APLIKASI REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA UNTUK MENURUNKAN KADAR LIMBAH CAIR INDUSTRI MINUMAN RINGAN

(1)

APLIKASI REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA UNTUK

MENURUNKAN KADAR LIMBAH CAIR INDUSTRI MINUMAN

RINGAN

Agung Warsito1, Abdul Syakur1, Fajar Arifin1, Tutuk D. Kusworo2, Syafrudin3 1

Jurusan Teknik Elektro, 2Jurusan Teknik Kimia, 3Jurusan Teknik Lingkungan Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro

Jl. Prof. Soedarto SH Tembalang Semarang

email : [email protected], [email protected], [email protected]

ABSTRAK

Pencemaran lingkungan akibat polusi di tanah, air dan udara semakin bertambah kompleks. Dan tidak sedikit akibat dari polusi ini sudah mulai dirasakan. Selama ini teknologi pengolahan polusi kurang mendapatkan perhatian serius di Indonesia. Dengan semakin berkembangnya perindustrian di Indonesia, sudah selayaknya pemilihan serta penggunaan teknologi yang tepat dalam mengatasi masalah polusi segera diterapkan. Pemanfaatan teknologi yang tepat guna untuk mengatasi masalah pencemaran di lingkungan dirasakan kurang dalam pengimplementasiaan terutama untuk mengatasi pencemaran limbah cair. Selama ini teknologi yang digunakan adalah dengan proses kimia dan membran.

Untuk mengatasi polusi ada tiga hal yang menjadi perhatian utama, yaitu kebijakan serta manajemen lingkungan, kesadaran lingkungan dari segenap unsur masyarakat, dan yang terakhir adalah pemanfaatan teknologi yang tepat dalam mengatasi berbagai macam polusi. Untuk menanggulangi masalah pencemaran air atau polusi air dapat dilakukan salah satu caranya dengan memanfaatkan teknologi plasma. Pada penelitian ini akan dilakukan aplikasi teknologi plasma untuk menyisihkan warna dan COD (Chemical Oxygen Demand)pada limbah cair industri minuman ringan. Pembentukan plasma dilakukan dengan reaktor plasma lucutan korona (Corona Discharge) tegangan tinggi impuls dan menggunakan oksigen murni (O2) sebagai bahan yang

terionisasi untuk memproduksi gas ozon. Reaktor plasma lucutan korona ini dapat dibangun dengan konfigurasi geometri elektroda jarum-bidang yang dikenakan pada sumber tegangan tinggi impuls, serta memberikan celah gas untuk aliran gas oksigen dan air limbah cair.

Hasil pengujian menunjukkan pengolahan limbah cair industri minuman ringan menggunakan teknologi plasma lucutan korona sangat efektif. Perubahan tegangan dan jumlah sirkulasi mempengaruhi prosentase penurunan kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan. Prosentase penurunan terbesar kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan diperoleh pada tegangan 18 kilo Volt setelah sirkulasi keenam. Nilainya secara berturut – turut adalah 98,72 % dan 99,05 %.

Kata kunci : plasma, lucutan korona, Ozon, limbah cair industri minuman ringan

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknologi pengolahan polusi kurang mendapatkan perhatian serius di Indonesia. Dengan semakin berkembangnya perindustrian di Indonesia, sudah selayaknya pemilihan serta penggunaan teknologi yang tepat dalam mengatasi masalah polusi segera diterapkan.

Dalam proses produksi sebuah industri pada umumnya digunakan berbagai bahan material dari berbagai jenis dan bentuk. Pencemaran air di bidang industri, pertanian, perkotaan dan rumah tangga selain mengandung logam berat (Cd, Cu, Hg, Zn, dll), juga mengandung berbagai macam senyawa organik, seperti dioksin, phenol, benzene, PCB, dan

DDT.

Telah banyak usaha yang dilakukan untuk mengurangi pencemaran air, diantaranya pada sistem pengolahan limbah cair industri yang ada sekarang pada umumnya mempergunakan cara

kombinasi antara pemakaian klor serta sistem kondensasi, sedimentasi dan filtrasi.

Sedangkan untuk pengolahan limbah organik yang dapat membahayakan keselamatan makhluk hidup, meskipun dalam kandungan konsentrasi yang sangat kecil (ppm/ppb) seperti, senyawa dioksin, furan, dan atrazin banyak mempergunakan teknik mikrobiologi, karbon aktif atau membran filtrasi. Sistem pengolahan limbah cair yang ada sekarang ini tidaklah cukup digunakan untuk mengurangi pencemaran air di lingkungan. Apabila hal ini dibiarkan, tanpa disadari, air minum yang dipergunakan akan banyak mengandung senyawa organik, yang selain dapat membahayakan kesehatan manusia juga dapat merusak ekosistem makhluk hidup lainnya.

