (Jiahui,dkk., 2008) pada kondisi laju alir dan jumlah serat yang sama, efisiensi pemisahan ammonia dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi larutan penyerap asam sulfat yang digunakan.
2.2.4 Aplikasi Penggunaan Membran Serat Berongga untuk Penyisihan Amonia dengan Pelarut Asam Sulfat
Gambar. 2.5 adalah representasi skematis dari transportasi selama pemisahan NH3 dari air. Larutan umpan yang mengandung NH3 diasumsikan mengalir melalui
shell HFMC dan larutan asam sulfat (H2SO4) mengalir secara counter-current di sisi
lumen dan digunakan sebagai larutan penyerap. Kedua larutan akan disirkulasikan kembali ke wadah masing-masing. Seperti digambarkan dalam gambar, molekul NH3
mendesorpsi dari air di pori antarmuka air dan larut ke dalam matriks polimer. selama difusi dalam pori-pori membran, molekul teradsorpsi oleh dinding pori. Selanjutnya,
mereka mendesorpsi di sisi shell dan terserap dan bereaksi oleh penyerap tersebut (Bhattacharya dkk., 2012).
Gambar 2.5 Representasi Skematis dari Transportasi selama Pemisahan NH3 dari Air
(Bhattacharya dkk., 2012)
Proses absorbsi amonia dalam membran kontaktor,ditransfer oleh proses konveksi dan difusi dari umpan terhadap antarmuka umpan-membran. Pada serat dinding (jari-jari dalam serat berongga), amonia volatile akan melewati pori-pori membran yang diisi oleh gas. Amonia kemudian berdifusi pori-pori HFMC, dan ditransfer ke dalam larutan penyerap. Pada antarmuka shell-membran, amonia segera bereaksi dengan larutan penyerap dan membentuk senyawa nonvolatil. Di sisi lain, air tidak dapat melalui serat hidrofobik dari HFMC. Prinsip penyisihan amonia melalui HFMC dapat ditunjukkan pada Gambar 2.6. (Ashrafizadeh dkk., 2012)
2.3 Advance Oxidation Processes (AOPs)
Proses oksidasi lanjut merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengoksidasi senyawa organik dalam air. Proses ini dapat digunakan untuk menyisihkan senyawa organik yang berkonsentrasi rendah sampai tinggi dari sumber yang beragam seperti air tanah, limbah rumah tangga dan industri, destruksi sludge, dan pengendalian senyawa organik yang mudah menguap. (M. B. Ray,2007).
AOPs dapat dilakukan dalam beberapa kondisi yang berbeda, yaitu ozon/UV, ozon/H2O2, ozon/UV/H2O2, H2O2/UV dan ozon pada pH tinggi. Fotolisis UV yang
dikombinasikan dengan hidrogen peroksida merupakan salah satu teknologi terbaik dan yang paling mungkin dilakukan untuk mendegradasi dan menghilangkan organik berbahaya dari air, hal ini. Oksidasi terjadi melalui tiga proses, yaitu : (1)Abstraksi hidrogen; (2) Transfer elektron; dan (3) Pembentukan radikal (Masten and Davies, 1994).
Tabel 2.2. Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air (Lukes, 2005)
Spesi aktif Potensial oksidasi OH• O• O3 H2O2 O2H• Cl2 2.80 2.42 2.07 1.78 1.70 1.36
Proses oksidasi pada kondisi ringan oleh spesi reaktif seperti radikal hidroksil yang dihasilkan oleh radiasi ultra violet (UV) dalam reaksi antara oksidan yang ada yaitu ozon dan hidrogen peroksida, hal ini yang kemudian disebut sebagai Advanced Oxidation Processes (AOPs). AOPs merupakan teknologi alternatif yang sangat menarik untuk dipelajari dalam penghancuran kontaminan-kontaminan organik yang berbahaya (Alnaizy and Akgerman, 2000).
Banyaknya reaksi fisika dan kimia yang dihasilkan oleh proses oksidasi, membuat teknologi ini dapat menjadi solusi beberapa proses yang dibutuhkan dalam pengolahan air limbah. Dan yang paling penting dalam proses oksidasi lanjut adalah banyak dihasilkan spesies aktif seperti OH•, O•, H•, dan H2O2 yang beberapa
oksidan kuat yang dapat mengoksidasi berbagai senyawa organik sekaligus membunuh bakteri.
2.3.1 Teknologi Plasma
Plasma merupakan keadaan gas kompleks suatu zat, terdiri dari radikal bebas, elektron, foton, ion, dan lain-lain. Plasma dapat dihasilkan oleh debit listrik yang terus menerus baik dalam gas inert atau gas reaktif. Untuk aplikasi membran, plasma dapat digunakan untuk meningkatkan karakteristik membran berpori dan polimer film untuk pemisahan gas (Peinemann, 2006).
