Teknologi Plasma untuk Pengolahan Air
Hendro Amril
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesa No. 10, Bandung, Indonesia
*Corresponding Author: hendro.amril@students.itb.ac.id Abstrak
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pengolahan air menggunakan teknologi plasma telah menarik banyak perhatian. Teknologi ini dapat digunakan untuk mengoksidasi dan membusukan polutan organik dalam air dengan menggunakan spesies aktif yang dihasilkan dari high voltage pulsed discharge. Teknologi inipun mampu menghilangkan polutan-polutan dengan tidak menghasilkan polutan sekunder.
Plasma dalam air berperan dalam berbagai proses pengoksidasian senyawa organik. Plasma adalah gas terionisasi. Derajat ionisasi bisa dikontrol dengan tegangan yang diaplikasikan. Dengan membuat plasma dalam air akan dihasilkan berbagai macam spesies aktif yang hampir keseluruhan dari spesies aktif tersebut memiliki tingkat oksidasi potensial yang tinggi yang berpotensi dalam menguraikan kandungan senyawa organik di dalam air. Aksi reaksi yang terjadi pada ion dan elektron dalam plasma berlanjut dengan terbentuknya sinar ultraviolet dan shockwave. Akibat ion dan elektron yang dihasilkan teknologi plasma mempunyai energi yang sangat tinggi yang menyebabkan air (H
2O) akan terurai dan menghasilkan spesies aktif
seperti OH, O, H dan H
2O2.
Dalam artikel ini dipaparkan penggunaan plasma sebagai teknologi untuk pengolahan air yang mencangkup tentang prinsip-prinsip dasar dari pengolahan air menggunakan teknologi ini, beberapa metode pengolahan dana perkembangan-perkembangan teknologi yang sudah ada dari berbagai macam literatur.
Kata kunci : plasma, pengolahan air, elektroda, bahan aktif
1. Pendahuluan
Air merupakan salah satu sumber daya alam yang memiliki fungsi sangat penting bagi kehidupan manusia dan makluk hidup lainnya. Untuk melestarikan fungsi air perlu dilakukan pengelolaan kualitas air dan pengendalian pencemaran air secara bijaksana dengan memperlihatkan kepentingan generasi sekarang dan mendatang serta keseimbangan ekologis.
Pada saat sekarang ini pengolahan air minum konvensional seperti penggunaan disinfektan, penyaringan dengan mebran, sinar UV dan karbon aktif, tidak menjamin menghasilkan air minum dengan kualitas yang baik sesuai dengan baku mutu lingkungan yang tealh ditetapkan oleh pemerintah. Hasil penelitian menunjukan masih terdapat kandungan mikroorganisme yang terdapat dalam iai minum terutama pada depot-depot air minum isi ulang (Hazmi dkk, 2011).
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pengolahan air menggunakan teknologi plasma telah menarik banyak perhatian. Teknologi dapat digunakan untuk mengoksidasi dan membusukan polutan organik dalam air dengan menggunakan spesies aktif yang dihasilkan dari high voltage
pulsed discharge. Teknologi inipun mampu
menghilangkan polutan-polutan dengan tidak menghasilkan polutan skounder. (Zhang dkk, 2007).
Plasma adalah gas terionisasi. Derajat ionisasi bisa dikontrol dengan tegangan yang diaplikasikan. Dengan membuat plasma dalam air akan dihasilkan berbagai macam spesies aktif yang hampir keseluruhan dari spesies aktif tersebut memiliki tingkat oksidasi potensial yang tinggi yang berpotensi dalam menguraikan kandungan senyawa organik di dalam air. Disamping itu juga, plasma juga dapat menghasilkan sinar UV dan gelombang
kejut yang juga berpotensi untuk menguraikan kandungan senyawa organik dalam air secara significan (hazmi dkk, 2011).
