BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 PRINSIP METODE PENGAPUNGAN BATANG
Pada dasarnya prinsip Metode Pengapungan Batang pada pengukuran distribusi ukuran gelembung (DSD) sama dengan pada pengukuran distribusi ukuran partikel padatan (particle size), dimana prinsip ini sama dengan yang dipakai pada metode manometrik dan metode Oden Balance [9]. Pada pengukuran DSD, sampel yang digunakan cair-cair, sedang pada penentuan particle size sampel yang digunakan cair-padat. Secara grafik, kurva massa terhadap waktu pengendapan pada Metode Pengapungan Batangini analog dengan kurva pressure drop terhadap superficial velocity pada fluidisasi [10;11;12]. Gambar 2.1 adalah plot pressure drop ∆P terhadap superficial velocity u, yang menggambarkan perhitungan distribusi ukuran gelembung secara grafik pada fluidisasi.
Jika superficial velocity u adalah u3, maka :
………. (2.1)
,
dengan M0, A, dan D(x) adalah total massa gelembung, cross-sectional area dari unggun, dan persentasi massa kumulatif dari partikel x.
Gambar 2.2 mengillustrasikan skematik diagram dari pengapungan gelembung. Volume batang dalam suspensi adalah , dengan A adalah luas permukaan dari batang pemberat dan h adalah panjang batang yang dicelupkan pada suspensi. Densitas dari pelarut (cairan) dilambangkan dengan ρL, sedangkan densitas gelembung dilambangkan dengan ρP. Konsentrasi mula-mula gelembung dalam suspensi adalah Co (kg-padatan/m3-suspensi) [17;14].
Gambar 2.2 (a) menunjukkan bahwa massa batang mula-mula yang mengapung pada kondisi awal tergantung pada gelembung yang berada antara bagian atas batang
Y
dan bagian bawah batang dalam suspensi. Pada waktu pengapungan t = 0, densitas mula-mula dari suspensi (ρS0) adalah:
………...………. (2.2) Karena massa batang mula-mula yang mengapung WB0 tergantung pada gelembung pada suspensi dari permukaan sampai kedalaman h, WB0 dapat didefinisikan sebagai berikut :
……… (2.3) Pada kondisi mula-mula, massa batang dalam suspensi adalah
……… (2.4) dimana, ρB adalah densitas dari batang. Gambar 2.2(b) menunjukkan konsentrasi suspensi (C) semakin menurun dari waktu ke waktu, karena gelembung yang besar sudah mengapung. Densitas suspensi
ρ
St,
massa pengapungan batangW
Bt, dan massanyata dari batang GBt di dalam suspensi pada t = t diberikan sesuai dengan persamaan berikut.
Gambar 2.2(c), pada t = ~, konsentrasi suspensi adalah 0, karena semua gelembung, baik besar maupun kecil sudah mengapung. Densitas suspensi ρS∞, massa pengapungan batang WB∞, dan massa nyata dari batang GB∞ di dalam suspensi pada t = ~ diberikan sesuai dengan persamaan berikut.
Persamaan 2.11 menunjukkan neraca massa gelembung dalam suspensi [16].
…………...……....(2.11)
Dari persamaan (2.3), (2.6), (2.9) dan (2.11), diperoleh:
…….….. (2.12)
dimana v(x) adalah kecepatan pengendapan, f(x) adalah frekuensi massa gelembung berukuran x. Diferensial persamaan 2.12 terhadap waktu t, maka akan diperoleh :
……….………. (2.13)
Dari persamaan 2.12 dan 2.13, WBt= WRt+
dWBt
dt t ... (2.14)
dimanaWRtadalah massa gelembung yang lebih besar dari gelembung berukuran x, W0- W0-W∞ f x dx
xmax
xi
Kombinasi persamaan 2.7 dan 2.14 akan menghasilkan :
t
sesuai dengan penurunan massa pengapungan batang. Nilai GRt dihitung dari slope persamaan 2.15. Hubungan kumulatif massa oversize, R(x) dan kumulatif massa ovesize, D(x) adalah,
Ukuran gelembung x diekspresikan dengan menggunakan persamaan Stokes dan juga persamaan Allen:
Persamaan Stokes :
…...………..………... (2.17) Dimana g adalah percepatan gravitasi dan µL adalah viskositas larutan. Persamaan stokes berlaku hanya untuk jenis aliran laminar dengan Bilangan Reynold, Rep < 0,2 [30].
Persamaan Allen :
x= 1
φ v x 225
4 µLρL ρL-ρP 2g2
1 3
... (2.18) dimana φ adalah Wadell’s shape factor, g adalah percepatan gravitasi, µL adalah viskositas larutan, ρL adalah densitas pelarut (aquadest) dan ρp adalah densitas gelembung. Nilai dari densitas gelembung diasumsikan sama dengan densitas kerosin, karena kerosin merupakan fase terdispersi yang akan membentuk gelembung. Bentuk dari gelembung kerosin diasumsikan memiliki bentuk spherical, sehingga nilai Wadell’s shape factor untuk gelembung kerosin adalah 1 [18]. Pada persamaan Allen hanya berlaku untuk jenis aliran transisi dengan bilangan Reynold 0,2 < Rep < 500 [31].