Teknologi yang kemudian diperkenalkan untuk mengatasi limbah cair setelah teknologi ozon adalah teknologi plasma. Sebenarnya ozon itu sendiri dapat dibuat dengan menggunakan teknologi plasma. Jadi, secara tidak langsung teknologi ozon adalah pemanfaatan dari teknologi plasma itu sendiri.
Gambar 2.7. Transisi Perubahan Fasa (Rohman, 2009)
Plasma terbentuk karena adanya ionisasi fluida yang ada di sekitar elektroda dan adanya perbedaan tegangan yang sangat tinggi antara kedua elektroda. Mekanisme pembentukkan plasma adalah sebagai berikut:
Atom netral atau molekul dalam media pada perbedaan tegangan yang sangat tinggi akan terionisasi menghasilkan ion positif dan elektron bebas.
Elektroda akan memisahkan dan mencegah penggabungan ion positif dan elektron serta menggerakkan elektron menuju elektroda positif.
Elektron yang mengumpul pada elektroda akan bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi dan energi yang sangat besar dan menumbuk atom netral sehingga terjadi proses ionisasi, disosiasi, dan eksitasi.
Elektron dengan energi yang tinggi ini akan menumbuk dengan cara ionisasi, disosiasi, dan eksitasi yang kemudian menghasilkan elektron bebas dan akhirnya terjadi loncatan elektron (avalanche electron) yang disebut dengan streamer discharge. Elektron bebas (avalanche electron) mempunyai energi 10-15 eV (Gaffar dkk.,2000)
Ionisasi didefinisikan sebagai proses terlepasnya elektron suatu atom atau molekul dari ikatannya. Energi yang dibutuhkan untuk melepas satu atau lebih elektron dari orbitnya pada sebuah atom atau molekul dapat didefinisikan sebagai energi ionisasi E
i. Besarnya energi ionisasi dinyatakan dalam satuan elektron-volt
(eV) (Krane,1992 dalam Nur, 2006).
Reaksi ionisasi menurut Ghaffar (2000), adalah:
e-* + O2 → O+ + 2e- (2.2)
Pada proses tumbukan antara elektron dengan partikel-partikel gas tidak hanya proses ionisasi yang terjadi melainkan juga menyebabkan peristiwa-peristiwa yang lainnya. Diantaranya yaitu proses rekombinasi, dissosiasi dan eksitasi (Chapman, 1990 dalam Nur, 2006).
Kebalikan dari proses ionisasi adalah proses rekombinasi. Rekombinasi terjadi dengan cara pengikatan elektron oleh ion dan pengikatan antar atom menjadi molekul sehingga menjadi spesies netral atau ion negatif yang disertai pemancaran foton (Chapman, 1990 dalam Nur, 2006).
Dissosiasi adalah pemisahan molekul menjadi atom-atom penyusunnya. Partikel gas yang terdissosiasi ini dapat pula terionisasi menjadi ion-ion positif dan negatif. Reaksi dissosiasi menurut Ghaffar (2000), adalah:
e-* + N2 → N•+ N•+ e- (2.3)
e-* + O2 → O•+ O•+ e- (2.4)
e-* + H2O → OH•+ H•+ e- (2.5)
Eksitasi adalah peristiwa dimana elektron yang berada di tingkat energi yang lebih rendah berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap energi
tumbukannya dengan elektron. Peristiwa kebalikan dari eksitasi tersebut disebut relaksasi atau deeksitasi dan peristiwa ini disertai pemancaran foton. Reaksi eksitasi menurut Ghaffar (2000), adalah:
e-* + N2 → N2*+ e- (2.6)
Deeksitasi memerlukan waktu 10-8 s untuk kembali ke tempat semula yang disertai dengan pemancaran foton. Energi foton dipengaruhi oleh besarnya frekuensi yang digunakan oleh pembangkit tegangan. Energi foton ini akan menghasilkan radiasi berbagai macam sinar seperti sinar kosmik, sinar X, microwaves, infra merah, visible, dan sinar uv. Sinar-sinar ini dapat diketahui dari panjang gelombang yang dikeluarkan (Beiser dalam Aryanto, 2007).
