M1 O 496851 M.Rizki Khoerul Fadilah Revisi

(1)

LAPORAN RINGKAS

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA

PENGARUH KECEPATAN ALIR FLUIDA TERHADAP PERFORMA PROSES ADSORPSI ASAM ASETAT DENGAN ACTIVATED CARBON

PADA PACKED BED COLUMN (O)

NAMA : M. RIZKI KHOERUL FADILAH NIM : 22/496851/TK/54449

HARI/TGL : RABU / 4 SEPTEMBER 2022 ASISTEN : VICKY FAIZAL AKBAR

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA

2024

KELOMPOK 7 POTK C - RABU

(2)

1 I. TUJUAN PERCOBAAN

Tujuan percobaan ini adalah:

1. Membuat kurva breakthrough Ct/C0 versus waktu dan Ct/C0 versus volume larutan masuk kolom packed bed.

2. Mengetahui pengaruh kecepatan aliran umpan masuk terhadap performa proses adsorpsi menggunakan activated carbon.

3. Menghitung kapasitas adsorpsi dinamis activated carbon (N0, g/L) dan konstanta kecepatan adsorpsi (Ka, L/g/menit) untuk model BDST (Bed Depth Service Time).

4. Menghitung koefisien perpindahan massa dengan pemrograman bahasa Python.

II. METODOLOGI PERCOBAAN A. Bahan

Bahan yang digunakan dalam percobaan Proses Adsorpsi dengan Activated Carbon pada Packed Bed Column adalah:

1. Asam asetat (w/w) didapat dari Laboratorium Proses Pemisahan Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada.

Hazard Asam asetat antara lain bersifat korosif, iritasi terhadap mata dan kulit, flammable, serta dapat menyebabkan keracunan bila tertelan.

Limbahnya dapat dibuang di limbah asam

2. Aquadest didapat dari Laboratorium Proses Pemisahan Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Hazard Aquadest antara lain potensi terpeleset dan potensi korsleting listrik.

Limbahnya dapat dibuang di westafel.

B. Gambar Alat

Alat-alat yang digunakan dalam percobaan Proses Adsorpsi dengan Activated Carbon pada Packed Bed Column ditunjukkan oleh gambar rangkaian alat berikut:

(3)

2 C. Cara Kerja

1. Pembuatan kurva standar konduktansi vs konsentrasi

Larutan asam asetat 0,0160 N dibuat sebanyak 1 L. Asam asetat 0,016 N diambil sebanyak 1 mL. Aquadest ditambahkan di labu ukur 1 L hingga mencapai tanda batas kemudian digojog hingga homogen.

Larutan asam asetat 0,0100 N; 0,0050 N; 0,0025 N; 0,0010 N masing- masing dibuat sebanyak 100 mL. Konduktansi larutan blangko diperoleh sebesar 1x10^-5 S/m dan larutan asam asetat pada masing-masing konsentrasi sebesar 2,3x10^-4S/m; 1,8x10^-4S/m; 1,2x10^-4S/m; 9x10^-5 S/m; dan 5x10^-5S/m.

2. Penyiapan Kolom Packed Bed

Kolom dicuci dengan membuka kran 12, dialirkannya aquadest degan debit yang cukup besar ke dalam kolom dengan diumpankan oleh pompa. Hal tersebut dilakukan guna karbon aktif dapat tercuci sampai bersih yang ditandai dengan konduktansi larutan keluar kolom sama dengan konduktansi aquadest masuk kolom.

3. Peneraan Flowmeter

Keterangan : 1. Tombol on/off 2. Packed bed column 3. Pompa

4. Flowmeter 5. Gelas beker 6. Kran pengeluaran 7. Gelas ukur

Gambar 1. Rangkain Lata Percobaan Adsorpsi

(4)

3 Aquadest disiapkan secukupnya, kemudian diumpankan ke dalam kolom dengan debit flowmeter sebesar 15 cm³/min dengan posisi kran 12 tertutup dan ditunggu hingga overflow. Kran pengeluaran dibuka dan diatur hingga diperoleh overflow yang konstan. Aquadest yang keluar dari kran pengeluaran selama 1 menit ditampung dan diukur volumenya.

