UNIVERSITAS INDONESIA ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS SKRIPSI

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA

LARUTAN TAWAS

SKRIPSI

NURROHMAN 0806454872

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK

i

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA

LARUTAN TAWAS

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

NURROHMAN 0806454872

FAKULTAS TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

DEPOK

ii

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

Nama : Nurrohman

NPM : 0806454872

Tanda Tangan :

iii

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh :

Nama : Nurrohman

NPM : 0806454872

Program Studi : Teknik Mesin

Judul Skripsi : Analisis Karakteristik Small Bubble Pada Larutan Tawas

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI

Pembimbing : Ir. Warjito, M.Sc., Ph.D (...)

Penguji : Prof. Dr. Ir. Harinaldi, M.Eng. (...)

Penguji : Dr. Ir. Engkos A. Kosasih, M.T. (...)

Penguji : Dr. Ir. Imansyah Ibnu H, M.Eng. (...)

Ditetapkan di : Depok (Universitas Indonesia) Tanggal : Juli 2012

iv

UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah Subhanahu wata’ala karena berkat rahmat dan karunia-Nya, saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dalam penulisan skripsi ini, saya sangat berterima kasih kepada berbagai pihak atas bantuan dan bimbingannya karena sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan skripsi ini tanpa bantuan dan bimbingan tersebut. Oleh karena itu saya mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ibuku tercinta Sutinah, ayahku tersayang Dion Hardana, dan saudara-saudaraku di rumah Nurrohim dan Nur’alim serta keluarga yang telah memberikan doa, dana dan dukungannya kepada penulis untuk tetap semangat menyelesaikan skripsi ini

2. Ir. Warjito, M.Sc., Ph.D, atas segala waktu, tenaga dan kesabaran dalam membimbing dan mengarahkan dari awal sampai akhir pembuatan skripsi ini 3. Ir. Hadi Tresno Wibowo, atas DC Power Supply yang telah dipinjamkan untuk

penelitian ini serta motivasi yang telah diberikan kepada penulis

4. Dr. Ir. Engkos Kosasih, M.T., atas lensa yang dipinjamkan kepada penulis 5. Dr. Ir. Gandjar Kiswanto, M.Eng., selaku pembimbing akademik yang telah

banyak memberikan motivasi

6. Shahreza Muhammad, sebagai rekan yang selalu bersemangat, kreatif dan aktif untuk membantu penulis membeli alat-alat percobaan

7. Indra Pranata A yang telah menjadi rekan diskusi tentang teori serta alat uji 8. Bapak Udiono, yang telah membantu menunjukkan tempat-tempat membeli

peralatan percobaan

9. Fajardo Yoshia, yang telah membantu penulis membubut baut untuk

10.Teman – teman Laboratorium Mekanika Fluida dan Laboratorium Pendingin yang banyak memberikan bantuan, saran dan motivasinya dalam mengerjakan skripsi

v

11.Teman – teman Departemen Teknik Mesin 2008 yang telah berkontribusi membantu dan mendukung skripsi ini

12.Serta pihak-pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu

Akhir kata, saya berharap Allah subhanahu wata’ala membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga skripsi ini dapat membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Depok, Juli 2012

vi

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Nurrohman NPM : 0806454872 Program Studi : Teknik Mesin Departemen : Teknik Mesin Fakultas : Teknik Jenis karya : Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive

Royalty-Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :

ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS

beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di : Depok (Universitas Indonesia) Pada tanggal : Juli 2012

Yang menyatakan

vii

ABSTRAK

Nama : Nurrohman Program Studi : Teknik Mesin

Judul : Analisis Karakteristik Small Bubble Pada Larutan Tawas

Limbah batik dapat menaikkan Total Suspended Solid (TSS) air sehingga melebihi baku mutu. Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk mengurangi Total Suspended Solid adalah dengan flotasi gelembung. Efektifitas flotasi gelembung tergantung dari tiga hal, yaitu probabilitas tumbukan antara gelembung dengan partikel, proses partikel menempel pada permukaan gelembung dan proses partikel dibawa oleh gelembung. Probabilitas-probabilitas ini sangat dipengaruhi oleh karakteristik gelembung, yaitu diameter, kecepatan naik sepanjang kolom, dan terminal velocity gelembung. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari karakteristik small bubble (gelembung dengan diameter 0,2 mm sampai 1 mm) yang naik dalam kolom cairan. Penelitian tentang small bubble telah dilakukan terhadap gelembung yang bergerak naik dalam kolom setinggi 2 m yang berisi laturan tawas 100 g/L. Gelembung dihasilkan dengan elektrolisis kemudian di-tracing menggunakan kamera yang ditempatkan pada guideways. Video diolah dengan menggunakan software imageJ. Hasil menunjukkan bahwa pada ketinggian 50 cm dari ujung katoda rata-rata gelembung telah mencapai terminal velocity-nya. Pengaruh surfaktan tawas terbukti mampu menurunkan terminal velocity gelembung.

viii

ABSTRACT

Name : Nurrohman

Major : Mechanical Engineering

Title : Analysis of Small Bubble Characteristics In Alum Solution

Waste batik can raise Total Suspended Solid (TSS) that exceed the water quality standard. One technique that can be used to reduce Total Suspended Solid is bubbles flotation. The effectiveness of the bubbles flotation depends on three things, namely the probability of collision between bubbles with particles, the particles stick to the surface of the bubbles and the particles carried by the bubbles. These probabilities are greatly influenced by the characteristics of the bubble, i.e. diameter, rise velocity along the column, and terminal velocity of the bubbles. The purpose of this research was to study the characteristics of small bubbles (bubbles with a diameter of 0,2 mm to 1 mm), which rise in a liquid column. Research have been made to bubbles rise within 2 m high column that contains 100 g/L alum solution. Bubbles were produced by electrolysis and then traced using a camera placed on a guideways. Videos were processed using imageJ software. The results showed that at a height of 50 cm from the cathode tip bubbles in average have reached its terminal velocity. It has been proven that effect of alum surfactant can reduce the bubbles terminal velocity.

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

UCAPAN TERIMA KASIH ... iv

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi

ABSTRAK ... vii

ABSTRACT ... viii

DAFTAR ISI ... ix

DAFTAR GAMBAR ... xii

DAFTAR TABEL ... xiv

DAFTAR NOTASI ... xv

DAFTAR LAMPIRAN ... xvii

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1Latar Belakang ... 1 1.2Pembatasan Masalah ... 2 1.3Tujuan Penelitian ... 3 1.4Metode Penelitian... 3 1.5Sistematika Penulisan ... 3

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1Gelembung ... 5

2.1.1 Gelembung, Drop, dan Partikel ... 5

2.1.2 Bentuk-Bentuk Gelembung dan Drop ... 6

x

2.2Tinjauan Mekanika Fluida ... 9

2.2.1 Bilangan-Bilangan Tak Berdimensi ... 9

2.2.2 Tegangan Permukaan Gelembung ... 10

2.2.3 Gelembung dalam Aliran Creep ... 14

2.2.4 Kecepatan Gelembung dan Terminal Velocity ... 15

2.2.5 Wall Effect ... 17

2.3Pengaruh Surfaktan ... 18

2.4Pembentukan Gelembung Hidrogen dengan Elektrolisis ... 19

2.5Image Processing ... 20

2.6Flotasi ... 21

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 25

3.1Alur Percobaan ... 25

3.2Spesifikasi Peralatan Percobaan ... 25

3.2.1 Kolom Flotasi ... 26

3.2.2 Mekanisme Video Kamera ... 26

3.2.3 Kamera ... 27

3.2.4 Lensa ... 28

3.2.5 Peralatan Elektrolisis ... 29

3.3Tahap Eksperimen ... 30

3.3.1 Set up Peralatan ... 30

3.3.2 Prosedur Pengambilan Data ... 31

3.4Pengolahan Data Menggunakan Software ImageJ ... 32

BAB IV PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS ... 39

4.1Distribusi Gelembung Hasil Elektrolisis ... 39

4.2Kecepatan Naik dan Diameter Gelembung ... 40

xi

4.2.2 Tegangan 7,5 Volt ... 42

4.3Terminal Velocity ... 45

4.3.1 Tegangan 3 Volt ... 45

4.3.2 Tegangan 7,5 Volt ... 47

4.3.3 Perbandingan 3 Volt dan 7,5 Volt ... 48

4.3.4 Pengaruh Surfaktan ... 49

4.3.5 Perbandingan Hasil Penelitian dengan Persamaan ... 50

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 54

5.1Kesimpulan ... 54

5.2Saran ... 54

xii

1 DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Tekanan gelembung gas statik pada suatu cairan... 11

Gambar 2.2 Sebuah potongan imajiner gelembung, mengilustrasikan efek dan tekanan berkaitan dengan tegangan permukaan ... 12