Reaksi pembentukan spesies aktif menurut (Munter, 2001), adalah sebagai berikut: H2O + e → OH• + H• + e (2.7) O2 + e → O• + O• + e (2.8) H • + O3 → OH • + O2 (2.9) O3 + O• → O• + O• + O2 (2.10) H2O2 + hv → OH• + OH• (2.11) H•+ H2O2 → H2O + OH• (2.12) 3 O3 + OH- + H- → 2 OH• + 4 O2 (2.13) H2O2 → HO2- + H+ (2.14) HO2- + O3 → HO2• + O3• (2.15) 2 O3 + H2O2 → 2OH• + 3 O2 (2.16) O3 + hv → O2 + O(1D) (2.17) O(1D) + H2O → H2O2 → 2OH• (2.18)
Ozon pada pH basa:
O3 + 2OH- → OH• + O2 + HO2•
Ozon pada pH asam:
O3 + O2- → O3- + O2 O3- → H+ ⇔ HO3• HO3• ⇔ OH• + O2 (2.19) (2.20) (2.21) (2.22)
Menurut Bismo dkk (2008), Teknologi plasma memiliki beberapa keuntungan dalam pengolahan limbah cair. Berikut keuntungan pengolahan limbah cair dengan menggunakan teknologi plasma, yaitu :
a. Teknologi plasma ramah lingkungan. b. Teknologi plasma mudah digunakan.
c. Biaya pengolahan limbah cair dengan teknologi plasma relatif murah. d. Teknologi plasma dapat digunakan berulang-ulang.
e. Waktu yang dibutuhkan relatif singkat. 2.3.2 Ozon
Ozon merupakan sebuah molekul gas yang terdiri dari tiga buah atom oksigen. Ozon merupakan gas yang hampir tidak larut dalam air (0,03 mg/100 mL) pada suhu 20 °C, berdekomposisi menjadi oksigen dalam waktu singkat, dan efektif dalam pendispersian untuk aktivitas anti mikroba. Ozon merupakan disinfektan dan oksidan yang kuat, biasanya digunakan oleh industri untuk proses penghilangan warna (decoloration) , penghilangan bau (deodorizaton), dan untuk memproduksi perubahan struktur senyawa organik.
Ozon terbentuk dari molekul-molekul oksigen yang berada dalam paparan medan listrik (di atas 10.000 volt). Ozon ini jah lebih reaktif dan selektif melakukan reaksi oksidasi dibandingkan dengan molekul oksigen asalnya (Bismo S. 2010). Ozon dapat bereaksi secara langsung maupun tidak langsung dalam air. Reaksi tidak langsung oleh ozon akan menghasilkan radikal hidroksil yang dapat bereaksi dengan mikropolutan organik maupun anorganik. Di dalam larutan, ozon terdekomposisi melalui suatu mekanisme inisiasi yang kompleks, yang akan bereaksi dengan ion hidroksil dan diikuti oleh pembentukan spesi radikal pengoksidasi, misal HO, HO2
dan HO3 (Rodriguez, A. Et al, 2009).
Dekomposisi ozon dalam air diawali dengan reaksi ozon dengan ion OH- yang diikuti pembentukan beberapa spesies radikal lainnya seperti OH●, HO2●, dan HO3●
(Rodríguez A. 2008). Reaksi perubahan ozon membentuk spesies radikal melalui tiga tahap yaitu inisiasi, propagasi, dan terminasi. Reaksinya adalah sebagai berikut:
Inisiasi :
Propagasi : HO2● ⇄ O2●- + H+ O3 + O2●- → O3●- +O2 O3●- + H+ ⇄ HO3● HO3● → HO● +O2 O3 + HO● → HO4● HO4● → HO2● + O2 HO2- + H+ ⇄ 2 H2O HO● + H2O2 → HO2● + H2O HO● + HO2- → HO2● + HO -Terminasi : HO● + O3 → O3 + HO -HO4● + HO4● → H2O2● + 2O3 HO4● + HO3● → H2O2● + O2 + O3 (Li Huang, 2008) 2.3.3 Aplikasi Penggunaan Reaktor Hibrida Ozon-Plasma untuk Penyisihan
Amonia
Dalam penelitian ini akan dilakukan kombinasi proses oksidasi lanjut dengan mengkombinasikan reaktor plasma dengan ozonasi pada fasa liquid. Pengolahan limbah cair dari hasil proses industri yang mengandung polutan organik lain yang tidak berbahaya di dalam suatu instalasi pengolahan limbah pada dasarnya dilakukan di dalam suatu sistem pemroses yang disebut dengan reaktor.
Reaktor Hibrida Ozon-Plasma berbentuk tabung gelas yang memiliki lubang tempat diinjeksikan udara atau campuran ozon-gas O2 ke dalamnya sedemikian rupa
sehingga akan terjadi kontak langsung dengan aliran limbah di dalamnya. Di harapkan aliran limbah dengan debit yang telah ditentukan tersebut akan bercampur homogen dengan gas oksigen. Ozonator tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menggunakan oksigen sebagai gas reaktan dan sekaligus digunakan pula sebagai media pendingin.