Untuk menanggulangi masalah pencemaran air atau polusi air dapat dilakukan salah satu caranya dengan memanfaatkan teknologi plasma. Pada penelitian ini akan dilakukan aplikasi teknologi

(2)

plasma untuk menyisihkan warna dan COD

(Chemical Oxygen Demand) pada limbah cair

industri minuman ringan. Pembentukan plasma dilakukan dengan reaktor plasma lucutan korona (Corona Discharge) tegangan tinggi impuls dan menggunakan oksigen murni (O2) sebagai bahan

yang terionisasi untuk memproduksi gas ozon. Reaktor plasma lucutan korona ini dapat dibangun dengan konfigurasi geometri elektroda jarum-bidang yang dikenakan pada sumber tegangan tinggi impuls, serta memberikan celah gas untuk aliran gas oksigen dan air limbah cair.

II. DASAR TEORI

2.1 Plasma

Konsep tentang plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmunir dan Tonks pada tahun 1928. Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik. Plasma dapat juga didefinisikan sebagai percampuran antara elektron, radikal, ion positif dan ion negatif. Percampuran antara ion-ion yang bermuatan positif dengan elektron yang bermuatan negatif memiliki sifat-sifat yang sangat berbeda dengan gas pada umumnya dan materi pada fase ini disebut fase plasma. Maka secara sederhana, plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi keempat setelah fase padat, cair, dan gas.

Gambar 2.1. Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat, Cair dan Gas

Pelucutan korona ditandai dengan fenomena-fenomena kelistrikan secara bersama yang terjadi dalam medium gas di bawah pengaruh medan listrik yang tidak homogen akibat dari konfigurasi geometri elektroda. Dan kuat medan listrik tersebut cukup tinggi sehingga mampu mengionisasi partikel-partikel gas.

Lucutan korona bisa terjadi dalam medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya keadaan arc (arc discharge) pada gas. Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif. Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) dan berakhir dengan lucutan arc.

Gambar 2.2. Ilustrasi dari (a) Plasma lucutan korona (b) Lucutan arc

Pembentukan lucutan korona dipengaruhi oleh kondisi lingkungan seperti tekanan udara, temperatur, dan kelembaban. Pelucutan korona biasanya dilakukan pada tekanan atmosfer. Sedangkan efek yang ditimbulkan oleh korona seperti cahaya tampak, suara bising, arus listrik, interferensi gelombang radio, dan reaksi kimia, dapat diobservasi.

(a)

(b)

Gambar 2.3. Ilustrasi daerah antara dua elektroda pada lucutan korona titik bidang: (a) polaritas negatif pada elektroda titik (b) polaritas positif pada

elektroda titik

Suatu korona akan bersifat positif atau negatif bergantung kepada pemberian polaritas tegangan elektroda aktif. Korona positif terjadi ketika elektroda aktif (elektroda dimana proses ionisasi terjadi) dihubungkan dengan terminal positif sumber tegangan. Sedangkan korona negatif terjadi ketika elektroda aktif dihubungkan dengan terminal negatif sumber tegangan.

Pada gambar 2.3 ditunjukkkan daerah dalam lucutan pijar korona antara dua elektroda dengan konfigurasi geometri hyperboloid-bidang yang merupakan pendekatan terhadap geometri titik-bidang.

Penerapan lucutan korona di bidang komersial dan industri adalah :

a. Pembuatan ozon, sterilisasi air kolam, menghilangkan berbagai organik teruap yang

Titik (point) (-) Daerah aliran muatan Daerah ionisasi Garis alir ion dan medan Bidang (plane) (+) Tegangan, V Jarak, d Titik (point) (+) Daerah aliran muatan Daerah ionisasi Garis alir ion dan medan

Bidang (plane) (-)

Tegangan, V Jarak, d

(3)

tak diinginkan, seperti pestisida kimia, pelarut atau bahan kimia dari atmosfer.

b. Pengion udara yang baik buat kesehatan. c. Fotografi Kirlian menggunakan foton yang

dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik.

d. Laser nitrogen.

e. Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion.

f. Korona bisa digunakan untuk menghasilkan permukaan bermutan, yang merupakan sebuah efek yang digunakan dalam pengopian elektrostatik (membuat fotokopi).

g. Korona juga dapat digunakan untuk menghilangkan materi kepartikelan dari aliran udara dengan terlebih dahulu mengisi udara dengan muatan listrik, lalu melewatkan aliran udara bermuatan melalui sisir polaritas bolak-balik, untuk mengendapkan partikel-partikel bermuatan ke lempengan dengan muatan yang berlawanan.

2.2 Plasma Pengolah Limbah Cair 2.2.1 Plasma Untuk Pengolahan Air

A wa l n ya a p l i k a si p l a sm a l e b i h ba n ya k d i l a k u k a n u n t u k p en g en d a l i a n polusi udara. Diantaran ya adalah, r eduksi gas asam (SOx, NOx, d1l), kompon en

or ganik toksik yan g mudah menguap (VOCs), serta mikr oor ganisme ber bahaya .