Kondisi overflow dipertahankan pada posisi yang sama selama percobaan. Percobaan diulangi hingga diperoleh tiga data sebesar 25 mL, 24 mL, dan 22 mL. Hal tersebut diulangi untuk debit aliran 25 cm³/min diperoleh volumenya sebesar 32, mL, 31 mL, dan 35 mL serta untuk debit 35 cm³/min diperoleh volumenya sebesar 42 mL, 41 mL, 44 mL.

4. Mengukur konsentrasi larutan keluar kolom

Larutan asam asetat 0,0160 N dibuat sebanyak 1 liter. Larutan asam asetat 0,0160 N diumpankan ke dalam kolom dengan debit diatur tetap sebesar 15 cm³/min, ditunggu hingga overflow, kemudian kran pengeluaran dibuka. Larutan yang keluar dari kran pengeluaran ditampung selama 1 menit dengan gelas ukur, kemudian volumenya dicatat. Cairan yang sudah ditampung, kemudian dimasukkan ke gelas beker dan diukur konduktansinya dengan konduktometer. Ketiga langkah tersebut diulang tiap 1 menit hingga nilai konduktansi larutan asam asetat yang keluar sama dengan nilai konduktansi larutan asam asetat yang masuk. Setelah sampel terakhir diambil, kolom dicuci dengan aquadest hingga konduktansi larutan keluar kolom sama dengan konduktansi aquadest.

5. Langkah 2, 3, dan 4 diulang sebanyak 2 kali, masing-masing untuk debit pada flowmeter diatur tetap sebesar 25 cm³/min dan 35 cm³/min.

III. ANALISIS DATA

A. Membuat kurva standar konduktansi versus konsentrasi

Data konsentrasi larutan asam asetat berbagai konsentrasi dikonversikan menjadi kurva standar yang menampilkan hubungan

(5)

4 konduktansi dan konsentrasi larutan. Pada percobaan, diperoleh data konsentrasi larutan asa asetat dengan konduktasi sebagai berikut:

Larutan Konduktansi, S/m

Aquadest 1,000 x 10^-5

Larutan asam asetat 0,01600 N 2,3000 x 10^-4 Larutan asam asetat 0,01000 N 1,8000 x 10^-4 Larutan asam asetat 0,00500 N 1,2000 x 10^-4 Larutan asam asetat 0,00250 N 9,0000 x 10^-5 Larutan asam asetat 0,00100 N 5,0000 x 10^-5

Menggunakan Microsoft Excel, dilakukan plotting antara konsentrasi larutan dengan konduktansi larutan sehingga didapatkan persamaan berikut:

𝑦 = 276911𝑥² − 5,9386𝑥 (1)

dengan,

y = konsentrasi larutan asam asetat, N x = konduktansi larutan asam asetat, S/m

B. Membuat kurva breakthrough dan menentukan waktu breakthrough

1. Kurva breakthrough dibuat dengan memplotkan data Ct/C0 versus waktu maupun volume larutan umpan masuk kolom, dimana Ct

merupakan konsentrasi larutan asam asetat keluar kolom sebagai produk dan C0 merupakan konsentrasi larutan asam asetat umpan masuk kolom. Konsentrasi larutan didapatkan menggunakan persamaan (1) dengan substitusi konduktansi terukur, kemudian dapat dihitung nilai Ct/C0. Contoh perhitungan data pada debit 15 cm³/menit pada waktu 1 menit dengan nilai konduktansi sebesar 5x10^-6S/m adalah:

𝑦 = 276911 × (5,0000 × 10⁻⁶)²+ 5,9386 × (5,0000 × 10⁻⁶ ) Tabel I. Data Konduktansi Larutan Asam Asetat Berbagai Konsentrasi

(6)