Reaktor Hibrida Ozon-Plasma berbentuk tabung dengan pemasangan elektroda, media dielektrik, dan elektroda tegangan tinggi yang disusun berada pada satu sumbu dan searah aliran gas reaktan dan limbah hasil. Ozonator tersebut
(2.24) (2.26) (2.27) (2.28) (2.29) (2.30) (2.31) (2.32) (2.25) (2.33) (2.34) (2.35)
dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menggunakan gas Oksigen sebagai reaktan atau umpan. Aliran umpan melewati ruangan elektroda tegangan tinggi untuk selanjutnya berbalik arah melewati bagian dalam media dielektrik dan akan keluar pada lubang keluaran (output). Di dalam ruangan elektroda terjadi proses plasmanisasi yaitu proses pemaparan gas umpan dalam medan listrik tegangan tinggi yang kemudian akan mengalami pembentukan ozon dimana terjadi pembentukan ozon, radikal OH● dan ion OH-yang akan mendegradasi limbah.
Dalam suasana asam, ozon akan langsung bereaksi dengan amonia membentuk nitrat mengikuti reaksi di bawah ini:
4O3+ NH3 → NO3- + H+ + H2O + 4O2
Reaksi NH3/NH4+ dengan ozon berlangsung sangat lambat, diperkirakan
kostanta kecepatan reaksinya dengan ozon sekitar 20 M-1S-1 dengan t1/2 = 96 jam, tingkat penyisihan amonia oleh ozon masih kurang efektif dengan tingkat penyisihan paling tinggi adalah 5.86% (Hikmawan,2009) Dari beberapa tahapan reaksi di atas, dapat diketahui bahwa selain membentuk radikal OH●, dalam kondisi basa dekomposisi ozon juga menghasilkan ion hidroksil (OH-). Radikal OH● yang terbentuk kemudian menyerang amonia berdasarkan reaksi berikut ini:
HO● + NH3 → NH2● + H2O NH2● + H2O2 → NHOH● + H2O NH2● + HO● → NH2OH (Li Huang, 2008) (2.21) (2.22) (2.23) (2.20)
2.4 Penelitian yang Telah Dilakukan
Beberapa penelitian yang terkait dengan penggunaan membran untuk proses penyisihan amonia adalah sebagai berikut
Tabel 2.3. Penelitian yang Telah Dilakukan Terkait Penggunaan Membran untuk Proses Penyisihan
Amonia
Tahun 2006, Xiaoyao Tan dkk melakukan penelitian dalam pemisahan kandungan amonia terlarut dari air, dengan menggunakan membran serat berongga PVDF (polyvinilidene fluoride). Penelitian tersebut menunjukan bahwa reaksi membran dengan ethanol berguna dalam meningkatkan hydrophobility dan efektifitas permukaan porositas. Dalam pemindahan amonia menggunakan PVDF
modul membran serabut berlobang, meningkatnya pH dapat meningkatkan perpindahan amonia, tetapi hanya sampai pH 10, setelah yang ini tidak memberikan pengaruh. Pemisahan amonia meningkat dengan meningkatkan laju umpan, tetapi hanya sampai 0,59 m/s atau Re > 0,32 dan jika kecepatan ditingkatkan tidak akan memberikan pengaruh, ini mengindikasikan bahwa efek tahanan lebih dominan (Tan, 2006).
M.S. EL-Bourawi dkk., (2007) melakukan penelitian dengan menggunakan destilasi membran vakum untuk menghilangkan amonia, konsentrasi dan perbedaan suhu merupakan gaya gerak komponen yang berpindah. Dari data penelitian diketahui bahwa walaupun daya larut amonia cukup tinggi, amonia dalam larutan mempunyai bentuk yang tidak stabil sehingga dapat menyebabkan pemidahan amonia menjadi sulit. Penambahan NaOH kepada larutan umpan akan meningkatkan pH larutan, sehingga akan meningkatkan amonia yang terbentuk dan efisiensi akan meningkat, kecepatan dan tekanan juga akan mempengaruhi efisiensi pemindahan (Bourawi, 2007).
