Teknologi adsorpsi telah mendapat perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir sebagai salah satu pendekatan yang paling praktis dan efisien untuk pengolahan berbagai jenis air limbah. Bahkan telah dianggap oleh banyak orang lebih unggul dibandingkan dengan teknologi fisika dan kimia lainnya.
Meskipun mekanisme utama yang terlibat dalam proses adsorpsi sangat bergantung pada jenis adsorben serta adsorbatnya, beberapa penelitian telah mencoba untuk mengkaji banyak faktor yang mempengaruhi mekanisme adsorpsi dan mencoba mengusulkan banyak cara untuk mengoptimalkan proses tersebut melalui eksperimen dan pemodelan matematis. . Yang terakhir memainkan peran penting dalam memprediksi perilaku peralatan pemisahan proses yang menggunakan proses adsorpsi batch dan kontinyu. Pemodelan matematika dari fenomena adsorpsi melibatkan model isoterm kesetimbangan, model kinetika adsorpsi dan model mekanisme pengendalian yang dapat mencakup
difusi eksternal, difusi pori dan difusi intrapartikel. Bab ini menawarkan evaluasi komprehensif dari beberapa model untuk proses adsorpsi batch dan kontinyu, memanfaatkan pengalaman penulis sendiri dengan berbagai adsorben dan berbagai jenis adsorbat, mulai dari logam berat hingga kontaminan organik yang sangat beracun. Bab ini juga menyajikan analisis sistematis model isoterm, kinetika, dan packed-bed, menyoroti pentingnya mereka dalam desain unit adsorpsi industri.
PENDAHULUAN Istilah polutan, dalam arti luas, mengacu pada zat yang mengubah kualitas alami lingkungan dengan cara fisik, kimia, atau biologis. Dengan demikian, pencemaran dapat terjadi di udara, air, dan tanah. Kegiatan industri, pertanian, dan domestik manusia telah mempengaruhi sistem lingkungan, mengakibatkan masalah serius seperti pemanasan global dan menghasilkan air limbah yang mengandung polutan tingkat tinggi. Karena air dengan kualitas yang baik merupakan komoditas yang berharga dan tersedia dalam jumlah terbatas, sangat penting untuk mengolah air limbah untuk menghilangkan polutan. Proses adsorpsi telah dikenal umat manusia sejak lama dan aplikasinya telah berkembang pesat karena peraturan lingkungan yang sangat ketat dan persyaratan kualitas yang meningkat tajam. Penghapusan air dari aliran gas hidrokarbon, senyawa belerang dari gas alam dan bau dari udara adalah contoh untuk adsorpsi gas. Adsorpsi pengotor terlarut dari larutan telah banyak digunakan untuk pemurnian air dan air limbah, seperti penghilangan bahan organik, pengotor berwarna dan bau dari aliran air yang terkontaminasi. Penerapan adsorpsi yang luas dalam pengendalian polusi telah diakui dan ditetapkan di berbagai industri seperti makanan, kimia, perminyakan, farmasi, dan industri lainnya. Adsorpsi mengacu pada proses di mana zat terlarut gas atau cair terakumulasi pada permukaan padat atau cair, membentuk film molekul atau atom. Bahan yang diserap disebut adsorbat atau zat terlarut dan fase yang menyerap disebut adsorben. Istilah "adsorpsi" pertama kali diciptakan oleh C.W. Scheele pada tahun 1773 untuk gas yang terpapar karbon. Kemudian pada tahun 1785, Lowitz mengamati penghilangan warna dan bau dari air dengan arang kayu. Larvitz 1792 dan Kehl 1793 mengamati hal yang sama dengan arang nabati dan hewani. Namun, Kayser yang memperkenalkan, untuk pertama kalinya pada tahun 1881, istilah adsorpsi untuk membedakan akumulasi permukaan dari pentrasi antarmolekul. Dia mendalilkan bahwa fitur dasar adsorpsi adalah akumulasi permukaan material. Proses itu sendiri tidak banyak digunakan sampai tahun 1940-an dan 50-an ketika karbon aktif pertama kali digunakan untuk pengolahan air kota [1].