2. Plasma
Plasma merupakan jenis zat keempat selain zat klasik padat, cair dan gas yang ditemukan pada tahun 1928 oleh ilmuan Amerika, Irving Langmuir dalam ekperimennya melalui lampu
tungsten filament. Plasma dibuat dengan
pemanfaatan tegangan listrik dengan menghadapkan dua elektroda diudara bebas. Ilustrasi perbandingan plasma dengan jenis zat lain ditampilkan pada Gambar 1. Udara adalah isolator, materi yang tidak menghantarkan listrik namun apabila kedua elektorda tersebut diberikan tegangan listrik yang cukup tinggi kira-kira 10kV maka sifat konduktor akan muncul pada udara tersebut. Bersamaan dengan itu pula maka tegangan listrik mulai mengalir (electrical discharge). Semakin besar tegangan listrik yang diberikan pada elektroda maka semakin besar pula ion dan elektron bebas yang terbentuk. Pada tahun 1833, Faraday menunjukan bahwa jumlah zat-zat yang teroksidasi dan tereduksi pada elektroda-elektroda berbanding lurus dengan waktu dan jumlah kuat arus yang melalui sel tersebut (Tuhu dkk).
Gambar 1. Ilustrasi perbandingan plasma dengan jenis zat lain (Chang, 2009).
Secara umum ada beberapa jenis dari plasma yang dikategorikan sesuai dengan temperatur dan tekanan operasi dari gas. Untuk limbah padat, karena adanya proses pelelehan dan penguapan, dibutuhkan kondisi operasi dengan temperatur dan tekanan yang tinggi. Untuk pengolahan air, tergantung dari jenis polutan yang akan dihilangkan dan biasanya kategori jenis plasma yang digunakan adalah plasma dengan kondisi operasi temperatur yang rendah dengan tekanan yang tinggi. Tabel 1 menunjukan jenis-jenis plasma yang digunakan dalam dunia perindustrian (Chang 2007).
Low pressure plasma biasanya digunakan
untuk semikonductor, lampu dan lasers. Non
thermal plasama biasanya digunakan untuk
pengaturan polusi udara, pengolahan sampah, pelapisan polimer. Thermal plasma biasanya digunakan untuk pengolahan limbah padat, pelapisan, ceramic processing, pengolahan air
dan nuclear fusion plasma dugunakan untuk
kebutuhan energi dan militer.
Tabel 1. Jenis-jenis Plasma (Chang, 2009). Type Pressure Temperatur Gas Temperatur Electron
High Low High Low High Low Low pressure plasma O O O Non Thermal Plasma O O O Thermal Plasma O O O Nuclear Fusion Plasma O O O
Plasma juga salah satu jenis zat kimia aktif yang dapat mengalami reaksi seperti ionisasi, eksitasi, disosiasi, transfer atom dan molekul. Laju reaksi akan lebih tinggi untuk reaksi radikal apabila terdapat ion dan elektron yang terlibat dalam reaksi. Jenis reaksi kimia dan urutan besarnya laju reaksi pada Tabel 2.
Tabel 2. Jenis reaksi kimia dan urutan besarnya laju reaksi (Chang, 2009).
Reaction Two body reaction rate Three body reaction rate cm3/s Cm6/s Molecule-molecule 10 -14 – 10-31 10-30 – 10-40 Atom-molecule 10-11 – 10-24 10-30 – 10-36 Ion-atom/molecule 10 -9 – 10-13 10-28– 10-32 Electrone-molecule 10 -7 – 10-11 10-27 – 10-35 Positive-negative ion 10 -6 – 10-8 10-25– 10-26 Electrone-ion 10-6 – 10-7 10-26 – 10-28 Molecule-aerosol 10-5– 10 -10
Dalam plasma terjadi beberapa kondisi-kondisi yaitu (i) atom dapat tereksitasi secara elektronik, (ii) beberapa atom yang berada dalam keadaan metastabil dapat memiliki waktu hidup beberapa milidetik, (iii) molekul dapat mengalami rotasi, getaran dan eksitasi, (iv) beberapa molekul metastabil memiliki waktu hidup beberapa detik.
3. Prinsip Teknologi Plasma untuk Pengolahan Air
Pengolahan air minum dengan sistem plasma dapat menggantikan pemakaian klorin dan karbon aktif yang biasa digunakan untuk membunuh mikroorganisme dan menghilangkan kandungan senyawa organik yang berbahaya yang ada dalam air minum. Tegangan tinggi merupakan parameter yang sangat berpengaruh dalam sistem plasma (Ariza dkk).