Hasanouglu (2010) melakukan penelitian penyisihan amonia dari aliran air limbah melalui kontaktor membran: analisis eksperimental dan teoritis parameter operasi dan konfigurasi. Dalam penelitian ini digunakan larutan penyerap asam sulfat encer menerima untuk mempercepat penyisihan amonia dengan bereaksi menjadi amonium sulfat (NH4)2SO 4, yang dapat dipulihkan sebagai produk. Dengan
menggunakan serat berongga dan konfigurasi operasi yang berbeda, suhu dan kondisi hidrodinamik dapat memperoleh persentase ekstraksi amonia sampai dengan 99,83%. Konfigurasi sirkulasi larutan sangat berpengaruh pada efisiensi proses. Jadi, konfigurasi sirkulasi terbaik dari larutan untuk kontaktor serat berongga adalah dengan mengalirkan larutan umpan dalam shellside dan larutan penyerap dalam lumenside membrane (Hasanouglu, 2010).
Ashrafizadeh (2010) melakukan penelitian untuk memisahkan amonia terlarut dari air dengan menggunakan membran serat berongga, pada penelitian tersebut digunakan asam sulfat sebagai larutan penyerap. Dari penelitian ini diketahui membran serat berongga dengan bahan polypropylene ditemukan sangat efektif dalam memisahkan amonia dari air limbah, dengan kondisi yang tepat dapat memisahkan amonia sebesar 99%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konsentrasi awal dan kecepatan aliran amonia dan larutan asam sulfat merupakan variabel yang berpengaruh terhadap pemisahan amonia. Menaikkan pH larutan amonia umpan hingga 10 dapat meningkatkan pemisahan amonia secara signifikan sementara dengan meningkatkan pH ke nilai yang lebih tinggi dari 10 tidak menghasilkan peningkatan signifikan (Ashrafizadeh, 2010).
Pada tahun 2012 penelitian mengenai penyisihan amonia sudah berkembang kearah studi permodelan penyisihan amonia dalam serat berongga. Simulasi dilakukan untuk menghilangkan amonia dari air melalui kontaktor membran. Kontaktor terdapat larutan NH3 dan penyerap asam sulfat dalam lumen dan sisi shell. Persamaan model yang dikembangkan mempertimbangkan difusi radial dan aksial dan konveksi dalam lumen. Hasilnya menunjukkan penurunan konsentrasi sepanjang arah radial dan aksial. radial difusi dan konveksi di sisi lumen mungkin telah menyebabkan efek ini.Difusi aksial ditemukan menjadi diabaikan dibandingkan dengan difusi radial. Kenaikan pH hingga 10,5 meningkatkan persen penyisihan secara signifikan, bila pH dinaikkan lagi hanya memberikan efek yang tidak signifikan. Radius lumen yang lebih besar, panjang, dan jumlah serat membrane juga memberikan persen penyisihan yang lebih tinggi (Bhattacharya dkk., 2012).
Sebuah model matematika 2D dikembangkan untuk mempelajari penghapusan amonia dari larutan dengan menggunakan yang membran kontaktor (HFMC). Model memprediksi perubahan konsentrasi amonia dalam kontaktor membran serta tangki umpan dengan memecahkan persamaan konservasi termasuk kontinuitas dan momentum. Model ini dikembangkan dengan mempertimbangkan membran hidrofobik yang tidak dibasahi oleh air umpan. Kedua difusi aksial dan radial dalam lumen dan membran sangat mempengaruhi. (Ashrafizadeh dkk., 2012).
Pengaruh parameter efektif pada perpindahan massa dan hidrodinamika dari penyisihan amonia telah diteliti oleh Marjani. Hasil simulasi menunjukkan bahwa fluks total penurunan amonia terjadi sangat tajam di daerah dekat inlet membran. Penyelidikan hidrodinamik juga mengungkapkan bahwa terjadi velocity reached fully developed pada jarak yang dekat dengan inlet reaktor. Hasil dari penelitian menunjukkan kecepatan pelarut dan kecepatan larutan umpan adalah parameter yang paling penting dalam penyisihan amonia (Marjani, 2012).
Sedangkan penelitian mengenai proses oksidasi lanjut adalah sebagai berikut :
Tabel 2.4. Penelitian yang Telah Dilakukan Terkait Proses Oksidasi Lanjut
Locke (2006) melakukan penelitian dengan menggunakan electronic discharge dan plasma non thermal untuk pengolahan limbah. Dalam penelitian ini dianalisa penggunaan tegangan tinggi untuk proses discharge. Menggabungkan proses oksidasi lanjut dengan menggunakan plasma non thermal dengan metode lain seperti proses biologi sangat dianjukan untuk proses yang efektif dan murah. Hal ini dikarenakan dengan proses oksidasi lanjut dapat mendegradasi atau merubah target organik menjadi komponen yang lebih murah untuk diolah. Non thermal plasma (NTP) menggunakan tegangan tinggi di serat seperti elektroda untuk akan menyebabkan ionisasi gas menghasilkan sebuah jet plasma yang dapat menghasilkan sinar UV, ozon, dan radikal hidroksil (Locke, 2006).