Pemanfaatan non-thermal plasma dalam air untuk mengatasi pen cemaran air , p er tama ka li di p er k en a lk an ol eh Cl em en t s et .al (1 98 7 ). Dalam l ap or an n ya diper kenalkan pembuatan ozon untuk pen golahan air den gan men gkombinasikan

pulsed streamer corona discharge dengan penambahan gas oksigen di dalam air. Ozon yan g dihasilkan dapat mengh ilangkan zat warna yan g ter kandung dalam air . Keu n t u n g a n ya n g d a p a t d i p er ol eh d a r i p en g g u n aa n t ek n ol o g i p l a sm a dalam air ini adalah :

1. Dapat beroperasi pada tekanan dan temperatur ambien.

2. Mampu men golah dengan lebih efektif dan ekon omis hin gga kon sentrasi sangat rendah.

3. Spesies r eaktif dapat dihasilkan secara langsung di tempat tersebut, sehingga menghilangkan kebutuhan akan katalis kimia dari luar.

4. Operasional sederhana dan pemeliharaannya mudah.

5. Ukuran reaktor dapat bervariasi.

Dar i k eun t un gan t er sebut, pla sm a d ik ata kan seba gai g en er asi t ekn ol og i ma sa depan untuk pengolahan air limbah, karena sifatnya yang ramah lingkungan dan lebih efektif dibanding oksidan dan disinfektan konvensional.

2.2.2 Reaktor Plasma Pengolah Limbah Reaktor plasma pengolah limbah merupakan suatu alat yang dapat digunakan untuk mengolah limbah cair yaitu dengan menurunkan kadar warna dan COD dari limbah cair tersebut. Untuk menghasilkan plasma digunakan tegangan tinggi impuls yang dikenakan pada elektroda jarum – bidang.

Diagram bloknya dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut : GAS OKSIGEN O2 LIMBAH SEBELUM PROSES PEMBANGKIT TEGANGAN TINGGI PULSA REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA HV LIMBAH SETELAH PROSES O3 SIRKULASI

Gambar 2.4. Reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair

Dari gambar 2.4 dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan plasma dibutuhkan pembangkit tegangan tinggi impuls. Tegangan tinggi impuls tersebut dikenakan pada elektroda jarum-bidang. Jarum terbuat dari kawat tembaga yang dipasang sebagai elektroda positif dan bidang dari lempengan berlapis tembaga sebagai elektroda negatif.

Gas oksigen yang dipergunakan untuk menghasilkan ozon yang juga digunakan untuk mempercepat pengolahan limbah cair. Gas oksigen yang digunakan adalah oksigen murni yang memiliki kandungan 100% oksigen, dengan gas tersebut akan dihasilkan ozon yang lebih banyak. Untuk mengalirkan gas oksigen ke dalam reaktor digunakan flowmeter yang dapat diatur debitnya.

2.3 Ozon (O3)

Ozon adalah molekul triatomik. Secara alamiah ozon terdapat di dalam lapisan stratosfer dan sebagian kecil dalam troposfer. Ozon terletak di stratosfer yaitu pada ketinggian antara 15 sampai 30 km dari permukaan air laut yang biasa dikenal dengan lapisan ozon. Ozon dihasilkan dari reaksi kimia. Ozon merupakan bahan beracun apabila dihirup dalam volume yang banyak. Ozon mempunyai bau menyengat. Ozon juga terbentuk pada kadar rendah dalam udara akibat arus eletrik seperti kilat, dan oleh tenaga tinggi seperti radiasi eletromagnetik. Ozon pada muka bumi terbentuk oleh cahaya lampu ungu yang menguraikan molekul O2 membentuk ion-ion oksigen (O*). Unsur oksigen

ini bergabung dengan molekul yang tidak terurai dan membentuk ozon (O3).

Ozon dapat terbentuk melalui dua proses yang berbeda, yaitu melalui proses tumbukan dan melalui proses penyerapan cahaya.

(4)

a. Pembentukan Ozon Melalui Proses Tumbukan

Ozon dapat dibuat dengan melewatkan gas oksigen (O2) pada daerah yang dikenai tegangan

tinggi. Molekul oksigen (O2) yang dikenai tegangan

tinggi ini akan mengalami ionisasi yaitu proses terlepasnya suatu atom atau molekul dari ikatannya menjadi ion-ion oksigen (O*). Jenis-jenis dari ion oksigen (O*) adalah O+, O2+, O-, O2- dan O3-.

Kombinasi dari kesemuanya dapat menghasilkan ozon.

Pembentukan ozon dalam proses ini diawali dengan pembentukan oksigen radikal bebas dengan reaksi sebagai berikut :

a. Disosiasi e + O2  2 O + e (2.1) b. Pengikatan Disosiatif e- + O2  O + O- (2.2) c. Ionisasi Disosiatif e + O2  O + O + 2e (2.3)

Kemudian radikal oksigen akan bereaksi dengan oksigen menghasilkan ozon.