Plasma dalam air juga berperan dalam berbagai proses pengoksidasian senyawa organik. Aksi reaksi yang terjadi pada ion dan elektron dalam plasma di dalam limbah cair industri berlanjut dengan terbentuknya sinar ultraviolet dan shockwave. Akibat ion dan elektron yang dihasilkan teknologi plasma
mempunyai energi yang sangat tinggi yang menyebabkan air (H
2O) akan terurai dan
menghasilkan spesies aktif seperti OH, O, H dan H 2O2. H 2O menjadi OH - dan H 2 2H 2O + 2e - 2 OH - + H 2 H 2O menjadi H2O2 2H 2O H2O2 + 2H + + 2e -H 2O menjadi O2 2H 2O 4H + + O 2 + 4e -
Ilustrasi dari electrical discharge plasmas dari air ditampilkan pada Gambar 2 (Tuhu dkk).
Gambar 2. Ilustrasi dari electrical discharge plasmas dari air.
Spesies aktif tersebut merupakan oksidan kuat yang dapat mengoksidasi berbagai senyawa organik sekaligus membunuh bakteri dalam limbah cair tersebut, spesies aktif tersebut kemudian bereaksi dengan unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), sulfur (S) yang terdapat dalam limbah cair industri tersebut. Tumbukan elektron dan ion dengan molekul molekul mengakibatkan terjadi reaksi kimia melalui oksidasi dan reduksi yang ditunjukan pada reaksi-reaksi berikut (Tuhu dkk).
2 C + O 2 2 CO 2 CO + O 2 2 CO2 H+ + OH- H 2O 2H 2 + O2 2 H2O OH+ OH H 2O2 2 H+ + 2 e- H 2 N 2 + O2 2 NO
Zat yang terbentuk dari reaksi plasma dengan bahan organik limbah cair industri tersebut berupa gas. Apabila zat hasil reaksi berfasa gas maka akan keluar gelembung-gelembung gas disekitar batang katoda yang kemudian akan bergerak keatas permukaan air, jadi semakin banyak gas yang keluar dan kotoran yang mengendap pada pengolahan limbah cair industri tahu menggunakan teknologi plasma, maka kandungan COD dan TSS dalam limbah cair tersebut juga akan berkurang (Tuhu dkk).
4. Perkembangan Teknologi Plasma untuk Pengolahan Air
Perkembangan teknologi penggunaan plasma untuk pengolahan air berkembang dengan cukup pesat. Teknologi pengolahan tersebut dapat dikelompokan menjadi beberapa bagian yaitu sebagai berikut.
A. Remote (Ozone)
Ozon banyak dipergunakan dalam proses oksidasi, dekolorasi, sterilisasi,dan deodorisasi dan dapat digunakan untuk mengolah limbah cair industri, rumah sakit, hotel, dan juga untuk proses pencucian bahan makanan dan peralatan medik dalam bentuk air berozon (ozonized water). Komponen-komponen utama alat pembuat air berozon disederhanakan menjadi satu sistem terpadu, tanpa pipa penghubung, dengan membuat pipa gas dan pipa air pada satu poros untuk
menghasilkan air berozon dengan konsentrasi tinggi.
Air yang digunakan sekaligus berfungsi sebagai pendingin alat ozonizer. Penyempurnaan alat ini dari alat sejenis dengan metode plasma mampu meningkatkan efisiensi pembentukan ozon dan tidak memerlukan pendingin khusus pada ozonizer tersebut.
Pada pengolahan air menggunakan sistem plasma ini, pertama-tama oksigen yang berada dalam kondisi cair diuapkan menggunakan evaporator sebelum masuk ke dalam ozone
generator. Di dalam ozone generator, oksigen
akan diubah menjadi ozone dan selanjutnya dialirkan ke dalam air. Ilustrasi dari pengolahan air dengan sistem plasma remote
(Ozone) ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Ilustrasi dari pengolahan air dengan sistem plasma remote ozone (United States Environmental Protection Agency, 1999).