Li Huang (2008) melakukan penelitian penambahan radikal OH untuk menghilangkan amonia dalam fasa cair. Pemisahan amonia dengan penambahan radikal OH dilakukan air H2O sebagai perkusor. Dari penelitian ini didapatkan dengan
photolysis H2O dengan menghasilkan ion radikal OH akan mengoksidasi amonia
menjadi NO. Proses Pemisahan ini sangat dipengaruhi oleh pH dan konsentrasi awal amonia dalam air limbah (L i Huang, 2008).
M Kang (2008) melakukan penelitian penyisihan amonia pada fasa gasnya menggunakan sistem hibrid dielectric discharge plasma – V-TiO2 fotokatalitik. Reaktor yang digunakan bertegangan tinggi 10 kV arus AC. Katalis yang digunakan sebanyak 0,5 gram dan konsentrasi NH3 1000 ppm (M Kang dkk., 2008).
Daniel Gerrity (2009) melakukan penelitian dengan menggunakan plasma non thermal untuk mendegradasi komponen organik. Dalam penelitian ini Non Thermal
Plasma (NTP) digunakan sebagai proses oksidasi lanjut dalam degradasi komponen organic dalam limbah industri farmasi. Hasil penelitian menunjukkan NTP merupakan alternatif untuk dijadikan alternatif proses untuk oksidasi lanjut karena energi yang lebih efisien dan tidak perlu penambahan bahan kimia lain (Gerrity dkk., 2009).
Penelitian mengenai penyisihan amonia menggunakan membran yang telah dilakukan di laboratorium Intensifikasi Proses Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia diantara adalah Teguh Hikmawan (2009) melakukan penelitian pengolahan air yang mengandung tembaga, timbal, dan amonia dengan proses ozonasi gelembung mikro dan filtrasi membran, membran yang digunakan adalah membran keramik. Pada penelitian ini penyisihan untuk senyawa amonia (tanpa campuran kedua logam lainnya) dengan proses tersebut didapat kesimpulan bahwa persentase penyisihan amonia sangat kecil dibandingkan pemisahan kedua logam lainnya, yaitu sekitar 17,07%. Hal ini dikarenakan sifat amonia yang kurang reaktif terhadap ozon, sehingga masih banyak sekali jumlah amonia yang tersisa, dan proses oksida lanjut terhadap senyawa amonia kurang efektif digunakan pada senyawa amonia (Hikmawan, 2010).
Diana Beauty (2010) melakukan penelitian pemisahan amonia dari limbah cair dengan menggunakan membran serat berongga dan absorben pelarut bahan alam yaitu Air Ciater. Pada penelitian ini, didapat kesimpulan, dengan membandingkan pelarut asam sulfat dan pelarut bahan alam, yang memiliki nilai pemisahan yang terbaik adalah dengan pelarut bahan alam, yaitu sekitar 35%. Hal ini dimungkinkan karena masih terkadungnya ion-ion negatif yang dapat mengurangi tahanan perpindahan massa pada fasa larutan penyerap. Dan didapatkan pH absorben optimum untuk pemisahan amonia yaitu pada pH 0,7 (Beauty, 2010).
Milasari Herdiana (2011) melakukan penelitian dengan mengkombinasikan proses ozonasi dan membran terhadap penghilangan ammonia dari air limbah. Pada penelitian ini diperoleh efektivitas penyisihan amonia dengan proses hibrid tergolong baik, bila dibandingkan dengan proses tunggal seperti dengan proses membran atau ozonasi saja, proses hibrid mampu menyisihkan amonia sebesar 91% pada pH absorben 0,7. Semakin rendah pH absorben, efektivitas penyisihan amonia dari air limbah semakin meningkat (Herdiana, 2011).
Candrika Ajeng (2012) juga melakukan penelitian dengan mengkombinasikan proses ozonasi dan membran terhadap penghilangan amonia dari air limbah, dengan variasi laju sirkulasi umpan 3, 4, dan 5 Lpm. Proses hibrid mampu menyisihkan amonia sebesar 89% dari konsentrasi awal menggunakan kontaktor serat berongga 22 serat, pada pH absorben 1, pH limbah sintetis 11, dan laju alir umpan 5 Lpm. Semakin meningkatnya laju alir maka koefisien perpindahan massa akan semakin meningkat karena terjadinya turbulensi aliran (Ajeng, 2012).