5 𝑦 =3,6616 × 10⁻⁵ 𝑁

𝐶_𝑡

𝐶₀ =3,6616 × 10⁻⁵

0,0160 = 2,29 × 10⁻³

Dengan perhitungan yang sama, diperoleh nilai Ct/C0 pada berbagai konsentrasi dan debit larutan umpan sebagai berikut:

Waktu, menit

Volume, mL

Konduktansi,

S/m Ct, N

𝐶_𝑡 𝐶₀

0 0 0 0 0

1 14 5,00x10^-6 3,6616×10-5 0,0023

2 32 2,40x10^-5 3,0203×10-4 0,0189

3 48 7,00x10^-5 1,7726×10-3 0,1108

4 64 1,10x10^-4 4,0039×10-3 0,2502

5 78 1,40x10^-4 6,2589×10-3 0,3912

6 92 1,40x10^-4 6,2589×10-3 0,3912

7 103 1,70x10^-4 9,0123×10-3 0,5633

8 119 1,80x10^-4 0,010041 0,6276

9 133 1,90x10^-4 0,011125 0,6953

10 148 1,90x10^-4 0,011125 0,6953

11 164 2,00x10^-4 0,012264 0,7665

12 179 2,00x10^-4 0,012264 0,7665

13 193 2,10x10^-4 0,013459 0,8412

14 207 2,10x10^-4 0,013459 0,8412

15 221 2,10x10^-4 0,013459 0,8412

Waktu, menit

Volume, mL

Konduktansi,

S/m Ct, N

𝐶_𝑡 𝐶₀ Tabel II. Data Hasil Perhitungan Konsentrasi Larutan Asam Asetat

Keluar Kolom dengan Debit Larutan Umpan 15 cm3/menit

Tabel III. Data Hasil Perhitungan Konsentrasi Larutan Asam Asetat Keluar Kolom dengan Debit Larutan Umpan 25 cm3/menit

(7)

6

0 0 0 0 0

1 21 0,00007 1,7726x10^-3 0,1108

2 40 0,00004 6,8060x10^-4 0,0425

3 59 0,00009 2,7775x10^-3 0,1736

4 77 0,00015 7,1213x10^-3 0,4451

5 97 0,00018 1,0041x10^-2 0,6276

6 115 0,00019 1,1125x10^-2 0,6953

7 135 0,0002 1,2264x10^-2 0,7665

8 155 0,0002 1,2264x10^-2 0,7665

9 175 0,0002 1,2264x10^-2 0,7665

Waktu, menit

Volume, mL

Konduktansi,

S/m Ct, N

𝐶_𝑡 𝐶₀

0 0 0 0 0

1 24 0,000029 4,0510x10^-4 0,0253

2 49 0,00004 6,8060x10^-4 0,0425

3 74 0,000093 2,9473x10^-3 0,1842

4 98 0,00015 7,1213x10^-3 0,4451

5 126 0,00019 1,1125x10-2 0,6953

6 152 0,0002 1,2264x10-2 0,7665

7 177 0,0002 1,2264x10-2 0,7665

8 202 0,0002 1,2264x10-2 0,7665

Waktu breakthrough diketahui dari grafik Ct/C0 vs waktu saat nilai Ct/C0

adalah 0,05 (Andreiadis, 2005). Karena tidak ada nilai Ct/C0 tepat 0,05;

maka dilakukan interpolasi data. Contoh perhitungan waktu breakthrough pada debit aliran 20 cm³/menit adalah:

𝑡 = 3 − 2

0,1108 − 0,0189 𝑥 (0,1108 − 0,05) − 3) 𝑡 = 2,3386 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

Tabel IV. Data Hasil Perhitungan Konsentrasi Larutan Asam Asetat Keluar Kolom dengan Debit Larutan Umpan 35 cm3/menit

(8)