B. Indirect (Electron beam)
Perkembangan penggunaan teknologi plasma
electron beam (EB) awalnya dapat digunakan
untuk pengolahan udara dan air. Manfaat dari penggunaan plasma jenis ini adalah penurunan jumlah energi atau daya yang digunakan dan menaikan laju dari reaksi kimia pada penggunaan plasma (Lovtsov, 2004).
Untuk pengolahan udara sendiri salah satu teknologi EB yang digunakan adalah untuk menghilangkan SiCl4 dengan cara
mengkonversi senyawa tersebut menjadi SiHCL. Prinsip kerja dari EB untuk pengolahan udara adalah dengan melakukan proses ekstraksi EB ke dalam gas yang mengandung impurities pada tekanan atmosferik. Diagram alir dari teknologi ini ditampilkan pada Gambar 4 (Lovtsov, 2004). Unit untuk suplai daya utama (1) adalah konverter frekuensi yang mengubah standar tiga fasa dengan tegangan 380 V, 50 Hz ke variabel tegangan dengan frekuensi 1kHz. Transformer rectifier unit (TRU) (2) berfungsi untuk menaikan tegangan hingga 100 kV, serta melakukan filtrasi awal. Electron gun (3) menerima suplai tegangan dari TRU. EB (4) zona pembentukan electron gun (3). Perangkat ekstraksi (5) memberikan penurunan tekanan yang diperlukan untuk operasi sistem (Lovtsov, 2004).
Sistem berikut diperlukan untuk keberhasilan operasi: sistem vakum (6) diperlukan untuk menyediakan penurunan tekanan. Sistem magnetik (7) digunakan untuk menghalangi peningkatan jari-jari EB radius. Focusing solenoids power supply system (8) dan sistem pendingin untuk solenoida (9). Pemotong sistem (10) dirancang untuk memotong perangkat ekstraksi dan pistol elektron dari gas korosif dari daerah operasi
(Lovtsov, 2004).
Gambar 4. Diagram alir dari sistim Electron
Beam (Lovtsov, 2004).
Gambar 5. Desain sistim Electron Beam
untuk pengolahan SiCl4 menjadi SiHCL
(Lovtsov, 2004).
Untuk pengolahan air sendiri, prinsip dari teknologi ini adalah emisi elektron termal dari filamen dalam ruang hampa yang kemudian dipercepat oleh medan listrik yang tinggi. Kemudian akan terbentuk lapisan film Ti atau BN karena adanya efek tunnels.
Ilustrasi dari pengolahan air dengan sistem plasma indirect (Electron beam) ditampilkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Ilustrasi dari pengolahan air dengan sistem plasma Indirect (Electron Beam Water Treatments University of Poitiers (2003-present) & Australia Nuclear Laboratory (1998-2003)).
C. Direct (Electrical discharges in water)
Salah satu jenis teknologi plasma yang sedang berkembang pada saat ini adalah teknologi plasma menggunkan electrical discharges
dengan spesifikasi corona discharges dalam reaktor campuran air dengan udara.
Discharges terbentuk diatas air dan bisa
membentuk ozon serta berbagai macam oksidator seperti hydroxyl dan UV. Teknologi ini juga sering disebut dengan CAW reaktor (Grabowski, 2006).
Dalam teknologi ini, diterapkan pengolahan air dengan mengalirkan listrik di media heterogen. Proses ini didasarkan pada penggunaan proses oksidasi canggih untuk menciptakan oksidasi kuat secara insitu.
Discharges dibuat di udara dan produk reaksi berdifusi ke lapisan tipis air yang terkontaminasi. Discharges menciptakan ozon, ion, (UV), photons dan metastables. Radikal pendek akan terbentuk selama discharges
(seperti ozon, hidroksi-radikal (OH), atom oksigen dan hidrogen peroksida (H2O2) yang
sangat berguna untuk membersihkan air karena adanya sifat non-toksisitas (Grabowski, 2006).
Penggunaan corona discharges untuk pengolahan air dinilai sangat efektif karena dilakukan dengan teknik ozonisasi yang mudah (Grabowski).