Bilangan Reynold dari gelembung dihitung menggunakan persamaan berikut :
=
... (2.19)dimana v merupakan kecepatan pengapungan yang dihitung dengan persamaan 2.20,
ρp densitas gelembung kerosin, µp adalah viskositas gelembung kerosin dan d adalah ukuran gelembung.
Kecepatan pengapungan v(x) gelembung dihitung sesuai dengan persamaan berikut,
v x
=
ht ... (2.20)
dimana h adalah panjang batang yang terapung di dalam cairan dan t adalah waktu pengendapan.
) (
) ( 18
L P
L ρ ρµ − =
g
Ukuran gelembung x yang dihasilkan pada persamaan 2.17 merupakan diameter Stokes dan ukuran gelembung x yang dihasilkan pada persamaan 2.18 merupakan diameter Allen. Hal ini membuktikan bahwa teori pada Metode Pengapungan Batang ini mirip dengan metode sedimentation balance [9].
Gambar 2.3 mengillustrasikan metode perhitungan distribusi ukuran gelembung yang mengapung dengan menggunakan Metode Pengapungan Batang. Gambar kanan bawah menunjukkan perubahan massa batang sebagai fungsi waktu, sementara gambar kanan atas menunjukkan hubungan waktu dengan kebalikan ukuran gelembung. Dari persamaan 2.17 dan 2.18, waktu sebanding dengan kuadrat kebalikan dari ukuran gelembung. Jadi dalam metode ini, ukuran gelembung dapat dihitung pada setiap waktu t, sementara GRt secara simultan dapat dihitung dari slope, sesuai dengan persamaan 2.15. Kumulatif massa oversize, R(x) dapat dihitung dengan persamaan 2.16. Pada gambar kiri atas, distribusi ukuran gelembung diperoleh dari perhitungan ukuran gelembung x dan R(x) [10;12;14].
Persamaan 2.2 -2.18 di atas dipakai dalam penentuan ukuran gelembung pada pemisahan cair-cair (minyak dan air) serta menentukan waktu yang menyatakan telah terpisahnya kedua cairan secara sempurna yang ditandai ketika massa batang dalam suspensi sudah konstan.
3.2 PENELITAN YANG PERNAH DILAKUKAN
Penelitian dengan menggunakan Metode Pengapungan Batang telah dilakukan untuk partikel-partikel mengapung dan partikel mengendap. Penelitian-penelitian yang pernah dilakukan menggunakan Metode Pengapungan Batang adalah sebagai berikut.
Obata, dkk pertama sekali menemukan metode ini dengan mengukur distribusi ukuran partikel yang mengendap dalam Stokes region. Sampel yang mereka teliti adalah silica sand, calcium carbonate dan barium-titanate glass yang diukur dengan menggunakan fase cair air [17].
Motoi, dkk kemudian mengaplikasikan metode ini untuk menentukan distribusi ukuran partikel yang mengapung. Sampel yang mereka teliti adalah Glass bubbles, paraffin particle dan Fuji nylon beads. Fase cair yang dipakai adalah air [14].
Ohira, dkk meneliti tentang pengaruh konsentrasi partikel dalam menentukan distribusi ukuran partikel. Sampel yang mereka teliti adalah butiran tanah dari daerah Kanto (Jepang). Fase cair yang digunakan adalah sodium pyrophosphate [19].
triolein dan tributirin. Pengukuran DSD dengan menggunakan metode
laser diffraction [2].
Pada penelitian sebelumnya, metode pengapungan batang ini sudah pernah diaplikasikan untuk mengkaji pemisahan dua jenis cairan dan penentuan DSD, namun masih perlu pengembangan ataupun penelitian lebih lanjut karena masih minimnya hasil yang diperoleh. Metode BWM ini diharapkan mampu mengukur DSD minyak dalam air serta waktu pemisahan yang terbaik dari kedua cairan tersebut.
2.3 METODE-METODE PENGUKURAN DISTRIBUSI UKURAN
GELEMBUNG (DSD)
2.3.1 Microscopy
Dalam teknik ini, DSD ditentukan dengan mengamati sampel dengan
menggunakan mikroskop dan mengukur gelembung secara visual. Untuk
penentuan secara visual sering dilakukan dengan cara memperbesar foto yang
didapat. Teknik ini memiliki keuntungan untuk dapat membedakan antara
gelembung dari minyak ataupun yang bukan minyak. Mikroskop juga
membantu dalam melihat bentuk yang berbeda pada sampel [20].
Gambar 2.4 Pengukuran DSD dengan Mikroskop
2.3.2 Coulter Counter
Coulter counter terdiri dari dua elektroda yang direndam dalam beaker
yang berisi air yang mengandung ion terlarut untuk memudahkan dalam
menghantarkan arus listrik. Elektroda negatif terletak di dalam glass tube
yang tertutup kecuali pada lubang kecil atau lubang pada sisi tube. Elektroda
elektroda positif ke elektroda negative melalui lubang pada tube. Pulse yang
dihasilkan dari partikel yang melalui lubang tersebut diukur dan dihitung
secara otomatis/elektronik yang menghasilkan distribusi ukuran partikel [20].