Gambar 2.3 Gambar anuli pada setengah bola gelembung yang dipotong imajiner (tampak atas) ... 12

Gambar 2.4 Gambar geometri anuli. ... 13

Gambar 2.5 Kecepatan W dari sebuah partikel yang dilepaskan dari t = 0 pada fluida diam dan pendekatan ke kecepatan terminal ... 16

Gambar 2.6 Gelembung pada cairan bebas surfaktan (kiri) dan gelembung pada cairan dengan surfaktan (kanan) . ... 19

Gambar 2.7 Skema Proses Elektrolisis ... 20

Gambar 3.1 Flow chart jalannya eksperimen ... 25

Gambar 3.2 Guideways Kamera Video ... 26

Gambar 3.3 Nikon D5000 ... 27

Gambar 3.4 Lensa Nikorr 60mm f/28D AF ... 28

Gambar 3.5 DC Power Supply KPS3030DA. ... 29

Gambar 3.6 Gambar skema peralatan ... 32

Gambar 3.7 Langkah Membuka Gambar dengan imageJ ... 33

Gambar 3.8 Langkah Menentukan Skala Gambar ... 34

Gambar 3.9 Langkah Mengubah format gambar ... 34

Gambar 3.10 Contoh Gambar dalam format 8-Bit... 35

Gambar 3.11 Langkah Menghaluskan Gambar dan Menajamkan Gambar ... 35

Gambar 3.12 Gambar langkah men-threshold gambar ... 36

Gambar 3.13 Contoh gambar yang telah di-thrasehold ... 37

Gambar 3.14 Langkah Menghitung Luas... 37

Gambar 3.15 Contoh Hasil Perhitungan Luasan ... 38

Gambar 4.1 Perbandingan diameter overall dan ketinggian ... 39

Gambar 4.2 Grafik Kecepatan vs Waktu Gelembung Naik pada tegangan 3 Volt ... .42

xiii

Gambar 4.3 Gambar Kecepatan vs Waktu Gelembung Naik pada tegangan 7,5 volt ... 44 Gambar 4.4 Grafik Perbandingan terminal velocity dan gelembung tegangan 3

volt ... 46 Gambar 4.5 Grafik Perbandingan terminal velocity dan diameter gelembung

tegangan 7,5 volt... 48 Gambar 4.6 Perbandingan gelembung yang dihasilkan dengan tegangan 3 volt dan

7,5 volt ... 49 Gambar 4.7 Grafik hasil eksperimen gelembung dalam pure water . ... 50 Gambar 4.8 Perbandingan CD dengan Re untuk solid sphere . ... 51

Gambar 4.9 Perbandingan hasil penelitian dengan beberapa persamaan tegangan 3 volt ... 52 Gambar 4.10 Perbandingan hasil penelitian dengan beberapa persamaan tegangan

xiv

2 DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Hubungan Re, Eo, de, dan alur pergerakan gelembung. ... 8

Tabel 3.1 Spesifikasi DC Power Supply KPS3030DA. ... 29

Tabel 4.1 Distribusi ukuran gelembung pada berbagai ketinggian ... 39

Tabel 4.2 Data Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 3 volt. ... 40

Tabel 4.3 Tabel Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 7,5 Volt. ... 42

Tabel 4.4 Nilai yang diambil untuk penentuan terminal velocity tegangan 3 volt.. ... 45

Tabel 4.5 Nilai yang diambil untuk penentuan terminal velocity tegangan 7,5 volt ... 47

Tabel 4.6 Nilai Re tegangan 3 volt... 52

xv

3 DAFTAR NOTASI

Nomenclature

Re bilangan Reynolds v kecepatan benda (m/s)

g percepatan gravitasi bumi (m/s2) D Diameter benda (m)

Eo bilangan Eotvos

M bilangan Morton, jumlah zat (mol) We bilangan Weber

pi tekanan internal gelembung (Pa)

pg tekanan gas (Pa)

pv tekanan uap dalam gelembung (Pa)

pL tekanan cairan di dinding gelembung bagian luar (Pa)

pσ tekanan tegangan permukaan (Pa) R jari-jari gelembung (m)

CD koefisien drag

UT teminal velocity (m/s)

r jari-jari gelembung (m)

Q jumlah muatan listrik (coulomb) A massa atom

F konstanta Faraday (1 Faraday = 96500 Coulomb) n perubahan elektron

Greek letters

ߩ massa jenis (kg/m3)

ߤ viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

σ tegangan permukaan cairan (kg/s2)

κ perbandingan kekentalan

xvi Subscript i internal gelembung g gas v uap gelembung L liquid

xvii

4 DAFTAR LAMPIRAN

L1 Contoh Gambar Small Bubble yang Bergerak Naik pada Ketinggian 12,5 cm Tegangan 3 Volt

1 Universitas Indonesia

5 BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Air sangat menentukan kehidupan makhluk hidup. Tanpa air bisa dipastikan tidak akan ada kehidupan di bumi ini. Air dipakai manusia untuk memasak, makan, minum, mandi, membersihkan barang-barang, menyiram tanaman dan lain-lain. Air diperlukan oleh tumbuhan hijau untuk proses fotosintesis sehingga dapat menghasilkan energi untuk menjamin kelangsungan hidupnya. Industri yang berkembang dengan pesat menyebabkan ketersediaan air bersih berkurang. Pengurangan ini diakibatkan oleh polusi dari limbah-limbah industri. Limbah industri tersebut salah satunya adalah limbah batik.

Batik adalah salah satu ciri khas bangsa Indonesia karena berasal dari warisan budaya bangsa. Selain itu, masyarakat dunia telah mengakui bahwa batik adalah berasal dari Indonesia. Hal ini dibuktikan dengan pengesahan oleh UNESCO. Industri batik semakin hari semakin berkembang. Perkembangan ini mengakibatkan limbah dari industri tersebut juga meningkat. Limbah batik menyebabkan peningkatan pada Total Suspended Solid (TSS) pada air sehingga melebihi baku mutu [1]. Diperlukan suatu teknik untuk mengurangi Total Suspended Solid tersebut sehingga tidak melebihi baku mutu. Salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan flotasi gelembung.

Gelembung mikro adalah gelembung dengan ukuran kurang dari 200 µm. Gelembung dengen diameter lebih dari 200 µm tetapi kurang dari 1 mm disebut small bubble. Sedangkan gelembung dengan diameter lebih dari 1 mm disebut large bubble. Flotasi gelembung adalah dengan menghasilkan gelembung dari bawah kolom cairan yang terkontaminasi partikel-partikel limbah. Gelembung kemudian akan naik karena gaya Bouyancy. Gelembung naik dan menumbuk partikel-partikel limbah. Partikel-partikel ini kemudian menempel pada gelembung dan dibawa naik sampai permukaan cairan.

Universitas Indonesia Setelah berada di atas permukaan cairan, partikel-partikel (forth) ini akan mudah untuk dipisahkan dari cairan tersebut.

Efektifitas flotasi gelembung tergantung dari tiga hal, yaitu probabilitas tumbukan antara gelembung dengan partikel, proses partikel menempel pada permukaan gelembung dan proses partikel dibawa oleh gelembung [2]. Semakin tinggi nilai probabilitas tersebut, semakin tinggi efektifitas flotasi. Gelembung mikro lebih dipakai karena dapat meningkatkan luas permukaan sehingga probabilitas tumbukan antara partikel dan gelembung dapat ditingkatkan. Selain itu, terminal velocity gelembung mikro lebih rendah daripada small dan large bubble. Terminal velocity yang rendah akan meningkatkan probabilitas tumbukan dan menempelnya partikel-partikel pada gelembung.

Saat ini, aplikasi gelembung masih terkendala dalam pemahaman terhadap karakteristik dari gelembung itu sendiri. Oleh karena itu, dibutuhkan penelitian yang mengkaji tentang karatertistik dari gelembung yang bergerak naik dalam cairan. Karakteristik itu antara lain adalah diameter gelembung, kecepatan gelembung sepanjang kolom cairan dan terminal velocity dari gelembung.

Penelitian ini akan mempelajari karakteristik small bubble dalam cairan yang ditambah surfaktan tawas. Penelitian tentang gelembung dalam cairan yang ditambah surfaktan membuktikan bahwa sifat dan perilaku gelembung akan berubah dengan signifikan pada fluida yang telah terkontaminasi surfaktan. Pengaruh surfaktan biasa dibandingkan dengan terminal velocity dari gelembung. Surfaktan cenderung untuk menghambat gerakan sirkulasi internal gelembung sehingga mengurangi terminal velocity. Sebagaimana dijelaskan sebelumnya dengan terminal velocity yang rendah akan meningkatkan probabilitas tumbukan dan menempelnya partikel-partikel pada gelembung.