Dalam teknik CAW, selain hidroksil radikal dan ion korona juga menghasilkan ozon. Ozon berdifusi ke dalam fase cair dan mengoksidasi senyawa target. Radikal hidroksil tidak dapat mencapai permukaan cairan, karena reaktivitas yang tinggi, namun bisa menghasilkan hidrogen peroksida (Grabowski).
Salah satu manfaat menggunakan CAW adalah kenyataan bahwa zona yang sangat reaktif berlangsung hanya dalam streamer, sedangkan
sebagian besar gas dan air berada dalam keadaan ambient. Perbandingan teknologi ini dibanding dengan teknologi plasama dengan menggunakan aerosol reaktor (air disemprotkan ke aerosol dan produk dari
discharges menyebar ke tetesan), di CAW
reaktor permukaan reactivable jauh lebih stabil. Dengan desain elektroda yang tepat teknik CAW memberikan distribusi seragam di di seluruh ruangan antara elektorda (Grabowski, 2006).
C.1. Sistem pengolahan air menggunakan CAW
Komponen utama dari sistem pengolahan air mneggunakan CAW adalah reaktor persegi dengan sistem elektroda, high-voltage pulse
generator dan sistem diagnosa (Grabowski,
2006).
Reaktor
Reaktor yang digunakan adalah reaktor dengan konstruksi kedap udara untuk mencegah produk korona keluar dari reaktor. Reaktor terbuat dari Perspex dengan dimensi 8 x 5,5 x 38 cm dan ketebalan dinding samping adalah 10 mm serta dinding bawah 4mm. 4 elektroda, 0,2 mm, ditempatkan di sampul reaktor. Katoda ditempatkan di luar reaktor, di sisi bawah seperti yang ditampilkan pada Gambar 7 (Grabowski, 2006).
Gambar 7. Sistem Reactor (dengan sistem elektroda dimana a tampak samping dan b tampak depan) (Grabowski, 2006).
Jarak horizontal antar elektroda adalah 2 cm, jarak antara anoda dan katoda adalah 4.5 cm dan volume air yang digunakan adalah 250 ml untuk mencapai ketinggian air 1 cm (Grabowski, 2006).
Sistem rangkaian listrik
Pembangkit listrik berdenyut berulang adalah teknologi yang memungkinkan untuk aplikasi dari pulse corona discharges. Prototipe dari pembangkit listrik berdenyut berulang yang tersedia telah dibuktikan di laboratorium dan di uji coba lapangan. Generator ini bekerja dengan spark-gap yang dapat dikombinasikan dengan transmission line transformer. Jangka pakai yang lama dinilai dapat dimanfaatkan dalam dunia industry (Grabowski, 2006). Selama melakukan uji test yang pertama ditampilkan sistem rangkain listrik yang digunakan pada Gambar 8. Pendukung daya bekerja pada tegangan maksimal 40kV dengan tingkat pengulangan dari 20 sampai 50Hz. Arus pada sumber DC sekitar yang digunakan berkisar sekitar 200A (Grabowski, 2006).
Gambar 8 Sistem rangkaian tegangan tinggi untuk generator corona discharges
(Grabowski, 2006).
Generator listrik berdenyut yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 9. Tegangan, arus, daya dan bentuk gelombang energi yang digunakan ditampilkan pada Gambar 10. Capacitor C dialirkan melalui transmisi line transformator (TLT) melalui switch sparkgap,
dengan tingkat pengulangan sampai sekitar 100 pps. Deskripsi rinci dari TLT diberikan dalam [1,10]. TLT yang digunakan di sini
terdiri dari empat kabel koaksial 50 ohm. Pada sisi generator, kabel dihubungkan secara paralel, sehingga memberikan impedansi yang rendah untuk kapasitor (12,5 ohm). Pada sisi reaktor, kabel dihubungkan secara seri. Impedansi keluaran sebesar 200 ohm memberikan pencocokan yang lebih baik dengan reaktor korona. Selain itu, tegangan keluaran akan meningkat.
Fungsi utama dari TLT adalah:
(i) transformasi impedansi memberikan switching dan pencocokan yang lebih baik dengan reaktor corona,
(ii) meningkatkan tegangan output, dan (iii) perlindungan saklar terhadap terjadinya arus pendek dan kerusakan.