Proses adsorpsi disebut sebagai Adsorpsi Fisik jika gaya tarik menarik antara permukaan padat dan molekul yang teradsorpsi bersifat fisik, dimana gaya tarik menariknya adalah gaya Van der Waals yang lemah dan adsorpsi yang dihasilkan bersifat reversibel. Sedangkan jika gaya tarik-menarik antara molekul teradsorpsi dan permukaan padat timbul karena adanya ikatan kimia, maka proses adsorpsi
disebut Chemisorpsi; ikatan dalam hal ini kuat, dan sulit untuk menghilangkan spesies chemisorbed dari permukaan padat. Faktor terpenting yang mempengaruhi proses adsorpsi tercantum pada Gambar 1.
ADSORBEN
Adsorben ditemukan dalam berbagai bentuk seperti bubuk, pelet kecil, manik-manik atau butiran, dengan struktur yang sangat berpori memiliki pori-pori halus dan volume pori hingga 50% dari total volume partikel. Sifat yang paling penting untuk adsorben adalah struktur berpori yang menghasilkan luas permukaan yang tinggi; padatan yang sangat berpori mungkin bersifat karbon atau anorganik, sintetik atau terjadi secara alami, dan dalam keadaan tertentu mungkin memiliki sifat pengayak molekuler yang sebenarnya. Adsorben juga harus memiliki sifat mekanik yang baik seperti kekuatan dan tahan terhadap gesekan. Oleh karena itu, untuk menghilangkan polutan, adsorben harus dipilih dengan luas permukaan dan porositas yang tinggi serta menunjukkan kinetika kesetimbangan adsorpsi yang cepat. Selain itu, regenerasi adsorben harus dilakukan secara efisien dan tanpa merusak sifat mekanik dan adsorptif. Banyak bahan adsorben bersifat amorf dan mengandung jaringan kompleks mikropori yang saling berhubungan (D < 2nm), mesopori (2nm < D < 50nm) dan makropori (D > 50nm).
Sebaliknya, dalam adsorben zeolit pori-pori atau saluran memiliki dimensi yang tepat meskipun struktur makropori dibuat ketika pelet dibuat dari kristal zeolit dengan penambahan bahan pengikat. Molekul fluida yang akan diadsorpsi pada permukaan internal pertama-tama harus melewati film fluida, yang berada di luar partikel adsorben, kemudian melalui struktur makropori ke dalam mikropori tempat molekul diadsorpsi. Gambar 2 mengilustrasikan berbagai jenis pori-pori.
Adsorben yang paling penting digunakan dalam industri untuk pengendalian polusi adalah: Alumina: Ini adalah gel kristal berpori sintetik dengan luas permukaan berkisar antara 200-300 m2/g dan digunakan dalam pengeringan gas, pelarut organik, minyak trafo, penghilangan HCl dari hidrogen, dan dalam penghilangan senyawa fluorin dan boron-fluorin dalam proses alkilasi. Bauksit: adalah alumina kristal berpori alami yang terkontaminasi dengan kaolinit dan oksida besi dalam berbagai proporsi. Digunakan sebagai pengganti alumina dengan luas permukaan 25-250 m2/g.
Bahan tanah liat: Ini terutama diambil dari endapan alami dengan luas permukaan berkisar antara 150- 250 m2 /g setelah perlakuan asam. Itu tidak mahal dan dapat digunakan untuk menyerap polutan beracun, menghilangkan pigmen dan dalam pemurnian ulang minyak nabati dan mineral. Silica Gel: Ini dibuat dengan koagulasi asam silikat koloid, yang menghasilkan pembentukan butiran berpori dan nanokristalin dengan ukuran berbeda. Luas permukaannya berkisar antara 250-900 m2 /g dan digunakan dalam aplikasi pengeringan gas, refrigeran, pelarut organik, minyak trafo, pengering dalam pengepakan dan kaca ganda dan dalam kontrol titik embun gas alam. Zeolit: Ini adalah adsorben mikropori dan selektif yang terjadi secara alami dan disiapkan secara sintetis. Mereka adalah tektosilikat kristal yang mampu menjalani reaksi pertukaran basa reversibel. Banyak aplikasi yang terhubung dengan jenis adsorben ini seperti: proses pemisahan, pemulihan karbon dioksida dan karbon monoksida dari metana dan hidrogen, pemurnian gas sisa nuklir, pengendalian polusi, termasuk penghilangan Hg, NOx dan SOx dari gas dan dalam pemulihan fruktosa dari sirup jagung. Karbon Aktif:
Ini adalah adsorben tertua yang diketahui dan biasanya dibuat dari batu bara, tempurung kelapa, lignit dan kayu, menggunakan proses aktivasi yang berbeda. Metode aktivasi meliputi aktivasi fisik dan kimia.