O + O2 + M  O3 + M (2.4)

Dimana M adalah N2 atau O2 .

Dibawah ini merupakan gambar dari perubahan bentuk susunan atom oksigen menjadi molekul ozon (O3) :

Gambar 2.5. Pembentukan gas ozon melalui proses tumbukan yang terjadi di antara molekul dengan

elektron.

b. Pembentukan Ozon Melalui Proses Penyerapan Cahaya

Baik gas oksigen (O2) maupun ozon (O3)

dapat menyerap radiasi sinar ultraviolet. Gas oksigen dapat menyerap radiasi sinar ultraviolet dengan panjang gelombang kurang dari 240 nanometer, sedangkan ozon dapat menyerap radiasi sinar ultraviolet dengan panjang gelombang antara 240 nanometer sampai 290 nanometer. Apabila gas oksigen menyerap radiasi sinar ultraviolet dengan panjang gelombang kurang dari 240 nanometer, maka gas oksigen tersebut akan terurai menjadi dua atom oksigen.

Tabel 2.1 Struktur alotropik ozon

No Keterangan

1 Nama Sistematik Trioxygen

2 Formula Molekul O3

3 Penampakan gas berwarna kebiru-biruan

4 Kepadatan 2.144 g·L−1 (0 °C),

5 Bentuk zat gas

6 Daya larut dalam air 0.105 g·100mL−1 (0 °C)

7 Titik beku 80.7 K, −192.5 °C

8 Titik didih 161.3 K, −111.9 °C

9

Standar entalpi

(ΔfH°)solid +142.3 kJ·mol−1

10 Standar entropi (S°)solid 237.7 J·K−1.mol−1

c. Kegunaan Ozon

Pemanfaatan ozon untuk pengolahan limbah menghasilkan senyawa yang diterima oleh lingkungan. Penggunaan ozon sebagai desinfektan lebih efektif daripada penggunaan klor karena ketidakaktifan resistan bakteri dan virus. Selain dari pada itu, ozon masih mempunyai kegunaan yang sangat banyak terutama dalam bidang perindustrian. Dalam bidang perindustrian, ozon dapat digunakan untuk :

- Membasmi kuman sebelum dikemas (antiseptik),

- Menghilangkan pencemaran dalam air (sterilisasi).

- Membantu kepada proses flocculation (proses pengabungan molekul dan membantu penapis menghilangkan besi dan arsenik).

- Mencuci, dan memutihkan kain. - Membantu pewarnaan plastik. - Sebagai bahan pengawet makanan.

2.4 Industri Minuman Ringan

Industri minuman ringan adalah industri yang menghasilkan minuman yang tidak mengandung alkohol, merupakan minuman olahan dalam bentuk bubuk atau cair yang mengandung bahan makanan dan / atau bahan tambahan lainnya baik alami maupun sintetik yang dikemas dalam kemasan siap untuk dikonsumsi. Minuman ringan terdiri dari dua jenis, yaitu: minuman ringan dengan karbonasi (carbonated soft drink) dan minuman ringan tanpa karbonasi.

Proses Pembuatan minuman ringan dapat dilihat pada gambar berikut:

(5)

AIR GULA PEMBERIAN RASA, KONSENTRAT, TEH, KOPI PENGOLAHAN AIR PENCAMPURAN Air Cucian FILTRASI STERILISASI SIRUP

Sirup dari luar (beli) UNIT PENCAMPUR Filtrat (gula, kotoran) Air Cucian (BOD, TSS) Air Cucian (BOD) CO2 (Untuk minuman berkarbonasi) PENCUCIAN BOTOL Botol Kostik Panas Limbah (alkalin, TSS) PENGALENGAN PENGISIAN BOTOL Kaleng PENGISIAN PADA TEMPAT LAIN PRODUK DALAM BOTOL PRODUK DALAM KALENG PRODUK LAIN

Gambar 2.6. Proses produksi minuman ringan

Secara garis besar, proses produksi Industri minuman ringan dapat dibagi menjadi beberapa tahapan, yaitu:

a. Pengolahan Air

Air merupakan salah satu bahan baku utama yang digunakan dalam proses produksi. Sebelum air tersebut dipakai, terlebih dahulu dilakukan pengolahan yang menghasilkan raw water,

treated water, softened water, dan softened treated water.

b. Pembuatan Sirup

Bahan dasar pembuatan syrup adalah air, concentrate dan gula murni. Pembuatan syrup melalui dua proses yaitu pembuatan simple syrup dan pembuatan finishing syrup.

c. Pencucian Botol

Semua botol yang akan digunakan untuk proses produksi dan krat harus dalam keadaan bersih dan saniter terutama untuk botol dan krat yang berasal dari konsumen, sehingga perlu dilakukan pencucian botol sebelum botol tersebut diisi kembali.

d. Proses Karbonasi dan Pengisian.