2.5 Metode Coulter Counter
2.3.3 Laser Diffraction
Metode ini awalnya digunakan hanya untuk mengukur distribusi ukuran
partikel namun, pemanfaatan metode ini untuk pengukuran DSD telah
diwujudkan bertahun-tahun yang lalu. Metode ini kemudian menjadi metode
yang paling umum digunakan untuk mengukur DSD dari emulsi karena dapat
mengukur DSD dari ukuran 0,1 µm sampai 1000 µm. Prinsip dari metode ini,
yaitu sinar monokromatik ditembakkan melalui suatu emulsi dan pola difraksi
yang dihasilkan diukur menggunakan serangkaian detektor yang peka
terhadap cahaya. Untuk mengakuratkan metode ini dalam pengukuran DSD
ada dua hal yang sangat penting, yaitu (1) desain sistem optik yang digunakan
untuk mengukur pola difraksi yang dihasilkan dari transmisi sinar laser
melalui cuvette dan (2) kecanggihan model matematika yang digunakan untuk
mengkonversi pola difraksi yang diukur dalam DSD.
Jumlah, posisi dan kualitas detektor pada alat ini yang digunakan untuk
mengukur ketergantungan sudut sinar laser menentukan keakurasian pola
difraksi yang dapat diukur. Semakin besar jumlah detektor, semakin luas area
dari sudut yang terukur dan semakin besar sensivitas detektor maka semakin
Gambar 2.6 Penggunaan Metode Light Scattering untuk Mengukur DSD
2.3.4 Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
NMR merupakan teknik instrumental yang memanfaatkan interaksi
antara gelombang radio dan dan inti atom hidrogen untuk memperoleh sifat
dari bahan yang diuji. Teknik NMR sudah dikembangkan untuk mengukur
distribusi ukuran gelembung dari emulsi dengan ukuran 0,2 dan 100 mikron.
Pada dasarnya, sampel yang akan dianalisa ditempatkan dalam static
magnetic field gradient dan radio frequency pulses untuk pengaplikasiannya.
Pulse akan menyebabkan inti hidrogen pada sampel bergerak hingga
mengalami peningkatan energi yang akan menuju ke pendeteksi sinyal NMR.
Amplitudo pada sinyal bergantung pada perpindahan inti pada sampel [20].
Pulsed Field gradient (PFG) NMR memiliki keunggulan dibanding
metode lainnya yaitu dapat mengukur pada emulsi yang berkonsentrasi dan
emulsi yang tidak jernih [27].
2.4 EMULSI CAIR-CAIR
Sifat dari emulsi dan penggunaannya pada industri tidak hanya disebabkan oleh variabel seperti suhu ataupun komposisi, tetapi DSD [23]. Pada tangki berpengaduk laju perpindahan massa antara sistem fasa cair-cair tidak hanya bergantung pada dinamika gerak dari dua cairan yang bercampur, tetapi lebih kepada DSD dari gelembung. DSD dapat terbentuk dari pemecahan gelembung ataupun penggabungan gelembung. Pemecahan gelembung terjadi pada aliran turbulent. Penggabungan gelembung tergantung pada frekuensi tumbukan dan effisiensi penggabungan antar gelembung. Semakin besar fraksi fasa terdispersi, maka akan semakin besar tumbukan terjadi [24].
Oil droplet size distribution merupakan salah satu parameter yang mempengaruhi pemilihan pengolahan air. Minyak dalam air dikenal sebagai “reverse emulsion”. Apabila emulsi bersifat tidak stabil, maka gelembung minyak akan bergabung ketika antar gelembungnya berdekatan dan membentuk gelembung yang lebih besar, sehingga memecah emulsi. Emulsi yang stabil adalah suspensi dari dua cairan bercampur dengan adanya stabilizer dan agen pengemulsi untuk mempertahankan fasa antar permukaan [25].
Sifat dari emulsi bergantung dari fasa terdispersi dan volume dari fasa kontinu dan fasa terdispersi. Karakteristik dari fasa kontinu berhubungan dengan viskositas dan adanya emulsifier pada permukaan jenis minyak dalam air. Meningkatkan viskositas fasa kontinu maka akan meningkatkan kestabilan dari emulsi. Semakin besar ukuran gelembung dan semakin sedikit volume fasa kontinu, akan membuat emulsi kurang stabil. Jenis dan jumlah emulsifier mempengaruhi ukuran dan distribusi gelembung minyak [26].
Ukuran gelembung yang kecil yang dihasilkan oleh homogenisasi dapat meningkatkan fasa terdispersi. Sebagai akibatnya viskositas semakin meningkat dan penyerapan emulsifier dapat meningkat. Ketidakcukupan emulsifier dalam menyelubungi permukaan gelembung akan menyebabkan coalescence. Pengemulsian juga membutuhkan waktu homogenisasi yang tepat. Intensitas dan lama proses pencampuran tergantung waktu yang diperlukan untuk melarutkan dan mendistribusikannya secara merata [20].