1.2 Pembatasan Masalah

Penelitian ini mempelajari karakteristik small bubble (200 µm < d < 1 mm) yaitu profil kecepatan, terminal velocity dan diameter di dalam kolom setinggi 2 m berisi air yang dicampur surfaktan tawas sebanyak 100 g/L.

3

Universitas Indonesia Gelembung dihasilkan dengan metode elektrolisis. Elektroda yang digunakan adalah kawat tembaga dengan diameter 0,1 mm untuk katoda dan 0,2 mm untuk anoda.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari karakter small bubble yang meliputi diameter, kecepatan sepanjang kolom cairan dan terminal velocity pada kolom cairan berisi surfaktan tawas.

1.4 Metode Penelitian

Metode penelitian pada penilitain ini antara lain: 1. Studi Literatur dan Referensi

Tahap ini dilakukan dengan mempelajari artikel, jurnal, karya tulis dan internet serta buku-buku yang terkait penelitian.

2. Konsultasi dan Diskusi

Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data-data yang berkaitan dengan penelitian dan mendisuksikannya dengan dosen pembimbing dan pihak-pihak yang dapat dijadikan konsultan.

3. Pengumpulan Data Penelitian

Pada tahap ini, gambar-gambar hasil eksperimen dikumpulkan untuk dianalisis dengan digital image processing menggunakan software ImageJ.

4. Analisis Hasil Penelitian

Menganalisis hasil yang diperoleh dari tahap sebelumnya, membandingkan dengan literatur dan menarik kesimpulan.

1.5 Sistematika Penulisan

Penulisan hasil penelitian ini dibagi dalam beberapa bab yang saling berhubungan. Adapun urutan dalam penulisan laporan ini terlihat pada uraian dibawah ini :

BAB 1 : Pada bab ini dijelaskan tentang latar belakang penelitian, tujuan, batasan masalah, dan sistematika penulisan peneletian.

BAB 2 : Pada bab ini diuraikan tentang studi literatur yang berkaitan dengan penelitian skripsi ini.

Universitas Indonesia BAB 3 : Pada bab ini berisi prosedur penelitian, daftar alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian.

BAB 4 : Bab ini berisi data-data hasil penelitian dan analisa dari hasil penelitian tersebut yang dibandingkan dengan hasil dari studi literatur. BAB 5 : Bab ini berisikan kesimpulan akhir berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian ini.

5 Universitas Indonesia BAB II

DASAR TEORI 2.1 Gelembung

2.1.1 Gelembung, Drop, dan Partikel

Gelembung, drop dan partikel sangat penting di dalam banyak proses fisik alami dan pada sebagian besar industri dan aktifitas yang berhubungan dengan manusia. Air hujan, polusi udara, flotasi, fermentasi, ekstraksi cair-cair, dan pengeringan spray adalah sebagian kecil fenomena dan operasi dimana partikel memerankan peran utama. Ahli meteorologi dan geofisika mempelajari kelakuan rintik hujan dan batu hujan es, dan dari partikel-partikel padat yang dibawa sungai. Ahli matematika terapan dan fisika terapan telah sejak lama mempertimbangkan aspek fundamental dari interaksi fluida-partikel. Insinyur kimia dan metalurgi mengandalkan gelembung dan drops untuk operasi-operasi seperti destilasi, absorpsi, flotasi, dan pengeringan spray, dan menggunakan partikel solid sebagai katalis atau reaktan kimia. Insinyur mesin telah mempelajari kelakuan droplet dalam hubungan dengan proses pembakaran, dan gelembung dalam permesinan listrik (electromachining) dan pendidihan. Dalam semua fenomena dan proses ini, terdapat pergerakan relatif antara gelembung, drop, atau partikel di satu sisi, dan fluida di sisi lainnya. Dalam banyak kasus, perpindahan masa dan/atau panas juga penting.

Partikel adalah suatu benda berdiri sendiri dengan maksimum dimensi antara sekitar 0,5 µm dan 10 cm, terpisah dari medium disekitarnya oleh antarmuka yang dapat dikenali. Material yang membentuk partikel disebut sebagai “fase terdispersi”. Partikel-partikel yang fase terdispersinya tersusun dari benda padat sebagai “partikel padat”. Jika fase terdispersinya dalam keadaan cair, partikel tersebut disebut “drop”. Istilah “droplet” sering digunakan untuk mengacu pada drop yang kecil. Jika fase terdispersinya adalah gas, partikel disebut sebagai gelembung. Drop dan gelembung disebut sebagai “partikel fluida” [3].

Universitas Indonesia 2.1.2 Bentuk-Bentuk Gelembung dan Drop

Partikel simetris dikelompokan ke dalam beberapa kelompok umum. Satu bentuk bisa jadi mempunyai lebih dari satu kelompok, dan hal ini biasanya lebih memudahkan dalam memprediksi sifat aliran, gerak jatuh bebas atau naik dan sebagainya. Berikut adalah bentuk-bentuk gelembung dan drop [3].

1. Partikel-Partikel Axisymmetric

Kelompok ini terdiri dari partikel yang bentuknya dihasilkan oleh rotasi sebuah kurva sekitar sumbu putarnya. Salah satu bentuk yang termasuk kelompok ini adalah spheroidal, yaitu bentuk yang didapatkan dengan memutar sebuah elips pada salah satu sumbunya. Jika dilakukan pada sumbu mayor disebut prolate, sementara jika dilakukan pada sumbu minor disebut oblate. Bentuk asimetrik secara tepat digambarkan oleh “aspek rasio” E, yang didefinisikan sebagai rasio dari panjang proyeksi sumbu putar terhadap diameter normal (tegak lurus terhadap sumbu putar) maksimum. Pada spheroid oblate berarti E < 1 dan prolate berarti E > 1.

2. Partikel Orthotropic

Orthotropic adalah bentuk partikel yang memiliki tiga bidang simetri yang saling tegak lurus. Sebuah partikel disebut memiliki bidang simetri jika bentuknya tidak berubah ketika diproyeksikan kesebuah bidang.

3. Partikel-Partikel Isotropik Spheric

Terdiri dari bentuk-bentuk yang didapatkan dari pemotongan bidang sebuah ruang.

Silinder, piringan, dan bola termasuk kedalam bentuk axysimmetric dan orthotropic. Sementara kerucut termasuk kedalam bentuk axysimmetric tetapi tidak orthotropic. Bentuk ruang dengan dasar jajar genjang termasuk kedalam isotropik spheric, begitu pula kubus. Sementara itu, khusus partikel fluida (gelembung dan drop), yang bergerak di dalam sebuah fase kontinu dapat dikelompokan ke dalam 3 kategori, yaitu [3]:

7

Universitas Indonesia 1. Spherical

Pada umumnya, gelembung atau drop digolongkan ke dalam bentuk spherical jika tegangan permukaan dan atau viskositas (kekentalan) lebih penting dibandingkan dengan inersianya. Sebuah gelembung atau drop dapat disebut spherical jika perbedaan anatara sumbu minor dan mayor tidak lebih dari 10%.

2. Ellipsoidal

Gelembung dan drop yang masuk ke dalam kategori ini adalah partikel oblate dengan permukaan yang berbentuk cembung.

3. Spherical-cap dan Ellipsoidal-cap

Bentuk ini biasanya dimiliki oleh gelembung atau drop berukuran besar. Berbentuk topi, dimana salah satu sisi dari gelembung atau drop tersebut adalah bidang datar.

Gelembung atau drop akan cenderung berbentuk spheroidal jika tidak ada gaya luar yang mempengaruhinya [4]. Selain itu, bentuk gelembung dan drop yang bergerak di dalam sebuah media tertutup akan dipengaruhi oleh dinding media tersebut. Pembagian bentuk-bentuk partikel ini bertujuan untuk memudahkan dalam menentukan sifat-sifat aliran serta gerak partikel di dalam fase kontinu.

2.1.3 Gerak Gelembung

Pada umumnya, gerakan ke atas dari sebuah gelembung bebas terdiri dari mengayun-ayun (rocking), zig-zag, dan spiral [5]. Olakannya (wake) sangat rumit dan zig-zag adalah gerakan yang paling mendekati struktur vorteks olakan ini. Terlihat jelas bahwa gelembung naik secara rektillinear dan mempengaruhi bidang symmetric vorticity, yang memiliki kemiripan dengan vortex shedding di belakang sebuah bola diam oleh aliran masuk. Membandingkan lintasan dengan shed vortices, satu putaran gerak zig-zag menghasilkan setengah periode vortex shedding. Jadi, periode gerak zig-zag sama dengan vortex shedding. Bagaimanapun juga, panjang gelombang dari gerak menurun, yang artinya ada satu interaksi yang kuat antara gerak gelembung dengan vortex shedding dari gelembung.