Kinerja TLT tergantung dari seberapa besar inti magnetic yang digunakan. Pada teknologi ini, tidak ada inti magnetik yang digunakan. Akibatnya, impedansi rendah membatasi transformasi tegangan dan adanya osilasi pada tegangan yang terjadi (Gambar 10). Karena osilasi ini,, negative corona discharge akan terjadi setelah 200 ns (Grabowski, 2006).
Gambar 9. Skema diagram pembangkit listrik berdenyut (Grabowski, 2006).
Gambar 10. Tegangan, arus, daya dan energi (Grabowski, 2006).
Untuk mendiagnosa efisiensi dari reaktor yang digunakan maka dipasang sistem diagnosa yang mengukur senyawa LIF dari senyawa yang dihasilkan (Grabowski, 2006).
5. Kesimpulan
Teknologi pengolahan air menggunakan
plasma merupakan salah satu jalur
alternatif pengolahan air yang cukup
efisien. Teknologi ini menerapkan metode
daur ulang air limbah yang dihasilkan
dalam proses produksi, sehingga tidak
berbahaya ketika dibuang ke lingkungan.
Namun
teknologi
ini
masih
jarang
digunakan karena masih jarang diketahui
masyarakat luas. Di Indonesia sendiri
perkembangan
teknologi
pengolahan
plasma sedang dikembangankan lebih
lanjut . Salah satunya adalah Advanced
Oxydation
Process
(proses
oksidasi
lanjutan. AOP adalah satu atau kombinasi
dari beberapa proses, seperti ozon,
hidrogen,
peroksid,
sinar
ultraviolet,
titanium
oksida,
foto
katalis,
serta
beberapa
proses
lainnya
untuk
menghasilkan hidroksil radikal. Hidroksil
radikal sangat mudah bereaksi dengan
senyawa-senyawa lain yang ada di
sekitarnya.
Oksida merupakan sebuah unit pengolahan
air
limbah
yang
dapat
digunakan
berpindah-pindah atau bergerak (mobile)
maupun secara tetap (stationary). Unit
bergerak
Oksida
dapat
memenuhi
kebutuhan industri kecil dan menengah
atau rumah sakit dan puskesmas yang
tidak memiliki lahan yang luas untuk
instalasi pengolahan air limbah. Adapun
untuk
industri
besar, Oksida dapat
diinstalasi secara tetap seperti halnya
sistem IPAL (instalasi pengolahan air
limbah) yang sudah ada.
Daftar Pustaka
Ariadi Hazmi, Reni Desmiarti, Eka Putra Waldi. Penghilangan Mikroorganisme dalam
Air Minum dengan Pulsa Tegangan Tinggi.
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Andalas, Padang. (Journal)
Chang J S. Thermal Plasma Solid Waste and
Water Treatments: A Critical Review.
McIARS and Department of Engineering Physics, McMaster University, Hamilton, Canada (2009). 67-84. (Journal)
Grabowski., .M. van Veldhuizen, G. Peemen, W.R. Water cleaning in a heterogeneous
pulsed corona reactor. Department of
Electrical Engeneering, Technische Universiteit Eindhoven (TU/e),The Netherlands. (Journal)
Lovtsov, A.S, V.V. Abashkin, O.A.Gorshkov, A.A. Ilyin, R.N. Rizakhanov, Electron-Beam
Systems For Realization Of Plasma
Technologies Keldysh Research Centre,
Moscow, Russia. 2004. (Proceedings).
Tuhu Agung R., Hanry Sutan Winata.
Pengolahan Air Limbah Industri Tahu dengan
Menggunakan Teknologi Plasma. Universitas
Pembangunan Nasional “Veteran” Jawa Timur, Surabaya. (Journal)
Zhang, Yanzong Zhang *, Jingtang Zheng, Xianfeng Qu, Honggang Chen. Design of a novel non-equilibrium plasma-based water
treatment reactor. State Key Laboratory of
Heavy Oil Processing, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong, P.R. China (2007). (Journal).