Karbonasi merupakan proses penambahan CO2

ke dalam beverage sedangkan Proses pengisian adalah proses penuangan beverage ke dalam botol.

Limbah cair merupakan limbah yang paling banyak dihasilkan dalam industri dan paling berpotensi menimbulkan pencemaran lingkungan. Dari proses-proses yang terjadi pada industri, air limbahnya banyak mengandung substansi yang berpengaruh besar pada kadar BOD, COD, TSS dan kandungan minyak dan lemak. Setiap proses dalam industri menghasilkan tingkat pencemaran yang berbeda. Tingkat pencemaran yang ditimbulkan bergantung kepada macam bahan yang dikerjakan dan proses pengerjaannya.

Baku mutu limbah cair di Indonesia diatur oleh Kep. Men. Lingkungan Hidup No.51/MENLH/10/1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair bagi Kegiatan Industri. Di daerah Jawa Tengah, hal tersebut diatur oleh Peraturan Daerah Provinsi Jawa Tengah No 10 Tahun 2004 tentang Baku Mutu Air Limbah.

Tabel 2.2. Baku mutu limbah cair kegiatan industri berdasarkan KepMen LH No.51 Tahun 1995

Parameter Kadar maksimum (mg/l) Beban pencemaran maksimum (kg/ton) BOD5 85 12,75 COD 250 37,5 TSS 60 9,0 Fenol Total 1,0 0,15 Krom Total (Cr) 2,0 0,75

Minyak dan Lemak 5,0 0,75

PH 6 – 9

Debit limbah maksimum

150 m³/ton produk tekstil

2.5 Pembangkit Tegangan Tinggi

Pembangkitan tegangan tinggi dalam proses pembentukan plasma lucutan korona diperlukan sebagai proses ionisasi. Tegangan tinggi yang diperlukan bisa menggunakan tegangan tinggi bolak-balik (AC), tegangan tinggi searah (DC) maupun tegangan tinggi impuls.

Gambar 2.7. Flyback Converter Gambar 2.8. Output Flyback

Converter

Sebuah Flyback Converter dapat dilihat seperti pada gambar 2.7. Rangkaian tersebut terdiri atas sebuah transistor frekuensi tinggi, transformator, sumber tegangan searah, dan sumber tegangan gelombang kotak.

(6)

Pensaklaran transistor dengan menggunakan

Flyback Converter harus memperhatikan tegangan

puncak kolektor pada saat mati dan arus puncak kolektor pada saat hidup. Tegangan puncak kolektor pada transistor pada saat mati dapat dirumuskan dengan rumus 2.5 sebagai berikut :

maks in maks CE

V







1

, (2.5)

Dengan Vin = Tegangan Input DC maks = Duty Cycle maksimum

Yang kedua adalah transistor harus mempunyai arus kolektor pada saat keadaan hidup dapat dirumuskan dengan :

P L C

I

n

I



(2.6)

Dengan Ip = Arus maksimum belitan primer transformator

N = Rasio belitan primer dan sekunder

IL = Arus beban

III.PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT

Untuk mengalirkan gas oksigen dan limbah cair yang akan diolah digunakan selang plastik dengan diameter 5 mm. Untuk mengalirkan hasil keluaran ruang reaktor plasma lucutan korona berupa ozon dan limbah hasil pengolahan juga menggunakan selang plastik dengan diameter 5 mm. Selanjutnya limbah hasil pengolahan yang telah dikenai plasma lucutan korona tegangan tinggi impuls ditampung dalam erlenmeyer dan direaksikan dengan ozon yang dihasilkan dari reaktor plasma lucutan korona tadi.

LIMBAH SEBELUM DI OLAH

OKSIGEN PEMBANGKIT TEGANGAN TINGGI IMPULS REAKTOR PLASMA PENGOLAH LIMBAH CAIR LIMBAH HASIL PENGOLAHAN TEGANGAN TINGGI IMPULS LIMBAH AWAL OKSIGEN OZON HASIL LIMBAH FASA NETRAL

SUMBER TEGANGAN JALA- JALA PLN

Pompa air

LUCUTAN KORONA

Gambar 3.1. Blok diagram alat

3.2 Reaktor Plasma Pengolah Limbah Bentuk dan gambar elektroda pada reaktor plasma lucutan korona ini dapat dilihat pada gambar 3.2. Jarum yang digunakan sebagai elektroda positif terbuat dari kawat tembaga dengan diameter 15 mm dan panjang 25 mm yang masing-masing dipisahkan dengan jarak 8 mm dam 10 mm. Sedangkan untuk elektroda negatif yang berupa bidang terbuat dari

bahan tembaga dengan panjang 160 mm dan lebar 110 mm. Antara elektroda jarum dan bidang diberikan sela udara dengan jarak 15 mm yang berfungsi sebagai daerah lucutan korona, aliran gas oksigen dan limbah cair.