Universitas Indonesia Lintasan gerak gelembung naik secara rektilinear (seperti garis lurus) pada mula dekat nossel. Akan tetapi, selanjutnya akan berbentuk spiral ketika semakin menjauh dari nosel. Lintasan gelembung pada medan yang jauh menunjukkan bahwa periode putar bersinkronisasi dengan vortex shedding tetapi panjang gelombang dari gerakan spiral menurun seiring gelembung bergerak ke atas [6].

Lintasan naik gelembung di dalam air di sepanjang yang dilalui mulai dari nosel sampai ke permukaan air berbeda untuk setiap besar Re dan Eo yang berbeda, yang juga mempengaruhi besarnya diameter gelembung tersebut. Lima tipe pergerakan yang telah diamati pada bilangan Re dan Eo, yaitu [3]:

Tabel 2.1 Hubungan Re, Eo, de, dan alur pergerakan gelembung [3].

de (mm) Re Eo Lintasan

<1,3 <565 >0,8 Rektilinear

1,3-2,0 565-880 0,8-0,5 Spiral

2,0-3,6 880-1350 0,5-0,36 Plane (zig-zag) lalu spiral

3,6-4,2 1350-1510 0,36-0,28 Plane (zig-zag) 4,2-17 1510-4700 0,28-0,23 Rektilinear dengan

rocking

Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Ristanto dan Sugeng di Laboratorium Mekanik Fluida telah membahas tentang transisi pergerakan dari lintasan lurus menjadi zig-zag diperoleh bahwa bentuk gelembung yang terjadi pada saat keluar nossel cenderung lurus dan pada saat jauh dari nossel akan berbentuk spiral. Pada bilangan Re yang rendah, lintasan gelembung berbentuk rektilinear. Lintasan gelembung pada penelitian tersebut cenderung berbentuk rektilinear lalu spiral. Hal ini bersesuaian dengan Tabel 2. di atas [7].

9

Universitas Indonesia 2.2 Tinjauan Mekanika Fluida

2.2.1 Bilangan-Bilangan Tak Berdimensi

Untuk analisis diameter gelembung atau pergerakannya dalam hubungannya dengan beberapa parameter fisik lain maka ada beberapa bilangan tak berdimensi yang sering dipergunakan, yaitu [3]:

1. Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds adalah bilangan yang menunjukkan perbandingan antara gaya inersia dengan gaya viskos di dalam fluida.

Re = ୴.ఘ.஽

µ (2.1)

dimana Re, v, ρ, D dan µ adalah bilangan Reynolds (non-dimensional), kecepatan gelembung (m/s), massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), diameter gelembung (m), dan viskositas dinamik fluida tempat gelembung bergerak (kg/m.s).

2. Bilangan Eotvos

Bilangan Eotvos adalah bilangan yang menunjukkan perbandingan anata gaya lift dengan tegangan permukaan.

Eo = ௚.௱ఘ.஽

ఙ (2.2) dimana Eo, g, ∆ρ, D, dan σ adalah bilangan Eotvos (non-dimensional), percepatan gravitasi (m/s2), perbedaan massa jenis fluida dalam gelembung dan fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), diameter gelembung (m) dan tegangan permukaan gelembung (N/m).

Surfaktan tidak mempengaruhi terminal velocity pada gelembung dengan bilangan Eotvos tinggi karena gelembung dengan bilangan Eotvos tinggi bergantung pada tegangan permukaan [8].

3. Bilangan Morton

Bilangan Morton adalah bilangan yang menunjukkan perbandingan antara gaya viskos dengan tegangan permukaan.

M = g.µ4.∆ρ/ρ2.σ (2.3) dimana M, g, µ, ∆ρ, ρ, dan σ adalah bilangan Morton (non-dimensional), percepatan gravitasi (m/s2), viskositas dinamik cairan

Universitas Indonesia (kg/m.s), perbedaan massa jenis fluida dalam gelembung dan fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), dan tegangan permukaan gelembung (N/s).

4. Bilangan Weber

Bilangan Weber adalah bilangan yang berguna untuk menganalisis aliran-aliran fluida dimana ada pertemuan antara dua fluida yang berbeda. Bilangan Weber menyatakan indeks dari gaya-gaya dalam yang terjadi pada gaya yang bekerja pada tegangan permukaan pada elemen fluida. Aplikasi dari bilangan Weber adalah untuk menganalisis aliran fluida yang tipis, tetes (droplet), dan gelembung. Bilangan Weber dapat dirumuskan sebagai berikut:

We = ρ.v2.D/σ (2.4)

dimana We, ρ, v, D dan σ adalah bilangan Weber (non-dimensional), massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), kecepatan gelembung (m/s), diameter gelembung (m) dan tegangan permukaan gelembung (N/m).

2.2.2 Tegangan Permukaan Gelembung

Tinjau sebuah gelembung dangan jari-jari R yang terlihat seperti pada gambar 2.1. Di dalam gelembung terdapat tekanan internal (pi) sebagai

hasil penjumlahan dari tekanan gas (pg) dan tekanan uap air (pv) di dalam

gelembung, sehingga

pi = pg + pv (2.5)

Tekanan yang ada di dalam sebuah gelembung pada keadaan diam lebih besar daripada tekanan di cairan sesaat di luar gelembung sebagai hasil dari gaya tegangan permukaan. Jika tekanan pada cairan di luar gelembung, di dinding gelembung, adalah pL, maka tekanan dalam

gelembung adalah

11

Universitas Indonesia Jika sebuah potongan imajiner dibuat dimana potongan tersebut membelah gelembung menjadi dua buah bagian yang sama besar, tekanan berlebih pσ akan cenderung mendorong kedua bagian gelembung menjauhi satu sama lain. Gaya yang menyeimbangkan tekanan berlebihan tersebut dan dengan demikian menjaga agar gelembung statik tetap utuh adalah tegangan permukaan.

Energi yang berkaitan dengan permukaan di dalam suatu cairan diberikan oleh hasil dari tegangan permukaan dengan area permukaan. Tegangan permukaan σ secara numerik sama dengan gaya per satuan panjang yang bekerja secara tegak lurus pada satu sisi dari sebuah garis lurus di dalam suatu permukaan cairan. Gaya pada potongan imajiner itu adalah 2πRσ.

Gaya yang diseimbangkan gaya ini adalah πR2pσ, yaitu tekanan berlebih dikali dengan luas efektif dari area yang terlihat dari arah dorongan, (Gambar 2.2).

pL, tekanan cairan pada dinding

pi = pg + pv

tekanan gas dan uap di dalam gelembung (arah ke luar)

Cairan

po, tekanan hidrostatik pada badan cairan

Universitas Indonesia

πR2pσ

Gaya pada potongan imajiner di atas adalah 2πRσ, sedangkan gaya yang diseimbangkan gaya ini adalah πR2pσ, sehingga menghasilkan

pσ = 2σ/R (2.7) Hal ini dapat dibuktikan lebih jauh dengan mengintegrasikan gaya pada anuli seperti yang terlihat pada gambar 2.3.

Untuk menurunkan persamaan akan digunakan Gambar 2.4. Tekanan berlebih pσ

mendorong dua bagian gelembung menjauh

Area yang “terlihat” oleh pressure = πR2

Anuli 2πRσ

πR2pσ

Gambar 2.2 Sebuah potongan imajiner gelembung, mengilustrasikan efek dan tekanan berkaitan dengan tegangan permukaan [9].

Gambar 2.3 Gambar anuli pada setengah bola gelembung yang dipotong

13

Universitas Indonesia Keliling dari anuli sesuai gambar 2.4 adalah 2πRsinθ. Hanya komponen gaya (F) pada sumbu x yang nilainya tidak nol, sehingga gaya pada anuli tersebut adalah

dFx = (2πRsinθ)( pσcosθ)(Rdθ) (2.8) Dengan mengintegrasikan persamaan (2.8) dari θ = 0 sampai θ = π/2, akan memberikan gaya bersih sebesar πR2pσ. Dengan menyamakan ini dengan persamaan gaya tegangan permukaan, akan didapat pσ = 2σ/R [9].

Jika permukaan sebuah gelembung gas di dalam suatu cairan tidak uniform (contohnya gelembung non-spherical), terdapat tekanan tegangan permukaan lokal yang berkaitan dengan setiap bagian dari permukaan. Dengan mengabaikan gaya yang lain (seperti gravitasi/Bouyancy, adhesi pada dinding dan sebagainya), ketidakseimbangan dari tekanan-tekanan ini akan cenderung mengembalikan gelembung pada bentuk spherical. Kelebihan inersia dari cairan akan menyebabkan osilasi dari bentuk gelembung di sekitar ekulibrium spherical. Jika gelembung spherical, jari-jari kelengkungan akan sama di semua titik pada dinding gelembung dan di setiap titik pada dinding adalah sama dipandang dari semua arah gelembung tersebut diukur [9].

x θ θ pσ R dθ pσcosθ

Gambar 2.4 Gambar geometri anuli [9]. F

Universitas Indonesia Pada dasarnya molekul-molekul dalam zat cair mempunyai gerakan-gerakan konstan, mereka saling tarik-menarik dengan gaya yang sama dalam semua arah. Namun pada permukaan antara cairan dan udara atau lapisan dari dua fluida yang berbeda, gaya tarik-menarik tersebut akan tidak seimbang. Gaya tarik-menarik tersebut mempunyai arah ke atas dan ke bawah. Misalkan antara cairan dan udara, dimana molekul-molekul cairan akan menciptakan gaya tarikan yang lebih kuat ke bawah. Akibatnya permukaan cairan bersifat seperti membran elastis saat mengalami tegangan.