7 Dengan perhitungan yang sama, waktu breakthrough pada berbagai variasi debit aliran fluida dapat ditentukan:

No. Debit umpan, cm³/menit Waktu breakthrough, menit

1. 15 2,3386

2. 25 2,0569

3. 35 2,0527

C. Menghitung (v) Kecepatan Linier Larutan Umpan (cm/menit) Persamaan perhitungan kecepatan linier larutan umpan adalah:

𝑣 =𝑄 𝐴

(2) dengan,

𝑣 = kecepatan linier, cm/menit

𝑄 = debit flowmeter hasil peneraan, cm³/menit 𝐴 = luas kolom packed bed, cm²

Debit flowmeter hasil peneraan merupakan volume rata-rata saat penampungan fluida keluar dari kolom selama 1 menit pada langkah peneraan flowmeter. Luas kolom packed bed merupakan luas penampang dari kolom yang digunakan. Debit flowmeter hasil peneraan dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

𝑉_{𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒} =𝑉₁+ 𝑉₂+ 𝑉₃ 3

(3)

𝑄 =𝑉_{𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒} 𝑡

(4) dengan,

𝑉_𝑎𝑣𝑔 = volume rata-rata cairan yang tertampung, cm³ V1 = volume cairan penampungan pertama, cm³ V2 = volume cairan penampungan kedua, cm³ V3 = volume cairan penampungan ketiga, cm³ 𝑄 = debit flowmeter hasil peneraan, cm³/menit

Tabel V. Data Hasil Perhitungan Konsentrasi Larutan Asam Asetat Keluar Kolom dengan Debit Larutan Umpan

(9)

8 𝐴 = luas penampang kolom packed bed, cm²

Luas penampang kolom packed bed belum diketahui, persamaan untuk menghitung luas penampang kolom packed bed adalah sebagai berikut:

𝐴 =𝜋

4× 𝐷² (5)

dengan,

𝐴 = luas penampang kolom packed bed, cm² D = diameter kolom packed bed, cm

Contoh perhitungan kecepatan linear saat debit umpan 15 cm³/menit:

Perhitungan volume rata-rata:

𝑉_𝑎𝑣𝑔= 25 + 25 + 22

3 = 23,6667 𝑐𝑚³ Perhitungan debit flowmeter hasil peneraan:

𝑄 =23,6667 𝑐𝑚³

1 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 = 23,6667 𝑐𝑚³/𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 Perhitungan luas penampang kolom packed bed:

𝐴 =𝜋

4× (2,39 𝑐𝑚)² = 4,4762 𝑐𝑚² Perhitungan kecepatan linear aliran fluida:

𝑣 =23,6667 𝑐𝑚³/𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

4,4762 𝑐𝑚² = 5,2871 𝑐𝑚/𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

Dengan cara perhitungan yang sama, diperoleh data kecepatan linear fluida tiap variasi debit umpan sebagai berikut:

No. Debit umpan, cm³/menit 𝑣, cm/menit

1. 15 5,2871

2. 25 7,2978

3. 35 9,4573

Tabel VI. Data Hasil Perhitungan Nilai Kecepatan Linear Fluida Tiap Variasi Debit Umpan Masuk Kolom

(10)

9 D. Menghitung N0 kapasitas adsorpsi dinamis (gram/L) dan Ka konstanta kecepatan adsorpsi dengan model persamaan BDST (Bed Depth Service Time)

Model persamaan BDST (Bed Depth Service Time) pertama kali dikenalkan pada tahun 1920 untuk mengevaluasi kinerja packed bed column oleh Bohartand Adams dalam studi yang mereka lakukan terkait proses adsorpsi klorin dalam charcoal. Persamaan BDST menggambarkan hubungan linier antara service time dengan kedalaman lapisan, sesuai dengan persamaan berikut:

𝑡 = 𝑁₀

𝐶₀. 𝑣𝑍 − 1

𝑘. 𝐶₀𝑙𝑛 (𝐶₀

𝐶_𝑡− 1) (6)

Menggunakan linearisasi, didapatkan persamaan:

𝑦 = 𝑏 − 𝑎𝑥 (7)

𝑦 = 𝑡 (8)

𝑥 = 𝑙𝑛 (^𝐶⁰

𝐶_𝑡− 1) (9)

𝑎 = ¹

𝑘.𝐶0 (10)