100 mm 140 mm 8 mm 10 mm 85 m m 1 10 m m (a) 2 mm 110 mm 160 mm LAPISAN TEMBAGA FIBER (b) 4 0 m m 100 mm 2 5 m m (c)

Gambar 3.2. Konfigurasi elektroda reaktor plasma lucutan korona

(a). Elektroda positif / jarum (b). Elektroda negatif / bidang (c) Bentuk elektroda tampak samping

Reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair dibuat dengan memodifikasi elektroda yang sudah jadi dengan memberikan dinding dari bahan polymer dengan ketebalan 5 mm. Skematik reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair ditunjukan gambar 3.3 MASUKAN LIMBAH GAS OKSIGEN KELUARAN LIMBAH OZON ELEKTRODA BIDANG DAERAH LUCUTAN DAN

PENGOLAHAN LIMBAH CAIR

160 mm 110 mm 5 mm 2 mm 4 0 m m 140 mm

Gambar 3.3. Reaktor plasma lucutan korona elektroda jarum - bidang

Prinsip kerja dari reaktor di atas adalah elektroda jarum dihubungkan ke sumber positif pembangkit tegangan tinggi impuls, sedang elektroda bidang dihubungkang dengan ground. Diantara dua elektroda yang diberi jarak sela tadi akan timbul lucutan korona positif. Lucutan korona ini dimanfaatkan untuk mengionisasi limbah cair dan gas oksigen yang dialirkan melalui selang plastik ke dalam reaktor. Sehingga dihasilkan limbah

(7)

cair yang telah terkena plasma lucutan korona dan gas ozon pada keluaran reaktor. Selanjutnya limbah tersebut direaksikan lagi dengan gas ozon yang dihasilkan dalam tabung erlemeyer.

GAS OKSIGEN O2 LIMBAH SEBELUM PROSES PEMBANGKIT TEGANGAN TINGGI PULSA REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA HV LIMBAH SETELAH PROSES O3 SIRKULASI

Gambar 3.4. Skema reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair

3.3 Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls Pembangkit tegangan tinggi impuls yang dibuat secara umum terbagi menjadi tiga bagian yaitu penyearah (rectifier), regulator tegangan dan

driver pembangkit tegangan tinggi impuls. Di dalam driver pembangkit tegangan tinggi sendiri terdapat

dua rangkaian utama yaitu rangkaian osilator pulsa dan flyback converter.

Sumber Tegangan AC 1 Fasa Penyearah Regulator Osilator Pulsa Flyback Converter Tegangan Tinggi Driver Pembangkit Tegangan Tinggi

Gambar 3.5. Blok diagram pembangkit tegangan tinggi

Penyearah yang dibuat digunakan untuk menyuplai rangkaian osilator pulsa pada driver pembangkit tegangan tinggi dan untuk menyuplai kipas angin sebagai pendingin rangkaian. Regulator tegangan berfungsi untuk memvariasikan tegangan masukan ke flyback converter, sehingga dihasilkan keluaran tegangan tinggi yang dapat bervariasi juga.

IV.PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Pengukuran dan Pengujian Peralatan Pengukuran yang dilakukan sebanyak tiga kali dengan tegangan keluaran yang berbeda yaitu : 1. Pengukuran pertama pada keluaran trafo

flyback dapat dilihat pada gambar 4.1 di bawah ini :

Gambar 4.1. Tegangan keluaran trafo flyback pada pengukuran pertama, Probe X1000, 5

Volt/div

Dari gambar 4.1 dapat dilihat bahwa besarnya tegangan puncak keluaran dari trafo adalah sebesar 3,2 div. Maka besarnya tegangannya dapat dihitung sebagai berikut :

V = 3,2 div x 5 volt/div x 1000 = 16.000 Volt

= 16 kVolt

Dari hasil pengukuran pertama didapat bahwa tegangan keluaran dari pembangkit tegangan tinggi impuls adalah sebesar 16 kVolt. 2. Pengukuran kedua pada keluaran trafo flyback

dapat dilihat pada gambar 4.2 di bawah ini :

Gambar 4.2. Tegangan keluaran trafo flyback pada pengukuran kedua, Probe X1000, 5

Volt/div

= 17 kVolt

Dari hasil pengukuran pertama didapat bahwa tegangan keluaran dari pembangkit tegangan tinggi impuls adalah sebesar 17 kVolt. 3. Pengukuran ketiga pada keluaran trafo flyback

dapat dilihat pada gambar 4.3 di bawah ini :

Gambar 4.3. Tegangan keluaran trafo flyback pada pengukuran ketiga, Probe X1000, 5

Volt/div

(8)

= 18 kVolt

Dari hasil pengukuran pertama didapat bahwa tegangan keluaran dari pembangkit tegangan tinggi impuls adalah sebesar 18 kVolt.