Tegangan permukaan bekerja pada bidang permukaan, normal atau tegak lurus pada setiap garis yang bekerja pada permukaan dan sama besarnya pada setiap titik. Tegangan permukaan akan turun pada temperatur tertentu pada permukaan dua buah zat dan akan turun apabila terjadi kenaikan temperatur.

Efek dari adanya suatu cairan bebas adalah memperkecil permukaannya untuk membentuk suatu bentuk minimum. Oleh karena pembesaran suatu luas permukaan, mengakibatkan tersebarnya molekul-molekul pada permukaannya. Sehingga gaya-gaya (tarik) yang timbul menjadi banyak yang mengarah ke dalam. Oleh karena itu, suatu cairan bebas yang dijatuhkan akan cenderung membentuk suatu bola agar dapat meminimumkan luas permukaannya [10].

2.2.3 Gelembung dalam Aliran Creep

Aliran creep termasuk ke dalam intertialess flow, yaitu aliran yang menekankan viskositas (kekentalan) sebagai faktor terpenting dalam analisisnya [11]. Aliran creep adalah aliran dengan nilai bilangan Reynolds (Re) yang rendah. Bilangan Reynolds didefinisikan sebagai perbandingan antara inertial force dan viscous force, Re = ρ.v.d/µ. Nilai bilangan Reynolds rendah, didapat jika pembilang (ρ, v, d) bernilai kecil atau jika penyebut (µ) bernilai besar, yaitu:

15

Universitas Indonesia • Nialai panjang karakteristik (d) yang kecil,

• Nilai kecepatan (v) yang kecil, atau • Nilai viskositas (µ) yang kecil

Besarnya nilai bilangan Reynolds untuk aliran creep terentang antara 0,1 < Re < 1. Aliran creep dan aplikasinya ditemukan di dalam bidang-bidang seperti pada pelumasan, injection molding, dan aliran melalui media berpori.

2.2.4 Kecepatan Gelembung dan Terminal Velocity

Kecepatan gelembung pertama-tama akan mengalami percepatan setelah keluar dari permukaan kawat. Pada suatu saat akan mengalami terminal velocity, yaitu kecepatan konstan dimana pengaruh gaya berat (gravitasi) dan gaya drag akan seimbang dengan gaya apung (bouyancy). Hal tersebut ditunjukkan dengan rumus:

(ρwater – ρair). V.g = CD.A.ρwater.v2/2 (2.9)

dimana V, g, CD, A dan v adalah volume gelembung (m3), percepatan

gravitasi (m/s2), koefisien drag, luas penampang gelembung (bukan luas permukaan gelembung, m2), dan terminal velocity (m/s).

Grafik kecepatan partikel, termasuk gelembung, terhadap waktu ditunjukkan pada Gambar 2.5. Terlihat pada grafik bahwa di awal partikel mengalami gaya apung yang lebih besar dibandingkan gaya gravitasinya sehingga kecepatan partikel menjadi besar. Namun kemudian partikel akan mengalami kecepatan terminal dimana kecepatan menjadi konstan akibat pengaruh gaya apung serta gaya gravitasi dan gaya drag menjadi seimbang.

Universitas Indonesia Gambar 2.5 Kecepatan W dari sebuah partikel yang dilepaskan dari t = 0 pada fluida

diam dan pendekatan ke kecepatan terminal [12]

Besarnya nilai terminal velocity merupakan keseimbangan antara bouyant force dan drag force. Hadamard-Rybczynski merumuskan terminal velocity di dalam aliran creep sebagai berikut [3]:

2 2 . . 1 3 2 3 T g r U ρ κ µ κ ∆  +  =   +   _(2.10) dimana: UT = terminal velocity (m/s) R = jari-jari gelembung (m)

∆ρ = selisih massa jenis anatara gelembung dan fase kontinyunya (kg/m3)

κ = perbandingan kekentalan (µp/µ)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

17

Universitas Indonesia Persamaan Hadamard-Rybczynski berlaku untuk gelembung dengan ukuran kecil dengan permukaan bergerak (mobile surface). Dengan penambahan surfaktan, permukaan gelembung tidak bergerak (immobile surface). Untuk gelembung yang sangat kecil (mikro) dengan immobile surface, berlaku persamaan Stokes, yaitu [13]:

(2.11)

dimana u∞, g, de, ρl, ρg, dan µl adalah terminal velocity (m/s), percepatan

gravitasi (m/s2), diameter ekuivalen gelembung (m), massa jenis cairan tempat gelembung bergerak (kg/m3), massa jenis gas dalam gelembung (kg/m3), dan viskositas dinamik cairan tempat gelembung bergerak (kg/m.s). Persamaan (2.11) berlaku untuk gelembung dengan ukuran kecil, sedangkan untuk gelembung dengan ukuran besar Davies-Taylor mendefinisikan terminal velocity sebagai [13]:

(2.12) dimana u∞, g, dan de adalah terminal velocity (m/s), percepatan gravitasi

(m/s2), dan diameter ekuivalen gelembung (m). 2.2.5 Wall Effect

Wall effect atau pengaruh dinding pembatas terhadap gelembung atau drop berbeda-beda sesuai nilai perbandingan antara diameter gelembung dan diameter pembatas (λ = d/D). Clift membagi analisis ini ke dalam dua bagian, yaitu [3]:

1. λ ≤ 0,6

Pada gelembung atau drop yang termasuk kategori ini, pengaruh dinding pembatas terhadap gelembung sangat kecil. Analisis terhadap jenis ini menyerupai gelembung atau drop yang bergerak di media tak terbatas (infinite medium).

Universitas Indonesia Sementara gelembung atau drop yang termasuk kategori ini, dinding pembatas memiliki pengaruh yang dominan terhadap bentuk dan kecepatan gelembung atau drop.

2.3 Pengaruh Surfaktan

Sifat dan perilaku gelembung akan berubah dengan signifikan pada fluida yang telah terkontaminasi surfaktan. Pengaruh surfaktan biasa dibandingkan dengan kecepatan terminal dari gelembung. Berdasarkan penelitian berbagai pihak, dapat disimpulkan bahwa terdapat pengaruh yang besar dari kemurnian suatu fluida terhadap drag dan kecepatan terminal partikel fluida elipsoidal. Edge dan Grant telah melakukan penelitian mengenai surfaktan berkonsentrasi rendah terhadap gerakan gelembung di dalam air. Pada konsentrai surfaktan sangat rendah (<10-5 mg/L) pengaruh yang terjadi dapat diabaikan. Ketika konsentrasi surfaktan bertambah, terjadi penurunan kecepatan terminal untuk gelembung berdiameter 2 mm sampai 6 mm. Pada konsentrasi surfaktan tinggi (>10-2 mg/L), sistem disebut “grossly contamined” yang berakibat kecepatan terminal menjadi semakin berkurang. Gelembung mengalami keadaan dimana tidak terpengaruh surfaktan pada saat pertama kali diinjeksikan ke dalam air, namun seiring bertambahnya waktu kecepatan terminal dan sirkulasi internal gelembung akan semakin berkurang karena molekul-molekul surfaktan berkumpul di sepanjang permukaan (interface).

Perubahan ini terkait dengan sifat-sifat fluida dan tingkat kontaminasi itu sendiri. Sementara itu, surfaktan merupakan zat aktif pada permukaan suatu molekul yang mempunyai bagian hidrofobik dan hidrofilik. Hidrofobik merupakan bagian yang cenderung begabung dengan udara, sedangkan hidrofilik merupakan bagian yang bergambung dengan air. Surfaktan hanya ditemui di lapisan batas antar fulida. Jenis surfaktan yang telah dikenal umum adalah garam dan juga asam lemak. Hal terpenting dari surfaktan adalah pengaruhnya dalam mengubah tegangan permukaan, yang juga mengubah hidrodinamika dari permukaan. Selain itu, surfaktan juga dapat menambah umur dari gelembung di permukaan sehingga gelembung dapat bertahan lama di permukaan fluida sebelum pecah karena tekanan hidrodinamika. Pergerakan gelembung sangat dipengaruhi oleh kehadiran surfaktan. Pada fluida yang

19

Universitas Indonesia tidak terdapat surfaktan maka pergerakan gelembung berlangsung dengan cepat karena seluruh permukaan gelembung bersifat dinamis. Namun, situasi berbeda pada fluida yang mengandung surfaktan. Molekul surfaktan berdifusi ke dalam gelembung dimana terjadi pengakumulasian pada permukaan yang kemudian terdorong ke bagian downstream oleh aliran fluida [14].