Aktivasi Fisik Pada metode ini, prekursor dikembangkan menjadi karbon aktif menggunakan gas.
Prekursor biasanya mengalami karbonisasi diikuti dengan aktivasi. Karbonisasi adalah tahap pertama, di mana prekursor dipirolisis pada kisaran suhu 600–900◦ C, dalam atmosfer inert (nitrogen, argon) yang menghasilkan pembentukan arang, yang biasanya tidak berpori. Aktivasi adalah proses di mana bahan terpapar ke atmosfer pengoksidasi (karbon dioksida, oksigen, atau uap) biasanya pada kisaran suhu 600–1200 °C,; ini menghasilkan penghilangan karbon yang lebih tidak teratur dan pembentukan
struktur berpori yang berkembang dengan baik, yang mengarah ke luas permukaan yang tinggi. • Aktivasi Kimia Ini melibatkan impregnasi dengan bahan kimia seperti H3PO4, KOH, atau NaOH, diikuti dengan pemanasan di bawah aliran gas (biasanya nitrogen) dalam kisaran suhu 450 sampai 900 °C.
Dipercayai bahwa langkah-langkah karbonisasi dan aktivasi berlangsung secara bersamaan dalam aktivasi kimia. Umumnya, aktivasi kimia lebih disukai daripada aktivasi fisik karena suhu yang lebih rendah dan waktu yang lebih singkat untuk mengaktifkan bahan. Produk yang terbentuk dengan salah satu metode tersebut dikenal sebagai karbon aktif dan umumnya memiliki struktur yang sangat berpori dengan luas permukaan yang besar berkisar antara 500 hingga 2000 m2/g. Telah ditemukan bahwa adsorpsi pada karbon aktif biasanya tidak selektif, seperti yang terjadi melalui gaya Van der Waals.
Dasar produksi industri modern karbon aktif didirikan pada tahun 1900-1901 untuk menggantikan arang tulang dalam proses pemurnian gula [2]. Karbon aktif bubuk pertama kali diproduksi secara komersial di Eropa pada awal abad ke-19, menggunakan kayu sebagai bahan baku. Penggunaan karbon aktif untuk pengolahan air di Amerika Serikat pertama kali dilaporkan pada tahun 1930, untuk menghilangkan rasa dan bau dari air yang terkontaminasi [3]. Karbon aktif adalah bentuk kasar dari grafit dengan struktur acak atau amorf, yang sangat berpori, menunjukkan berbagai ukuran pori, mulai dari retakan yang terlihat, celah dan celah dimensi molekul [4]. Permukaan karbon aktif dianggap heterogen dari sudut pandang porositas dan kimia permukaan. Heterogenitas struktur pori adalah hasil dari adanya berbagai macam pori yang ukurannya berkisar dari beberapa hingga beberapa ratus angstrom [5]. Di sisi lain, kimia permukaan karbon adalah hasil dari keberadaan heteroatom seperti oksigen, nitrogen, hidrogen, dan fosfor. Hetroatom tersebut terdiri dari gugus fungsi organik di tepi kristalit karbon. Kandungan hetroelements tergantung pada asal karbon dan metode aktivasi [6].