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Sasaran Penelitian
Tujuan proses pemisahan amonia terlarut dari air adalah untuk menurunkan kadar amonia dalam air. Penelitian ini dilakukan untuk memisahkan amonia yang terkandung dalam air dengan cara kombinasi proses absorbsi dalam membran serat berongga dengan fasa cair absorben larutan asam sulfat, dan proses oksidasi lanjut menggunakan kombinasi reaktor plasma dan ozonasi. Penelitian yang akan dilakukan adalah penelitian kuantitatif dengan melakukan penelitian di laboratorium untuk mengetahui efektivitas masing-masing proses serta kombinasi proses membran dan reaktor hibrida plasma-ozon.
Dalam studi ini akan dipelajari perpindahan massa yang terjadi pada membran serat berongga dalam kontaktor membran serta efektivitas proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida plasma-ozon. Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Intensifikasi Proses Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia.
3.2 Tahapan Penelitian
Penelitian ini secara garis besar akan dilakukan menjadi enam tahapan yaitu studi literatur, set up peralatan, uji perpindahan massa, pengolahan dan analisis data, serta penulisan laporan. Penjabaran tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 3.1. di bawah ini:
Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian
3.3 Set up Peralatan dan Bahan Penelitian
Set up peralatan dilakukan perancangan dan penyusunan alat yang digunakan yaitu kontaktor membran serat berongga, reaktor hibrida plasma-ozon. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah pelarut asam sulfat sebagai absorben dan limbah amonia sintetis dengan konsentrasi amonia sebesar 800 ppm.
3.3.1 Peralatan Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1. dengan gambar alat yang terdapat pada lampiran 3.
Tabel 3.1. Rincian Alat yang Digunakan dalam Penelitian
Peralatan Fungsi
Kaca Arloji dan Timbangan Alat untuk menimbang massa bahan yang diperlukan
Beaker glass
Peralatan untuk mengukur laju produktivitas ozonator
Statif Erlenmeyer Buret 50 cc
jas lab
Stopwatch Alat untuk menghitung waktu tiap pekerjaan
Membran Serat Berongga Rangkaian alat untuk proses absorbsi amonia Reaktor Hibrida Ozon Plasma Rangkaian reaktor untuk proses oksidasi lanjut
Kompresor Sumber udara
Reaktor ozon Sumber ozon
Thermo-circulator Alat untuk menjaga suhu umpan
Amoniameter Alat untuk mengukur konsentrasi amonia
3.3.2 Bahan Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.2. berikut ini.
Tabel 3.2. Bahan yang Digunakan dalam Penelitian
Nama Bahan Keterangan
Ammonium sulfat ((NH4)2SO4)
Bahan untuk pembuatan limbah sintetik amonia 800 ppm yang bebas
pengotor. Natrium hidroksida
(NaOH)
Bahan untuk menyesuaikan pH limbah sintetik
Aquadest (H2O) Pelarut untuk pembuatan limbah
sintetik dan larutan penyerap asam sulfat
H2SO4 2 N
(Asam Sulfat)
Bahan untuk pembuatan larutan penyerap asam sulfat Reagen 1 dan Reagen 2
Amoniameter
Bahan untuk mengukur konsentrasi amonia
Larutan KI 0,1 N
Bahan untuk menguji laju produktivitas ozonator Na2S2O3.5H2O 0,005 N H2SO4 2 N Indikator kanji (amilum) 3.4 Prosedur Penelitian
Pada prosedur penelitian, dilakukan uji produktivitas plasma dan ozon, dan uji perpindahan massa.
3.4.1 Uji Reaktor Hibrida Ozon Plasma
Proses oksidasi lanjut dalam penelitian ini adalah penggabungan teknologi hibrida antara teknologi plasma dan ozon dalam reaktor dielectric barrier discharge atau DBD cair (Reaktor Hibrida Ozon-Plasma) yang merupakan sistem reaktor hibrida Ozon-Plasma hasil rancangan Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA.
Reaktor plasma ini dihubungkan dengan injektor yang memiliki lubang tempat diinjeksikan gas oksigen atau ozon kedalamnya yang mana akan terjadi kontak langsung dengan aliran limbah yang melaluinya. Diharapkan aliran limbah dengan debit yang telah ditentukan tersebut akan bercampur homogen dengan gas oksigen atau ozon. Injeksi udara tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menggunakan oksigen sebagai gas reaktan dan sekaligus digunakan pula sebagai media pendingin.