Berdasarkan pengertian di atas maka dapat disimpukan:

1) Surfaktan cenderung untuk menghambat gerakan sirkulasi internal gelembung

2) Pengaruh surfaktan terhadap kecepatan terminal paling besar terjadi pada kondisi dimana terjadi transisi dari gerakan lurus (rektalinier) menjadi gerakan osilasi (spiral atau zigzag)

3) Surfaktan sangat mempengaruhi tegangan permukaan gelembung

Gambar 2.6 Gelembung pada cairan bebas surfaktan (kiri) dan gelembung pada cairan dengan

surfaktan (kanan) [14].

2.4 Pembentukan Gelembung Hidrogen dengan Elektrolisis

Hidrogen dapat dihasilkan dengan memisahkan hidrogen dan oksigen dari molekul air dengan cara metode elektrolisis. Dengan memanfaatkan energi listrik tersebut dapat digunakan untuk memisahkan hidrogen dari molekul air. Sejumlah arus listrik diberikan ke sel elektrolik untuk memisahkan hidrogen dari molekul air. Jadi, elektrolisis adalah peristiwa berlangsungnya reaksi

Universitas Indonesia kimia oleh arus listrik. Alat elektrolisis terdiri atas sel elektrolitik yang berisi elektrolit (larutan atau leburan), dan dua elektroda (anoda dan katoda). Pada anoda terjadi reasi oksidasi sedangkan pada katoda terjadi reaksi reduksi. Pada suatu percobaan elektrolisis, reaksi yang terjadi pada katoda bergantung pada kecenderungan terjadinya reaksi reduksi. Skema dari proses elektrolisis dijelaskan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.7 Skema Proses Elektrolisis [15].

2.5 Image Processing

Pengolahan gambar (image processing) adalah suatu metode untuk mengamati dan menganalisa sebuah gambar serta mendapatkan informasi dari gambar tersebut. Dalam sebuah gambar, tersimpan informasi dari keadaan aslinya walaupun gambar tidak menunjukkan secara langsung keadaan asli. Terdapat beberapa teknik dalam melakukan pengolaham gambar [16]:

1. Teknik ptikal, hal ini diaplikasikan pada kacamata

2. Teknik elektronik, yang juga terbagi dua menjadi analog (aplikasi pada televisi) dan digital (aplikasi pada komputer)

21

Universitas Indonesia Sementara itu teknik untuk menganalisa gambar terbagi kedalam dua kategori [17]:

1. Subjektif (kualitatif), adalah teknik pendekatan interaktif yang menggunakan metode trial and error. Keberhasilan teknik ini ditentukan oleh ketepatan penggunaan suatu model matematika.

2. Kuantitatif, adalah teknik pendekatan non-interaktif yang menggunakan model-model persamaan matematika. Keberhasilan teknik ini ditentukan oleh ketepatan penggunaan suatu model matematika.

Studi mengenai fluida atau gelembung khususnya banyak memanfaatkan teknik image processing untuk mendapatkan informasi dari studi tersebut. Karena semua hal yang terjadi atau yang muncul di dalam penelitian sangat penting, maka semua hal tersebut harus dapat ditangkap dan disimpan untuk kemudian diolah. Dengan image processing dapat dilakukan pengukuran area atau panjang, lintasan, maupun kecepatan. Walaupun pengolahan data dilakukan pada waktu yang akan datang, namun hal-hal yang terjadi dapat dilihat kembali dengan bantuan image processing.

2.6 Flotasi

Flotasi adalah sebuah proses pemisahan efisien yang digunakan dalam penyulingan petrokimia, produksi bubur kertas dan kertas, pemrosesan makanan, water treatment, pemurnian logam cair, dan sebagainya. Dalam banyak situasi, proses pemisahan ini dilakukan dengan menghasilkan sekawanan gelembung udara kecil secara mekanik menggunakan mixer atau sparger atau secara elektolitis, di dalam sebuah tangki atau kolom cairan yang mengandung partikel yang akan dikeluarkan. Gelembung menempel pada partikel-partikel hidrofobik dan membawa partikel-partikel tersebut ke permukaan cairan, dimana partikel-partikel tersebut dikeluarkan dengan menggunakan peralatan skimming. Terdapat dua klasifikasi flotasi berdasarkan ukuran gelembung. Dalam flotasi gelembung mikro, gelembung yang dipakai biasanya berdiameter 10-70 mm. Gelembung tersebut sering kali dihasilkan dengan dengan depresurisasi dari cairan udara terlarut (dissolved air liquid).

Universitas Indonesia Proses ini dinamakan dissolved air flotation (DAF). Dalam flotasi udara terdispersi, gelembung yang digunakan adalah 1 mm.

Kunci utama proses flotasi adalah pada penangkapan gelembung-partikel yang secara umum dikenal sebagai sebuah rangkaian dari tiga subproses (Jameson et al., 1977; Schulze, 1989; Ralston et al., 1999). Total efisiensi penangkapan biasanya dikenal sebagai produk dari tiga langkah suksesif, Ecap = Ecoll . Eatt . Estab, dimana Ecoll adalah efisiensi tumbukan, Eatt adalah efisiensi penempelan, Estab adalah efisiensi stabilitas dari agregat gelembung-partikel. Efisiensi penangkapan secara keseluruhan dapat ditentukan dengan dua tipe eskperimen: metode langsung dan metode tidak langsung.

Pengamatan langsung dilakukan dengan merekam lintasan partikel ketika partikel tersebut melewati gelembung captive (Schulze, 1977; Nguyen and Kmet, 1992; Nguyen and Evans, 2004). Titik pelepasan partikel secara bertahap bergeser ke sumbu axisimetrik aliran hidrodinamik melewati gelembung sehingga partikel mulai bertumbukan dengan gelembung dan menempel pada permukaannya. Jarak antara titik pelepasan terdekat dan sumbu aksisimetrik disebut radius kritis rc. Selanjutnya efisiensi penangkapan

dapat dihitung sebagai kuadrat dari rasio radius, Ecapt = ¼(rc/rb)2. Pengukuran

langsung membantu menentukan seluruh proses penangkapan, misalkan rebounding, (Whelan and Brown, 1955), sliding time (Schulze, 1977), atau bahkan pecahnya lapisan tipis cairan (Nguyen and Evans, 2004). Akan tetapi metode ini terbatasi oleh lemahnya aliran cairan untuk menghindari osilasi gelembung. Selain itu, karena gelembung dihasilkan di bagian bawah, pergerakan cairan dekat permukaan gelembung berubah. Kita dapat membayangkan bahwa adalah cukup sulit untuk menentukan jika lintasan partikel tetap dalam bidang simetrik dari gelembung, dan sebagai konsekwensinya rc tidak dapat dengan mudah diukur.

Metode tidak langsung memungkinkan kita menentukan efisiensi pengumpulan seluruh proses penangkapan. Dengan cara ini, parameter-parameter fisik-kimia dan hidrodinamik (seperti hidrofobisitas, distribusi alami dan ukuran dari partikel, gas dan kecepatan aliran cairan, dan sebagainya) dapat didefinisikan dan dikendalikan, untuk mengidentifikasi

23

Universitas Indonesia pengaruh masing-masing parameter yang berbeda. Inilah mengapa eksperimen gelembung single secara luas dipakai (Reay and Ratcliff, 1973; Dai et al., 1998; Hu et al., 2003; Sarrot et al., 2007 ). Gelembung udara diinjeksikan satu per satu ke dalam kolom flotasi dan gelembung tersebut naik melewati suspensi yang diam. Sehingga daerah aliran lokal sekitar gelembung tidak terganggu dan lebih dekat kepada situasi nyata dalam mesin-mesin flotasi dimana gelembung naik secara bebas dalam cairan. Efisiensi pengangkapan didefinisikan sebagai rasio jumlah partikel tertangkap dengan jumlah partikel yang pada awalnya dikondisikan dalam volume dimana gelembung sweep off. Dengan menggunakan partikel-partikel dengan hidrofobisitas tinggi, efisiensi penempelan mendekati satu. Selain itu, karena tidak ada agitasi cairan, pada partikel dengan hidrofobisitas tinggi dan pada konsentrasi elektrolit tinggi, dimana gaya hidrofobik secara kuat menarik dan gaya elektrostatik secar besar berkurang karena mekanisme kompresi lapisan ganda, stabilitas agregat gelembung-partikel dikendalikan hanya dengan termodinamika; efisiensi stabilitas mencapai nilai maksimum untuk partikel yang lebih kecil (Anfruns and Kitchener, 1977; Hewitt et al., 1994; Dai et al., 1998; Ralston et al., 2002).