𝑏 = ^𝑁⁰

𝐶₀.𝑣𝑍 (11)

dengan,

𝑡 = service time, menit 𝑧 = tinggi resin, cm

𝐶₀ = konsentrasi larutan asam asetat dalam umpan masuk kolom, gram/L 𝐶_𝑡 = konsentrasi larutan asam asetat keluar kolom pada waktu t, gram/L 𝑁₀ = kapasitas adsorpsi dinamis, gram/L

k = konstanta kecepatan adsorpsi, L/gram/menit 𝑣 = kecepatan linier larutan umpan, cm/menit

Nilai N0 dan k didapatkan dengan plotting nilai -ln(C0/Ct – 1) terhadap waktu.

Dengan plotting tersebut, didapatkan persamaan yang dapat menggambarkan persamaan (6). Pada percobaan ini digunakan packed bed column dengan tinggi 35 cm.

(11)

10 Contoh perhitungan nilai -ln(C0/Ct – 1) pada debit umpan masuk 15 cm³/menit saat waktu 1 menit (t = 1 menit) adalah sebagai berikut:

−𝑙𝑛 (𝐶₀

𝐶_𝑡− 1) = −𝑙𝑛 ( 0,0160

3,6615 × 10⁻⁵− 1) = − 6,0776

Dengan perhitungan yang sama, diperoleh nilai -ln(C0/Ct – 1) pada berbagai nilai variasi debit umpan masuk dan waktu packed bed column sebagai berikut:

Waktu, menit

−𝑙𝑛 (𝐶₀ 𝐶_𝑡 − 1) Debit umpan

15 cm³/menit

Debit umpan 25 cm³/menit

0 - - -

1 -6,0776 -2,0827 -3,6506

2 -3,9508 -3,1139 -3,1139

3 -2,0827 -1,5604 -1,4881

4 -1,0973 -0,2206 -0,2206

5 -0,4424 0,5217 0,8250

6 -0,4424 0,8250 1,1887

7 0,2544 1,1887 1,1887

8 0,5217 1,1887 1,1887

9 0,8250 1,1887 1,1887

10 0,8250 1,1887 1,1887

11 1,1887 1,1887 1,1887

12 1,1887 1,1887 1,1887

13 1,6670 1,1887 1,1887

14 1,6670 1,1887 1,1887

15 1,6670 1,1887 1,1887

Tabel VII. Data Hasil Perhitungan Nilai -ln(C0/Ct – 1) Pada Berbagai Nilai Variasi Debit Umpan Masuk dan Waktu

(12)

11 Data nilai –ln(C0/Ct -1) tersebut digunakan untuk plotting selanjutnya terhadap waktu, sehingga dihasilkan persamaan regresi linear tiap variasi debit umpan masuk packed bed column.

Persamaan regresi linear pada debit umpan masuk packed bed column sebesar 15 cm³/menit adalah:

𝑦 = 1,5416𝑥 + 7,9039 (12)

𝑦 = 1,2309𝑥 + 4,7811 (13)

𝑦 = 0,9126𝑥 + 4,4825 (14)

Contoh perhitungan nilai N0 dan k pada debit fluida masuk packed bed column 15 cm³/menit adalah sebagai berikut:

Perhitungan nilai C0:

𝐶₀ = 0,0160𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 𝐵𝑀_𝐶𝐻₃_{𝐶𝑂𝑂𝐻}

𝐶₀ = 0,0160𝑚𝑜𝑙

𝐿 × 60𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑚𝑜𝑙 𝐶₀ = 0,9600𝑔𝑟𝑎𝑚

𝐿

Perhitungan nilai k:

1

𝑘. 𝐶₀ = 1,5416 1

𝑘 × 0,9600 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐿

= 1,5416

𝑘 = 0,6757 𝐿 𝑔𝑟𝑎𝑚. 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 Perhitungan nilai N0:

𝑁₀

𝐶₀. 𝑣𝑧 = 7,9039

(13)