Reaktor hibrida ozon plasma berbentuk tabung dengan pemasangan elektroda, media dielektrik, dan elektroda tegangan tinggi yang disusun berada pada satu sumbu dan searah aliran gas reaktan dan limbah hasil. Aliran umpan melewati ruangan elektroda tegangan tinggi untuk selanjutnya berbalik arah melewati bagian dalam media dielektrik dan akan keluar pada lubang keluaran (output). Di dalam ruangan elektroda terjadi proses plasmanisasi yaitu proses pemaparan gas dan larutan umpan dalam medan listrik tegangan tinggi yang kemudian akan mengalami pembentukan pembentukan radikal-radikal OH.
3.4.1.1 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Ozon Plasma
Rangkaian peralatan yang digunakan dalam reaktor hibrida ozon plasma pada penelitian ini dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3.2 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Ozon Plasma (Bismo, 2012)
Tangki Penampung Pompa RHOP Injektor /Mixer Flowmeter udara Kompresor/ udara A V Flowmeter Air Power supply Transformer Step-Up
3.4.1.2 Uji Kinerja Reaktor Hibrida Plasma-Ozon
Uji kinerja reaktor hibrida ozon plasma ini menggunakan metode iodometri. Metode iodometri ini berdasarkan reaktivitas ozon terhadap larutan KI. Penggunaan metode iodometri dilakukan untuk menentukan kadar ozon dalam bentuk gas, dimana ion iodida akan teroksidasi menjadi iodium. oleh ozon dalam larutan buffer kalium iodida. pH larutan tersebut menjadi 2 dengan dengan pelarut asam sulfat dan pembebasan iodium dititrasi dengan natrium tiosulfat. Reaksi ozonasi kalium iodida adalah sebagai berikut (Day dan Underwood, 1991):
O3 + 2I- + H2 O → I2 + O2 + 2OH- (3.1)
Pembebasan iodium (I2) dititrasi dengan natrium tiosulfat:
I2 + 2Na2 S2O3 → 2NaI + Na2 S4 O6 (3.2)
Gambar 3.3. Skema Uji Produktifitas Ozon
Prosedur untuk melakukan analisa untuk uji produktivitas ozonator dan reaktor hibrida ozon plasma adalah sebagai berikut.
1. Disiapkan 2 buah erlenmeyer 500 mL dan gas washing bubbler (bubbler) yang terdiri dari hulu dan hilir. Ditambahkan 200 mL KI 2% ke dalam masing-masing erlenmeyer tersebut. Tutup dengan gas washing bubbler (bubbler) dan disambungkan dengan selang ke bagian ozonator.
2. Dinyalakan ozonator dan stopwatch, kemudian diamati sampai larutan mangasilkan warna kuning baik di hulu maupun hilir.
3. Apabila sudah terbentuk warna kuning, selanjutnya mematikan ozonator dan stopwatch. Catat waktu yang dibutuhkan sampai terjadinya perubahan warna menjadi kuning.
4. Kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 2N dan
dititrasi dengan Na2S2O3 0,005 N. Titrasi dilakukan sampai warna larutan
kuning menjadi sedikit kuning muda. Kemudian ditambahkan dengan indikator amilum sehingga larutan menjadi warna biru, lanjutkan titrasi sampai larutan tidak berwarna. Titrasi dilakukan untuk sampel hulu dan hilir. 5. Dicatat volume titrasi yang diperoleh kemudian lakukan perhitungan.
3.4.2 Uji Perpindahan Massa Variabel dalam penelitian ini adalah :
1. Variabel tetap adalah peralatan modul membran ( diameter serat, jenis polimer yang digunakan) , peralatan modul plasma dan ozon ( tegangan yang dialirkan, jenis elektroda yang digunakan) dan konsentrasi amonia dalam larutan umpan. 2. Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini adalah
- pH larutan umpan dengan variasi pH 10, 11 dan 12 - Temperatur umpan 20 oC, 30 oC, dan 40 oC
- Jumlah serat membran berongga dengan variasi 50, 60, dan 70 - Laju sirkulasi air limbah dengan variasi 3 LPM, 4 LPM, dan 5 LPM. 3. Variabel terikat adalah konsentrasi amonia yang terdegradasi oleh
masing-masing proses serta kombinasi proses membran dengan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma yang menunjukkan efektivitas proses terhadap proses degradasi amonia.
3.4.2.1 Proses Membran
Pada proses tunggal penyisihan amonia menggunakan membran hal pertama yang dilakukan adalah dengan mengalirkan larutan amonia yang ke dalam selongsong acrylic. Kemudian langkah selanjutnya adalah mengalirkan larutan absorben (larutan asam sulfat) ke dalam serat membran PVC. Membran PVC bersifat hidrofobik dan mempunyai pori sehingga dengan adanya perbedaan konsentrasi gas amonia pada