Akan tetapi, di antara beberapa ekperimen gelembung single, gelembung udara dengan permukaan tidak bergerak biasanya dipertimbangkan, karena jejak zat-zat surfaktif (frother atau collector) selalu ada dan secara efektif menghentikan gerakan permukaan gelembung. Dai et al. (1998) telah menggunakan air Milli-Q (konduktifitas kurang dari 0,5 µS cm-1) untuk memastikan bahwa eksperimen terbebas dari impuriti, untuk membandingkan hasil eksperimen dengan model tumbukan untuk gelembung dengan permukaan bergerak. Namun, di dalam eksperimen, gelembung udara dihasilkan secara langsung dalam suspensi partikel, sehingga gelembung bisa jadi terkontaminasi pada tahap penggelembungan. Hal ini menuntun kita bahwa kecepatan naik yang terukur mungkin tidak sama dengan gelembung yang bersih. Pada kenyatannya, kontaminasi permukaan gelembung-cairan oleh surfaktan atau oleh partikel tertangkap itu sendiri memerankan peranan utama dalam efisiensi penangkapan berkaitan dengan imobilisasi permukaan

Universitas Indonesia yang merubah daerah aliran sekitar gelembung, dari gelembung yang bersih sampai gelembung yang terkontaminasi secara keseluruhan (bergerak seperti partikel solid). Penelitian pada gelembung dengan permukaan bergerak dijalankan dengan observasi yang kontaminasi permukaan pada permukaan gelembung naik adalah sebuah proses dinamis. Kontaminan permukaan tersapu ke bagian belakang permukaan gelembung oleh air yang berdekatan, dan, sebagai hasilnya, bagian depan permukaan gelembung tetap bergerak, sementara permukaan tidak bergerak terbentuk pada bagian belakang. Sarrot et al. (2005) dan Legendre et al. (2009) telah menginvestigasi efisensi tumbukan untuk permukaan seperti itu dengan menggunakan direct numerical simulation (DNS) pada daerah aliran sekitar gelembung. Di dalamnya menunjukkan bahwa terjadinya tumbukan diberika oleh flux partikel yang berdekatan dengan permukaan yang dikendalikan oleh kecepatan tangensial untuk permukaan bergerak dan oleh gradien kecepatan untuk permukaan tidak bergerak. Dalam penelitian ini, semua interaksi gelembung-partikel diinvestigasi dalam sel flotasi gelembung single menggunakan sensor gambar dengan kecepatan tinggi CMOS dengan usaha untuk mengukur ukuran gelembung dan kecepatan [13].

25 Universitas Indonesia BAB III

METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Alur Percobaan

Pada penelitian ini, jalannya eksperimen dapat dijabarkan melalui Gambar 3.1.

3.2 Spesifikasi Peralatan Percobaan

Mulai Studi Pustaka -Diameter -Profil Kecepatan -Terminal velocity Pengambilan gambar dengan kamera video Set up peralatan elektrolisis, kamera, surfaktan dan kolom

flotasi Eksperimen flotasi gelembung dengan elektrolisis Selesai Pengolahan data dan analisis hasil eksperimen Gelembung dihasilkan

Ya

Tidak

Universitas Indonesia 3.2.1 Kolom Flotasi

Pada penelitian ini digunakan kolom flotasi dari pipa akrilik dengan diameter dalam 8,4 cm, tebal 0,6 cm dan panjang 200 cm. Pipa akrilik ini diletakkan di dalam water jacket berbentuk segi empat dengan ukuran 26,3 x 26,3 x 200 cm. Water jacket digunakan untuk mencegah distorsi optik yang disebabkan oleh permukaan lengkung pipa. Diameter pipa cukup besar untuk mencegah efek dinding (wall effect) terhadap gelembung.

Sedangkan surfaktan yang digunakan adalah aluminium sulfat atau lebih dikenal dengan nama tawas dengan kadar 100 gram tiap satu liter air. 3.2.2 Mekanisme Video Kamera

Alat yang digunakan sebagai guideways kamera video ditunjukkan Gambar 3.2.

27

Universitas Indonesia Kamera video ditempatkan pada kotak kamera yang pada Gambar 3.2 terlihat di tengah. Kotak kamera diangkat menggunakan sistem puli-tali secara manual. Satuan yang tertera dalam gambar di atas adalah dalam millimeter.

3.2.3 Kamera

Kamera yang digunakan adalah NIKON D5000 dengan spesifikasi [18]:

o Sensor : format DX dengan crop factor 1,5 x, memakai sensor CMOS resolusi 12 MP Maka itu kinerja ISO plus Lo-1 dan Hi-1 o Engine : memakai Expeed engine 12 bit ADC plus active D-lighting

dan koreksi otomatis untuk lateral chromatic aberrations

o Shutter : memakai shutter unit yang teruji hingga 100.000 kali Hanya saja D90 mampu menjepret hingga 4,5 fps, sementara D5000 mampu menjepret 4 fps

o Modul AF : Multi CAM-1000 dengan 11 titik AF. Terdapat mode 3D AF tracking untuk objek foto yang selalu bergerak. Tersedia juga contrast detect AF bila memakai live view.

o D-movie : merekam video HD beresolusi 1280 x 720 piksel hingga maksimum 5 menit dengan frame rate 24 fps, AVI/M-JPEG, audio mono. D5000 ini tidak bisa auto fokus saat merekam video

o Layar Vari-angle LCD : LCD berukuran 2,7 inci yang bisa dilipat dan diputar.

3.2.4 Lensa

Lensa yang digukan adalah Nikorr 60mm spesifikasi [19 o Mount Type o Focal Length o Maximum o Minimum o Format: FX/35mm o Maximum o Maximum o Maximum o Lens Elements o Lens Groups o Compatible o Diaphragm o Distance Information o Autofocus o Minimum o Close Range o Focus Mode o Filter Size o Accepts Filter o Dimensions o Weight: (Approx Universitas Indonesia

Lensa yang digukan adalah Nikorr 60mm f/2.8D AF dengan spesifikasi [19]:

Type: Nikon F-Bayonet Length: 60mm

Maximum Aperture: f/2.8 Aperture: f/32 FX/35mm

Maximum Angle of View (DX-format): 26°30' Maximum Angle of View (FX-format): 39°40' Maximum Reproduction Ratio: 1,0x

Elements: 8 Groups: 7

Compatible Format(s:) FX, DX, FX in DX Crop Mode Diaphragm Blades: 7

Information: Yes Autofocus: Yes

Focus Distance: 0,22m Range Correction: Yes

Mode: Auto and Manual Size: 62mm

Filter Type: Screw-on

Dimensions: (Approx.) 70x74,5mm (Diameter x Length Approx.) 440g

Gambar 3.4 Lensa Nikorr 60mm f/28D AF

Universitas Indonesia

f/2.8D AF dengan

Mode, 35mm Film

29

Universitas Indonesia 3.2.5 Peralatan Elektrolisis

Kawat tembaga berdiameter 0,1 mm digunakan sebagai katoda untuk menghasilkan gelembung hidrogen. Sedangkan anoda yang digunakan adalah kawat yang sama dengan diameter 0,2 mm. Untuk menghasilkan tegangan digunakan DC Power Supply KPS3030DA dari ATTEN Instrument dengan spesifikasi [20]:

Tabel 3.1 Spesifikasi DC Power Supply KPS3030DA.

Input Voltage Range AC 230V ±10% 50Hz

Rated Output Voltage

KPS3030DA: 0-30V (Adjustable) KPS3050DA: 0-50 V

(Adjustable)

Rated Output Current

KPS3030DA: 0-30A (Adjustable) KPS3050DA: 0-50 A

(Adjustable)

Rated Output Power 900W

Charging Time 8h

Display Precision (Voltage) 0,1V ± 2 digit

Display Precision (Current) 0,1A ± 3 digit

Work Method Cooling Wind Cooling

Working Environment 0-40 ℃; Relative Humidity

<80%

Size (H x B x T) 390 x 250 x 200 mm

Weight (Kg) 6,5 kg

Universitas Indonesia 3.3 Tahap Eksperimen

3.3.1 Set up Peralatan

Peralatan pada penelitian ini meliputi kolom flotasi, sistem penghasil gelembung, dan sistem kamera.