Adanya hetroatom seperti oksigen, yang dapat membentuk keton, karboksil, fenol, eter, dan lakton;
nitrogen dalam bentuk gugus amina dan nitro; dan fosfor sebagai fosfat dapat menentukan keasaman atau kebasaan karbon aktif. Karakteristik karbon aktif menjadikan AC sebagai bahan serbaguna yang telah dipelajari sebagai adsorben, katalis dan pendukung katalis yang digunakan untuk tujuan yang berbeda seperti penghilangan polutan dari fase gas atau cair dan dalam pemurnian dan pemulihan bahan kimia [7]. Namun, penggunaan luas karbon aktif komersial ini dibatasi karena biaya terkait yang tinggi. Oleh karena itu, upaya telah dilakukan untuk mencari prekursor karbon aktif alternatif untuk mengurangi biaya mahal, seperti bahan limbah. Atribut yang paling penting dari adsorben untuk aplikasi apa pun adalah: kapasitas, selektivitas, kemampuan regenerasi, kinetika, dan biaya. Jarang ada adsorben tunggal yang optimal dalam semua aspek ini. Karbon aktif untuk pengolahan air tersedia dalam dua bentuk utama: karbon aktif bubuk (PAC) dan karbon aktif granular (GAC). Sebagian besar pekerjaan untuk menghilangkan polutan dari air dilakukan di GAC, karena fakta bahwa bentuk butiran lebih mudah beradaptasi dengan kontak terus menerus, dan tidak perlu memisahkan karbon dari cairan curah. Di sisi lain, penggunaan PAC menghadirkan beberapa masalah praktis karena persyaratan untuk memisahkan adsorben dari cairan setelah digunakan. Namun, terlepas dari masalah ini, PAC juga digunakan untuk pengolahan air limbah karena biaya modal yang rendah dan waktu kontak yang lebih sedikit. Luas permukaan untuk berbagai ukuran partikel karbon aktif tercantum dalam Tabel 1.
Luas permukaan bahan adsorben umumnya diperoleh dari pengukuran adsorpsi nitrogen yang dilakukan pada suhu nitrogen cair (77 K). Hasilnya kemudian diinterpretasikan menggunakan isoterm
BET. Volume pori dapat diperoleh dengan mengukur jumlah adsorbat, seperti nitrogen, yang teradsorpsi pada tekanan tertentu pada rentang tekanan hingga tekanan uap jenuh. Diasumsikan kemudian bahwa kondensasi terjadi pada pori-pori kecil dan persamaan Kelvin dapat digunakan untuk menentukan ukuran pori terbesar dimana gas dapat mengembun. Tekanan yang berbeda dapat digunakan untuk memperoleh distribusi ukuran pori. Porosimetri merkuri adalah salah satu teknik yang dapat digunakan untuk menentukan distribusi ukuran pori. Awalnya, semua gas dievakuasi dari adsorben dan kemudian tekanan digunakan untuk mendorong merkuri ke dalam pori-pori. Distribusi ukuran pori kemudian dapat diperoleh dari kurva tekanan-volume.
KINETIK ADSORPSI
Kinetika adsorpsi menggambarkan jalur reaksi, serta waktu untuk mencapai kesetimbangan. Ini juga menunjukkan ketergantungan yang besar pada karakteristik fisik dan kimia bahan adsorben, yang juga mempengaruhi mekanisme adsorpsi yang dapat berupa difusi film atau pori atau karena kombinasi keduanya tergantung pada hidrodinamika sistem.
1. Pseudo-First Order Model ( Model Orde Pertama Semu )
Model orde satu semu Lagergren paling umum digunakan untuk menggambarkan adsorpsi zat terlarut dari larutan cair. Persamaan orde pertama semu dari Lagergren diberikan oleh [9, 10]:
dqt/dt = k1 (qe-qt)
Di mana qt dan qe masing-masing adalah jumlah fenol yang teradsorpsi pada waktu t dan kesetimbangan (mg/g), dan k1 adalah konstanta laju orde satu semu untuk proses adsorpsi (l/min).
Setelah integrasi dan menerapkan syarat batas t = 0 ke t = t dan qt = 0 ke qt = qt, bentuk integral dari Persamaan 1 menjadi:
Log (qe-qt) = log qe-k1t (2)
Ketika nilai log (qe-qt) dikorelasikan secara linear dengan t, plot log (qe-qt) versus t akan memberikan hubungan linier yang darinya k1 dan qe dapat ditentukan dari masing-masing kemiringan dan perpotongan grafik.