12 𝑁₀

0,9608 𝑔𝑟𝑎𝑚

𝐿 × 5,2871 𝑐𝑚 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

× 35 𝑐𝑚 = 7,9039

𝑁₀ = 1,1462 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐿

Sehingga, nilai N0 dan k pada berbagai variasi debit fluida masuk packed bed column dapat dihitung dan didapatkan data sebagai berikut:

Debit umpan 35 cm³/menit 𝑣, cm/menit 5,2871 7,2978 9,4573

1

𝑘. 𝐶₀ 1,5416 1,2309 0,9126

𝑁₀

𝐶₀. 𝑣𝑧 7,9039 4,7811 4,4825

𝑁₀ (^{𝑔𝑟𝑎𝑚}

𝐿 ) 1,1462 0,9570 1,1628

𝑘 ( 𝐿

𝑔𝑟𝑎𝑚. 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡) 0,6757 0,8463 1,1414

E. Menghitung Koefisien Perpindahan Massa dan Difusivitas Efektif

𝜕𝐶_𝐴

𝜕𝑧 +𝐾_𝑐𝑎

𝑣 (𝐶_𝐴− 𝐶_𝐴^∗) = −𝜀_𝑏 𝑣

𝜕𝐶_𝐴

𝜕𝑡

(15) IC dan BC untuk persamaan di atas:

Keadaan awal: CA (z,0) = 0 Keadaan batas: CA (0,t) = CA in

CA (L,t) = CA out

dengan,

𝐾_𝑐𝑎= koefisien transfer massa, 1/menit v = laju alir fluida, cm/menit

R = jari-jari adsorben, cm

Tabel VIII. Nilai N0 dan k Hasil Perhitungan pada Berbagai Variasi Debit Fluida Masuk Packed Bed Column

(14)

13 CA = konsentrasi asam asetat dalam larutan, N

CA in= konsentrasi asam asetat umpan, N

CA*= konsentrasi asam asetat dalam interface fluida padatan yang setimbang dengan konsentrasi asam asetat dalam padatan, N

𝜀_𝑏 = porositas bed t = waktu, menit diketahui persamaan:

𝑑𝑋_𝐴 𝑑𝑡 =𝐾_𝑐𝑎

𝜌 (𝐶_𝐴− 𝐶_𝐴^∗) (16)

dengan,

𝑋_𝐴= koefisien asam asetat dalam padatan, mg 𝐾_𝑐𝑎= koefisien transfer massa, 1/menit

CA = konsentrasi asam asetat dalam larutan, N

CA* = konsentrasi asam asetat dalam interface fluida padatan yang setimbang dengan konsentrasi asam asetat dalam padatan, N

𝜌 = densitas adsorben, g/cm³ t = waktu, menit

Persamaan di atas dapat dihitung menggunakan metode numerik Finite Difference Approximation atau FDA dengan penjabaran persamaan berikut:

𝐶_𝐴^𝑖+1,𝑗− 𝐶_𝐴^𝑖,𝑗

∆𝑧 +𝐾𝑐𝑎

𝑣 (𝐶_𝐴^𝑖,𝑗− 𝐶_𝐴^∗) = −𝜀 𝑣

𝐶_𝐴^𝑖,𝑗− 𝐶_𝐴^{𝑖,𝑗−1}

∆𝑡

(17)

𝐶_𝑖+1^𝑗 − 𝐶_𝑖^𝑗

∆𝑧 +𝐾_𝑐𝑎

𝑣 (𝐶_𝑖^𝑗− √(𝑋_𝐴 𝐾𝑊)

1 𝑛

) = −𝜀 𝑣

𝐶_𝑖^𝑗+1− 𝐶_𝑖^𝑗

∆𝑡

(18)

−𝑣∆𝑡

𝜀∆𝑧(𝐶_𝑖+1^𝑗 − 𝐶_𝑖^𝑗) +−𝐾_𝑐𝑎∆𝑡

𝜀 (𝐶_𝑖^𝑗− 𝑋_𝐴 𝐾𝑊

𝑛

) = 𝐶_𝑖^𝑗+1− 𝐶_𝑖^𝑗 (19) α = −^𝑣∆𝑡_𝜀∆𝑧 β = ^−𝐾^𝑐_𝜀^𝑎∆𝑡 (20)