4.2 Karakteristik Plasma Lucutan Korona terhadap Tegangan

Plasma yang dihasilkan pada reaktor ini adalah lucutan korona berbentuk streamer atau glow. karakteristiknya adalah memiliki banyak plasma

channel namun energi pada masing – masing channel relatif kecil. Plasma dengan bentuk seperti

ini dicapai pada kondisi dimana perbedaan potensial antara kedua elektroda pada fase gas mencapai nilai yang lebih besar dari nilai ambang batas namun lebih kecil dari potensial breakdown. Bentuk lucutan korona streamer/glow dipilih karena lebih efektif dalam memungkinkan kontak antara spesies aktif dengan seluruh permukaan sampel limbah cair pada waktu yang bersamaan.

Ket : Warna hijau kekuningan menunjukkan filamen lucutan korona yang sebenarnya berwarna ungu

Gambar 4.4. Plasma lucutan korona yang terbentuk pada

(a) tegangan 16 kV, (b) tegangan 17 kV, (c) tegangan 18 kV

Dari gambar 4.4, dilihat dari bentuk lucutan korona, semakin besar energi yang dimiliki, maka bentuk lucutan koronanya terlihat semakin panjang dan filamennya semakin besar. Tegangan maksimum yang digunakan pada penelitian ini adalah 18 kVolt. Penggunaan tegangan lebih dari 18 kVolt pada reaktor yang telah dialiri limbah akan menyebabkan terbentuknya fase breakdown atau

sparck discharge. Fenomena ini terjadi karena

energi yang diberikan terlalu besar, sehingga lucutan korona glow berubah menjadi lucutan arc yang dapat mencapai elektroda berlawanan (ground). Bentuk arc dapat menghasilkan intensitas UV yang lebih tinggi dibanding dengan glow, namun seluruh energi yang ada terfokus pada satu titik (channel).

Dalam penelitian ini bentuk tersebut tidak efektif karena plasma lucutan korona akan terfokus pada satu titik saja, sedangkan sampel limbah cair mengalir diseluruh bidang yang berbentuk kotak. Kondisi ini akan membuat kontak plasma lucutan korona dengan seluruh sampel limbah cair pada waktu yang bersamaan menjadi sulit terjadi.

4.3 Analisa Karakteristik Awal Limbah Cair Industri Minuman Ringan

Analisa karakteristik awal sampel limbah cair industri minuman ringan dilakukan sebelum sampel limbah diolah. Parameter yang dianalisa mengacu pada Peraturan Daerah Propinsi Jawa Tengah No. 10 tahun 2004 tentang Baku Mutu Air Limbah Industri Minuman Ringan (Softdrink).

Uji karakteristik awal limbah dilakukan dengan menganalisis beberapa parameter yang menjadi bahasan penelitian ini, yaitu warna, COD, minyak dan lemak serta pH. Berdasarkan data hasil uji karakteristik awal sampel limbah pada tabel 4.1 diketahui bahwa parameter COD dan pH belum memenuhi baku mutu. Sedangkan parameter minyak dan lemak mememiliki nilai yang kecil dan sudah memenuhi baku mutu. Pada penelitian ini parameter yang menjadi fokus pembahsan adalah warna dan COD.

Tabel 4.1. Hasil analisa karakteristik awal sampel limbah cair industri minuman ringan

No Parameter Analisa Satuan Baku Mutu Hasil Analisa Awal Perlu Pengolahan 1 pH 6,0-9,0 8,00 Tidak 2 COD mg/L 300 6715,60 Ya 3 Minyak dan Lemak mg/L 9 3,44 Tidak 4 Warna PtCo − 10025,00 Ya

4.4 Analisa Karakteristik Akhir Limbah Cair Industri Minuman Ringan

Data hasil uji karakteristik akhir sampel limbah cair indutri minuman ringan setelah diolah menggunakan teknologi plasma lucutan korona dengan variabel tegangan (16, 17 dan 18 kVolt) dan banyaknya sirkulasi (sirkulasi ke-1, ke-2, ke-3, ke-4, ke-5 dan ke-6), dengan menggunakan flowrate gas oksigen murni 0,5 L/menit serta kecepatan aliran limbah pada reaktor 20 ml/menit.

a

b

(9)

Tabel 4.2 Hasil Pengujian

Tegangan Parameter

Nilai pH, COD (mg/L) dan Warna (PtCo)