2. Model Pseudo-Second Order Pada model ini, tahap pembatas laju adalah adsorpsi permukaan yang melibatkan chemisorption, dimana penghilangan adsorbat dari larutan disebabkan oleh interaksi fisikokimia antara dua fase; persamaan laju kinetika dinyatakan sebagai [11]:
Di mana k2 adalah konstanta laju kesetimbangan persamaan orde dua semu (g/mg min). Untuk syarat batas t=0 dan t=t dan qt=0 dan qt = qt, bentuk integral dari Persamaan 3 menjadi:
Adsorpsi biasanya menghasilkan penghilangan zat terlarut dari larutan dan memekatkannya di permukaan, sampai jumlah zat terlarut yang tersisa dalam larutan berada dalam kesetimbangan dengan yang ada di permukaan. Kesetimbangan ini dijelaskan dengan menyatakan jumlah zat terlarut yang diserap per satuan massa adsorben, q, sebagai fungsi dari konsentrasi zat terlarut yang tersisa dalam larutan, C. Ekspresi jenis ini disebut isoterm adsorpsi. Kapasitas atau pembebanan adsorpsi tergantung pada konsentrasi fase cair, suhu, dan kondisi lain (terutama kondisi awal adsorben). Biasanya, data kapasitas adsorpsi dikumpulkan pada suhu tetap dan berbagai konsentrasi adsorbat (atau tekanan parsial untuk uap atau gas), dan data diplot sebagai isoterm (pemuatan versus konsentrasi pada suhu konstan). Banyak model teoritis dan empiris telah dikembangkan untuk mewakili berbagai jenis isoterm adsorpsi. Saat ini, tidak ada persamaan tunggal yang menggambarkan semua mekanisme dan bentuk secara memuaskan. Model Langmuir, Freundlich, Sips, Dubinin-Radushkevich dan Brunauer-Emmett- Teller (BET) adalah beberapa persamaan yang umum digunakan untuk mendeskripsikan isoterm adsorpsi.
di mana qe (mg/g) adalah jumlah kesetimbangan zat terlarut yang diserap dalam mg per gram padatan, Ce (mg/l) adalah konsentrasi kesetimbangan zat terlarut dalam larutan, dan qm (mg/g) dan b (l/mg) adalah parameter tergantung suhu masing-masing mewakili kapasitas adsorpsi maksimum untuk pemuatan fase padat dan konstanta energi yang terkait dengan panas adsorpsi. Profil khas isoterm Langmuir ditunjukkan pada Gambar 3. Langmuir didasarkan pada asumsi bahwa:
- Molekul diserap pada sejumlah tetap situs terlokalisasi yang terdefinisi dengan baik.
- Adsorpsi terbatas pada satu lapisan molekul zat terlarut.
- Entalpi adsorpsi sama untuk semua molekul.
- Tidak ada interaksi antara molekul yang teradsorpsi di situs tetangga.
ADSORPTION MECHANISMS
Seperti yang ditunjukkan pada bagian sebelumnya, adsorpsi zat terlarut pada permukaan padat dapat terjadi melalui adsorpsi fisik, adsorpsi kimia atau pertukaran ion. Agak sulit untuk memprediksi
mekanisme yang tepat, karena tergantung pada karakteristik zat terlarut serta adsorben. Pertukaran ion diharapkan menjadi kurang penting dengan meningkatnya pH, karena sebagian besar gugus fungsi menjadi terdisosiasi jika pH di atas batas tertentu. Mekanisme pertukaran ion dapat menjadi signifikan jika energi ikatan berada pada kisaran 8-16 kJ/mol [18, 19]. Pemodelan matematis dari proses adsorpsi merupakan langkah penting dalam memahami kontribusi relatif dari mekanisme yang berbeda. Mao dkk. [20] memodelkan adsorpsi protein dengan partikel berpori dan tidak berpori untuk menentukan kepentingan relatif dari mekanisme pengendalian utama: reaksi permukaan dan perpindahan massa. Model tersebut juga diterapkan pada biosorpsi timbal dan tembaga oleh C.
vulgaris dengan asumsi partikel tidak berpori [21, 22] serta adsorpsi COD pada karbon aktif [23].