1. Kolom Flotasi

Kolom flotasi seperti yang telah dijelaskan sebelumnya ditempatkan pada penyangga setinggi 50 cm agar mudah diamati. Surfaktan aluminium sulfat yang digunakan mula-mulanya berupa solid kemudian diblender bersamaan dengan air minum dari AQUA sebanyak satu liter. Massa aluminium sulfat yang diblender adalah 100 g tiap satu liter air. Kemudian larutan aluminium sulfat (tawas) dimasukkan ke dalam pipa akrilik sampai ketinggian sekitar 170 cm. Lalu water jacket diisi dengan tap water untuk mencegah distorsi optik setinggi kolom surfaktan. Untuk mengukur kecepatan gelembung pada ketinggian 12,5 cm, 25 cm, 50 cm, 75 cm, 100 cm, 125 cm, 150 cm dan 160 cm, kolom flotasi diberi tanda pada titik-titik tersebut.

2. Sistem Penghasil Gelembung

Sistem penghasil gelembung adalah dengan menggunakan elektrolisis air sehingga dihasilkan gelembung hidrogen. Kawat tembaga berdiameter 0,1 mm dimasukkan ke dalam baut yang telah dibor kemudian dilem. Baut dimasukkan dari bawah kolom. Jadi, katoda berada di bawah untuk menghasilkan gelembung hidrogen. Sedangkan anoda (kawat tembaga diameter 0,2 mm) dimasukkan dari atas kolom cairan. Sebelum dimasukkan, elektroda diamplas agar bagian insulasi hilang sehingga dapat mengalirkan arus.

3. Sistem Kamera dan Lighting

Kamera video ditempatkan pada guideways. Penyangga kamera video dapat diatur dengan mudah karena menggunakan slide untuk menaikkan dan menurunkan dudukan kamera video. Fokus lensa dilakukan secara manual, sedangkan exposure dan shutter speed diatur secara otomatis. Pencahayaan dilakukan dengan teknik back lighting dengan menggunakan diffusive screen.

31

Universitas Indonesia 3.3.2 Prosedur Pengambilan Data

Prosedur pengambilan data terbagi menjadi dua, yaitu prosedur pengambilan data distribusi diameter dan prosedur pengambilan data kecepatan.

1. Prosedur Pengambilan Data Distribusi Diameter

- Memasang kamera pada ketinggian yang diinginkan, yaitu 12,5 cm, 25 cm, 75 cm, 125 cm, dan 160 cm dan mengaktifkan kamera video pada kondisi siap merekam

- Menyalakan DC Power Supply sekitar satu detik kemudian mematikannya dengan cepat

- Mengambil gambar gelembung yang terbentuk paling awal, tengah dan akhir

- Menyimpan file pada komputer untuk diolah menggunakan software imageJ

2. Prosedur Pengambilan Data Kecepatan

- Memasang kamera pada ketinggian 12,5 cm dari katoda

- Menyalakan DC Power Supply sekitar satu detik kemudaian mematikannya dengan cepat

- Mengaktifkan kamera video pada kondisi siap merekam - Menekan tombol OK pada kamera untuk merekam gelembung - Melakukan tracing terhadap gelembung yang dihasilkan dan

menjaga agar gelembung tetap tertangkap oleh kamera sampai ketinggian sekitar 170 cm

- Menurunkan kamera

- Mematikan kamera dan menyimpan video rekaman untuk diolah dengan menggunakan software Frame Shot

Gelembung yang di-tracing adalah gelembung paling atas karena tidak terpengaruh oleh gelembung lain. Untuk mengetahui diameter dari gelembung, kertas difusif telah diberi garis vertikal dengan jarak 2 cm sepanjang kolom sebagai skala gambar untuk pengolahan di software imageJ. Untuk mengetahui posisi gelembung, telah dipasang penanda pada

Universitas Indonesia ketinggian 12,5 cm, 50 cm, 75 cm, 100 cm, 125 cm, 150 cm dan 160 cm pada kolom flotasi. Set up peralatan diperlihatkan oleh Gambar 3.6.

3.4 Pengolahan Data Menggunakan Software ImageJ

Langkah-langkah pengukuran dilakukan dengan menangkap gambar gelembung dengan kamera kemudian mengukurnya di dalam sofware imageJ. Berikut adalah langkah-langkahnya.

1. Mengukur Gelembung Menggunakan software ImageJ - Membuka Gambar

Untuk membuka file, pastikan terlebih dahulu software telah siap untuk digunakan. Urutannya adalah Toolbar
File
Open.

Anoda (tembaga, 0,2 mm) Kamera Video Nikon Sumber cahaya Katoda (tembaga, 0,1 mm) AC/DC Power Supply (KPS3030DA – adjustable voltage) ImageJ Software Diffusive screen Pipa akrilik (air + surfaktan) Water jacket (tap water)

33

Universitas Indonesia Gambar 3.7 Langkah Membuka Gambar dengan imageJ

- Membuat Skala Gambar

Mengubah Format Gambar Membuat skala gambar dengan ukuran sebenarnya dengan Toolbar
Analyze
Set Scale. Kemudian membuat garis pada gambar dimana panjangnya diketahui dan memasukkan nilainya ke dalam known distance.

Universitas Indonesia - Mengubah Format Gambar

Urutannya: Toolbar
Image
Type
8-Bit

Gambar 3.8 Langkah Menentukan Skala Gambar

35

Universitas Indonesia Gambar 3.10 Contoh Gambar dalam format 8-Bit

- Menghaluskan dan Menajamkan Gambar

Perintahnya adalah dengan mengklik Toolbar
Process
Smooth untuk menghaluskan dan Toolbar
Process
Sharpen.

Gambar 3.11 Langkah Menghaluskan Gambar dan

Universitas Indonesia Untuk mengukur luasan gelembung diawali dengan men-treshold gambar gelembung. Urutannya: Toolbar
Adjust
Threshold kemudian mengatur saturation yang sesuai. Setelah itu memilih area gelembung yang akan diukur luasannya dengan rectangular selection kemudian mengklik Toolbar
Analyze
Analyze Particles.. Mencentang “display result” dan hasilnya akan ditampilkan dalam tabel. Diameter diukur dengan menggunakan rumus luas lingkaran d = 2(A/π)0.5.

37

Universitas Indonesia Gambar 3.13 Contoh gambar yang telah di-thrasehold

Universitas Indonesia Gambar 3.15 Contoh Hasil Perhitungan Luasan

39 Universitas Indonesia BAB IV

PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS

4.1 Distribusi Gelembung Hasil Elektrolisis

Eksperimen yang dilakukan ini bertujuan untuk mengetahui distribusi dari gelembung hidrogen hasil elektrolisis. Tabel 4.1 menunjukkan data hasil olahan menggunakan software imageJ.

Tabel 4.1 Distribusi ukuran gelembung pada berbagai ketinggian

ketinggian Jumlah bubble

diukur drata-rata (mm) 12,5 cm 116 0,273405 25 cm 319 0,29613 75 cm 145 0,3661431 125 cm 146 0,379096 160 cm 11 0,3846

Perbandingan diameter overall gelembung terhadap posisi gelembung dari katoda disajikan dalam grafik pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1 Perbandingan diameter overall dan ketinggian

Semakin tinggi gelembung rata-rata diameternya semakin besar. Hal ini karena tekanan hidrostatik semakin kecil. Dari hasil pengolahan data dengan

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 50 100 150 200 d -o v e ra ll (m m ) Ketinggian (cm)

Universitas Indonesia tegangan 10 volt dapat dihasilkan gelembung yang termasuk small bubble, apalagi jika menggunakan tegangan lebih rendah daripada 10 volt.

4.2 Kecepatan Naik dan Diameter Gelembung

Berikut ini adalah data hasil olahan kecepatan gelembung naik pada kolom air surfaktan tawas. Gelembung dihasilkan dengan elektrolisis dan di-tracing menggunakan kamera video yang ditempatkan pada guideways. Tracing dimulai dari ketingian 12,5 cm. Video kamera memiliki frame rate sebesar 24 fps. Tegangan yang diberikan sebesar 3 Volt dan katoda adalah tembaga dengan diameter 0,1 mm. Pengambilan dilakukan beberapa kali dan diambil 5 data untuk dianalisis.

4.2.1 Tegangan 3 Volt

Data hasil olahan tegangan 3 volt disajikan pada Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Data Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 3 volt.

Video h (cm) t (detik) kecepatan (cm/detik) db (mm)

Video 1 12,5 0 0,514751 25 4,084 3,06072478 50 12,803 2,867301296 75 21,205 2,975482028 100 33,231 2,078829203 125 42,494 2,698909641 150 53,434 2,285191956 160 57,684 2,352941176 Video 2 12,5 0 0,51227 25 4,121 3,033244358 50 12,175 3,104047678 75 20,036 3,180256965 100 29,328 2,69048644 125 37,506 3,056982147 150 46,823 2,683267146 160 50,906 2,449179525 Video 3 12,5 0 0,500955 25 4,656 2,684707904 50 14,394 2,567262272 75 24,224 2,543234995 100 35,814 2,157031924 125 45,984 2,458210423 150 57,626 2,147397354