Sirlulasi ke-0 Sirlulasi ke-1 Sirlulasi ke-2 Sirlulasi ke-3 Sirlulasi ke-4 Sirlulasi ke-5 Sirlulasi ke-6 16 kVolt pH 8,00 7,60 7,40 7,00 7,20 7,00 7,00 COD 6715,60 4690,12 3930,90 2113,15 1079,67 678,90 226,89 Warna 10025,00 8135,00 5070,00 2725,00 1105,00 855,00 390,00 17 kVolt pH 8,00 7,00 7,80 7,70 7,00 7,00 7,20 COD 6715,60 4413,30 3128,85 2010,43 1097,37 442,78 145,89 Warna 10025,00 7805,00 5605,00 2140,00 1005,00 740,00 215,00 18 kVolt pH 8,00 7,00 7,20 7,00 7,40 7,00 7,00 COD 6715,60 4007,55 2960,90 1800,85 987,80 220,13 85,80 Warna 10025,00 3080,00 2245,00 1580,00 990,00 385,00 95,00

Gambar 4.5. Hubungan tegangan terhadap prosentase penurunan kadar COD

Gambar 4.5 menunjukkan kecenderungan peningkatan prosentase penurunan kadar COD limbah cair industri minuman ringan seiring dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Prosentase penurunan kadar COD terbesar terlihat pada tegangan 18 kVolt. Hasil akhir prosentase penurunan kadar COD terbesar dicapai pada tegangan 18 kVolt setelah sirkulasi keenam yaitu sebesar 98,72 % (dari 7320,23 mg/l menjadi 85,80 mg/l).

Gambar 4.6. Hubungan tegangan terhadap prosentase penurunan warna

Gambar 4.6 menunjukkan kecenderungan peningkatan prosentase penurunan warna limbah cair industri minuman ringan seiring dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Prosentase penurunan warna terbesar terlihat pada tegangan 18 kVolt. Hasil akhir prosentase penurunan warna terbesar dicapai pada tegangan 18 kVolt setelah sirkulasi keenam yaitu sebesar 99,05 % (dari 10025 menjadi 95).

Prosentase penurunan warna ini seiring dengan prosentase penurunan kadar COD, hal ini karena penyebab warna pada sampel limbah cair industri minuman ringan adalah materi organik yang terlacak dari pengukuran COD. Secara visual perubahan warna yang terjadi dari perbedaan tegangan yang diterapkan setelah sirkulasi keenam dapat dilihat pada gambar 4.8 di bawah ini :

(a) (b) (c) (d)

Gambar 4.8. Perubahan warna limbah cair industri minuman ringan

(a) Awal (b) 16kVolt (c) 17 kVolt (d) 18 kVolt

V.PENUTUP

Berdasarkan perancangan, pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada penelitian ini, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Tegangan keluaran berupa tegangan tinggi impuls dengan tegangan puncak bervariasi antara 0 Volt sampai dengan 20 kilo Volt. 2. Lucutan korona pada reaktor yang dibuat

semakin panjang dan besar filamen lucutannya sebanding dengan besar tegangan yang diterapkan pada reaktor.

3. Perubahan tegangan dan jumlah sirkulasi mempengaruhi prosentase penurunan kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan.

4. Prosentase penurunan terbesar kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan diperoleh pada tegangan 18 kilo Volt setelah sirkulasi keenam. Nilainya secara berturut – turut adalah 98,72 % dan 99,05 %.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Abduh, S,. Teknik Tegangan Tinggi Dasar

Pembangkitan dan Pengukuran, Salemba Teknika, Jakarta, 2003.

[2] Rashid, M. H., Power Electronics: Circuits and

Application, Edisi kedua, Prentice International,

New Delhi, India, 1996.

[4] Chryssis, G, High-Frequency Switching Power

(10)

McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1989.

[6] Mohan Ned, Tore M. Undeland, William P Robbins, Power Electronics: Converter, Applications, and Design, John Wiley and Sons

Inc, Canada, 1995.

[7] Rashid Muhammad H., Power Electronics:

Circuits, Devices and Application, Prentice-Hall

International Inc, Second Edition, New Jersey, 1993.

[8] Eckenfelder, W. Wesley, 2000. Industrial Water

Pollution Control. New York: McGraw Hills

Companies.

[9] Kuraica, M. M., et al, 1996. Application of

Coaxial Dielectric Barrier Discharge for Portable and Waste Water Treatment. Serbia:

Faculty of Physics.

[10] Sugiharto, 1987. Dasar-Dasar Pengelolaan Air

Limbah. Jakarta: Universitas Indonesia.

[11] Korzekwa, R., et al, 1998. Experimental Results

Comparing Pulsed Corona and Dielectric Barrier Discharges for Pollution Control.

California: Los Alamos National Laboratory. [12] Chen, J., dan Davidson, J.H., 2002. Electron

Density and Energy Distributions in the Positive DC Corona: Interpretation for Corona-Enhanced Chemical Reactions. Plasma Chemistry and Plasma Processing. Vol. 22. pp 199-224.

[13] Aryanto, Imam. Septana, 2007. Penurunan

Kadar Fenol dan COD Pada Limbah Cair Industri Cat dengan Teknologi Plasma dalam Permukaan Air. Semarang: Universitas Diponegoro.