Diasumsikan bahwa pengangkutan adsorbat (zat terlarut) dari larutan curah ke permukaan adsorben dapat dijelaskan dengan mekanisme resistensi film:
APLIKASI ADSORPSI
Adsorpsi Batch Proses batch adalah contoh penting di mana adsorben bergerak relatif terhadap dinding bejana pengungkung. Proses paling sederhana melibatkan pencampuran sejumlah adsorben dengan sejumlah cairan, paling sering berupa cairan. Setelah waktu yang telah ditentukan, adsorben dapat dipisahkan dari cairan (melalui sedimentasi, filtrasi, dll.) baik untuk dibuang atau digunakan kembali. Jika waktu yang cukup memungkinkan untuk mencapai kesetimbangan, pemuatan adsorbat pada adsorben dapat dikaitkan dengan konsentrasi akhir adsorbat dalam larutan melalui isoterm kesetimbangan. Adsorben bubuk atau butiran biasanya ditambahkan dalam bentuk bubur sedemikian rupa untuk memungkinkan dispersi dan pencampuran yang memadai. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan batch tunggal atau ganda. Sebagai contoh, salah satu cara untuk mengurangi jumlah total adsorben yang dibutuhkan adalah dengan melakukan proses batch dalam dua langkah; umpan pertama kali dikontakkan dengan kumpulan adsorben baru, kemudian setelah pemisahan fluida dari adsorben, fluida dikontakkan dengan kumpulan adsorben baru selanjutnya. Setiap batch adsorben berikutnya menghilangkan lebih sedikit pengotor karena konsentrasi pengotor dalam cairan menurun.
Adsorpsi Lapisan Tetap (Fixed Bed Adsorption)
Saat cairan yang terkontaminasi bergerak melalui lapisan tetap, polutan yang akan diserap akan dipindahkan dari cairan curah ke lapisan adsorben. Beberapa langkah terlibat dalam keseluruhan proses adsorpsi dari satu molekul polutan:
1. Langkah perpindahan massa: perpindahan massa dari sebagian besar cairan ke permukaan partikel adsorben melalui lapisan batas di sekitar partikel.
2. Langkah difusi: difusi internal melalui pori-pori adsorben.
3. Langkah adsorpsi: adsorpsi ke permukaan partikel.
Pada aplikasi pengolahan air limbah, keseluruhan proses adsorpsi didominasi oleh perpindahan massa, terutama perpindahan massa intrapartikel (Gambar 6).
Dalam proses kontak tipe batch, sejumlah padatan dicampur dengan volume air tertentu sampai kontaminan diturunkan ke tingkat yang diinginkan. Padatan kemudian dihilangkan dan dibuang atau dibuat ulang untuk digunakan dengan volume larutan lain. Jika adsorben bubuk halus digunakan dalam jenis sistem ini, pemisahan adsorben bekas dari air mungkin sulit. Sebaliknya, penggunaan partikel padat yang besar yang dihilangkan lebih cepat saat habis, membutuhkan periode kontak yang lebih lama antara larutan dan adsorben, memerlukan bejana yang lebih besar untuk menahan air selama pengolahan. Tipe kolom, operasi aliran kontinyu memiliki keunggulan dibandingkan operasi tipe batch karena laju adsorpsi bergantung pada konsentrasi zat terlarut dalam larutan yang diolah.
Untuk operasi kolom, adsorben berada dalam kontak terus menerus dengan larutan baru.
Konsekuensinya, konsentrasi dalam larutan yang bersentuhan dengan lapisan adsorben tertentu dalam kolom berubah sangat lambat. Untuk perlakuan batch, konsentrasi zat terlarut dalam kontak dengan jumlah tertentu padatan berkurang jauh lebih cepat seiring berlangsungnya adsorpsi, sehingga menurunkan efektivitas adsorben untuk menghilangkan zat terlarut. Penyerap unggun tetap biasanya vertikal, bejana silinder. Sementara bejana horizontal kadang-kadang digunakan, orientasi vertikal lebih disukai untuk menghindari terciptanya distribusi aliran yang buruk atau tidak merata, ketika pergerakan partikel atau pengendapan lapisan terjadi. Untuk aplikasi fase cair, gaya apung perlu dipertimbangkan juga. Kecepatan aliran ke arah atas biasanya cukup rendah untuk mencegah pengangkatan lapisan. Namun, dalam beberapa aplikasi diinginkan untuk memungkinkan beberapa perluasan lapisan untuk membatasi penurunan tekanan. Karena kecepatan minimum yang menyebabkan pengangkatan terlampaui, penurunan tekanan hanya meningkat sedikit dengan peningkatan kecepatan lebih lanjut. Akan tetapi, terlalu banyak pemuaian dapat menyebabkan bedengan tercampur dengan baik. Jika ini terjadi di dalam unggun tetap, ini akan menyerupai proses batch dan menimbulkan risiko berkurangnya kemurnian dalam produk. Jika cairan mengandung padatan tersuspensi, mungkin lebih baik alirannya ke arah bawah. Dalam aplikasi pengolahan air, lapisan adsorben dapat bertindak sebagai perangkap partikulat serta sarana untuk menghilangkan rasa, bau, dan polutan.
Untuk proses adsorpsi kontinyu dalam unggun tetap, unggun dapat dibagi, pada waktu tertentu, menjadi tiga zona perkiraan secara berurutan: zona jenuh (mengandung adsorben yang hampir jenuh dengan polutan); zona adsorpsi (tempat adsorpsi sebenarnya terjadi); dan zona bersih di mana adsorben mengandung sedikit atau tidak ada polutan yang terserap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Ukuran dan lokasi ketiga zona ini di dalam lapisan berubah seiring waktu. Saat cairan yang terkontaminasi memasuki unggun, pertama kali bertemu dengan zona jenuh di mana adsorben sudah hampir jenuh dengan polutan dan tidak ada adsorpsi yang terjadi (ini bukan kasus untuk unggun baru yang bersih). Zona jenuh mengembang secara progresif melalui bed, karena lebih banyak cairan yang terkontaminasi bergerak ke bawah bed. Adsorpsi polutan terjadi hampir secara eksklusif pada sebagian lapisan yang disebut zona adsorpsi, di hilir zona jenuh. Konsentrasi polutan dalam adsorben bervariasi dari mendekati saturasi (pada awal zona adsorpsi) hingga mendekati nol (menuju akhir zona adsorpsi). Bagian aliran hilir zona adsorpsi mengandung sangat sedikit polutan yang teradsorpsi, karena fluida yang melewati zona ini hampir bebas dari kontaminan. Seiring waktu, sebagian besar lapisan menjadi jenuh dengan polutan dan zona adsorpsi bergerak ke hilir membentuk gelombang adsorpsi. Akhirnya bagian depan gelombang adsorpsi mencapai ujung unggun. Ketika ini terjadi, aliran yang diolah mulai memiliki konsentrasi polutan yang lebih tinggi dari nilai yang diinginkan. Titik ini disebut titik terobosan dan kurva konsentrasi polutan yang sesuai dalam limbah versus waktu disebut kurva terobosan. Di luar titik terobosan, konsentrasi polutan dalam limbah meningkat dengan cepat (yaitu kurva terobosan biasanya curam), hingga mencapai titik kejenuhan yang ditentukan secara arbitrer saat kolom mendekati saturasi. Kemudian efluen yang meninggalkan dasar memiliki konsentrasi polutan yang sama dengan aliran influen. Representasi skematis dari pergerakan zona adsorpsi dan kurva terobosan yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar 8.
Lapisan pertama selalu bersentuhan langsung dengan umpan pada tingkat konsentrasi kontaminan tertinggi, Co. Saat umpan yang tercemar terus mengalir ke dalam kolom, beberapa lapisan pertama adsorben praktis menjadi jenuh dengan zat terlarut dan kurang efektif untuk adsorpsi lebih lanjut.
Dengan demikian, zona adsorpsi primer bergerak melalui kolom ke daerah adsorben yang lebih segar.
Pergerakan seperti gelombang pada zona ini, disertai dengan pergerakan front konsentrasi CO, terjadi pada laju yang jauh lebih lambat daripada kecepatan linier air atau air limbah. Saat zona adsorpsi primer bergerak melalui kolom, semakin banyak zat terlarut cenderung keluar dalam limbah, seperti yang ditunjukkan dalam urutan gambar skematik pada Gambar 8. Plot C/Cο versus waktu (untuk laju aliran konstan) menggambarkan peningkatan rasio efluen terhadap konsentrasi influen saat zona bergerak melalui kolom. Breakpoint pada kurva ini mewakili titik operasi di mana — untuk semua tujuan praktis — kolom berada dalam kesetimbangan dengan air influen, dan di luar itu akan terjadi sedikit tambahan penghilangan zat terlarut. Pada titik ini diinginkan untuk mengaktifkan kembali atau mengganti adsorben. Metode operasi yang dipilih untuk adsorber unggun tetap bergantung, sebagian besar, pada bentuk kurva yang diberikan dengan memplot C/C terhadap waktu atau volume. Seperti disebutkan sebelumnya, kurva ini disebut sebagai kurva terobosan. Untuk sebagian besar operasi adsorpsi dalam pengolahan air dan air limbah, kurva terobosan menunjukkan bentuk S yang khas, tetapi dengan berbagai tingkat kecuraman dan posisi breakpoint. Faktor-faktor yang mempengaruhi bentuk sebenarnya dari kurva termasuk semua parameter yang dibahas sebelumnya (bentuk isoterm adsorpsi, konsentrasi zat terlarut, pH, mekanisme pembatas laju untuk adsorpsi dan sifat kondisi kesetimbangan, ukuran partikel, kedalaman lapisan dan kecepatan aliran. Sebagai aturan umum, waktu untuk breakpoint meningkat dengan mengurangi ukuran partikel adsorben, konsentrasi zat terlarut dalam umpan, pH air umpan, laju aliran umpan atau meningkatkan kedalaman lapisan Jika total kedalaman lapisan lebih kecil dari panjangnya dari zona adsorpsi primer yang diperlukan untuk menghilangkan zat terlarut secara efektif, konsentrasi zat terlarut dalam limbah akan meningkat tajam sejak limbah pertama kali dibuang dari penyerap.
1.10 Adsorption, Absorption, and Sorption
Penyerapan (Sorption ) adalah istilah nonspesifik yang dapat merujuk pada salah satu atau kedua proses adsorpsi bahan kimia pada permukaan padat dan/atau penyerapan (partisi) bahan kimia ke dalam volume padatan. Dalam kasus polutan organik, penyerapan adalah proses kunci yang menentukan nasib, dan bahan kimia biasanya diserap ke dalam fraksi organik partikel karena energi yang menguntungkan dari proses ini.
Sorbat (adsorbat atau absorbat) adalah zat yang ditransfer dari fase gas atau cair ke fase padat.
Penyerap (adsorbent or absorbent) adalah bahan padat ke atau ke mana sorbat terakumulasi.
Padatan yang menyerap bahan kimia dapat berupa bahan alami (misalnya tanah permukaan, sedimen pelabuhan atau sungai, bahan akuifer) atau antropogenik (misalnya karbon aktif).
Gambar 3.8 menunjukkan skema proses penyerapan (sorption) untuk penyerapan naftalena menjadi padatan alami seperti partikel tanah dari fase air. Mengapa penyerapan ini terjadi? Dari sudut pandang termodinamika, molekul selalu lebih suka berada dalam keadaan energi yang lebih rendah. Molekul yang teradsorpsi ke permukaan memiliki keadaan energi yang lebih rendah di permukaan daripada di fase air. Oleh karena itu, selama proses kesetimbangan, molekul tertarik ke permukaan dan keadaan energi yang lebih rendah. Daya tarik molekul ke permukaan dapat disebabkan oleh gaya fisik dan/atau kimia. Gaya elektrostatik mengatur interaksi antara sebagian besar adsorbat dan adsorben. Gaya-gaya ini termasuk interaksi dipol- dipol, interaksi dispersi atau gaya London-van der Waals, dan ikatan hidrogen. Selama penyerapan ke tanah dan sedimen, partisi hidrofobik — fenomena yang didorong oleh perubahan entropi — juga dapat menjelaskan interaksi bahan kimia organik hidrofobik (takut air) dengan permukaan. Tabel 3.9 memberikan contoh beberapa isoterm sorpsi umum dan fenomena partisi terkait. Isoterm sorpsi adalah hubungan yang menggambarkan afinitas suatu senyawa untuk zat padat dalam air atau gas pada suhu konstan (iso berarti konstan dan term mengacu pada suhu). Dua isoterm sorpsi yang tercakup dalam Tabel 3.9 adalah isoterm Freundlich dan isoterm linier. Gambar 3.9 menunjukkan hubungan antara Freundlich dan isoterm linier untuk berbagai rentang 1/n. Di sini, 1/n adalah parameter intensitas isoterm Freundlich (tanpa unit).