𝛼(𝐶_𝑖+1^𝑗 − 𝐶_𝑖^𝑗) + 𝛽 (𝐶_𝑖^𝑗− 𝑋_𝐴 𝐾𝑊

𝑛

) = 𝐶_𝑖^𝑗+1− 𝐶_𝑖^𝑗 (21) 𝛼𝐶_𝑖+1^𝑗 + (𝛽 + 1 − 𝛼)𝐶_𝑖^𝑗− 𝛽 𝑋_𝐴

𝐾𝑊

𝑛

= 𝐶_𝑖^𝑗+1 (22)

(15)

14 Untuk mempermudah perhitungan, persamaan hasil penjabaran FDA tersebut dapat dihitung menggunakan Spyder yang berbasis Python. Nilai Kca tiap debit ditunjukkan pada tabel berikut:

Debit (cm³/menit) Kca = 1/menit

23,6667 0.0222

32,1667 0.0275

42,3333 0.0393

F. Menghitung Konstanta Kesetimbangan dengan Metode Freundlich 𝑋_𝐴

𝑊 = 𝐾(𝐶_𝐴^∗)^𝑛¹ (23)

Menggunakan metode regresi linear, didapatkan persamaan berikut:

log (𝑋_𝐴

𝑊) = log 𝐾 +1

𝑛log (𝐶_𝐴^∗) (24)

𝑦 = 𝑚. 𝑥 + 𝑐 (25)

dengan,

𝑋_𝐴/𝑊= fraksi massa adsorbat dalam adsorben, mg/g padatan K = konstanta keseimbangan Freundlich

W = massa adsorben yang digunakan n = konstanta adsorpsi

CA*= konsentrasi asam asetat dalam interface fluida padatan yang setimbang dengan konsentrasi asam asetat dalam padatan, N

𝑦 = log (𝑋_𝐴 𝑊) 𝑐 = log 𝐾 𝑚 =¹

𝑛 𝑥 = log(𝐶_𝐴^∗)

Tabel IX. Nilai Kca Tiap Debit Fluida

(16)

15 Nilai K dapat diketahui dengan plotting log(𝐶_𝐴^∗) terhadap log (^𝑋^𝐴

𝑊) dan dilakukan regresi linier.

K = 0,4866

1

𝑛 = 0,2423 𝑛 = 4,1271

E. Coding Python

"""

ANDAT KODE O KELOMPOK 7 POTK C

"""

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt from scipy.integrate import odeint from numpy.linalg import solve as solve from scipy.optimize import minimize as mini

#%%

D = 2.39 #cm, diameter kolom R = D/2

L = 35 #cm, panjang kolom E = 0.75 #porositas

Rho = 1 #g/cc, densitas air sepern = 0.2423

Ca_1 = np.array([0.0000, 3.6616E-05, 3.0203E-04, 1.7726E-03, 4.0039E-03, 6.2589E-03, 6.2589E-03, 9.0123E-03, 1.0041E-02, 1.1125E-02, 1.1125E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.3459E-02, 1.3459E-02, 1.3459E-02])

(17)

16 Ca_2 = np.array([0.0000, 1.7726E-03, 6.8060E-04, 2.7775E-03, 7.1213E-03, 1.0041E-02, 1.1125E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02])

Ca_3 = np.array([0.0000, 4.0510E-04, 6.8060E-04, 2.9473E-03, 7.1213E-03, 1.1125E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02, 1.2264E-02])

t_p = np.array([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]) n = 1/sepern

W = 70 #gram, massa karbon aktif K = 0.486631256

Q = np.array([23.6666, 32.6667, 42.3333]) #cc/min, debit aliran S = np.pi/4*D*2 #cm*2, luas penampang

Ca0 = 0.0160 Xa0 = 0 z0 = 0 t0 = 0

t = 15 #menit Nz = 50

Kca_trial = 0.000016

zspan = np.linspace(0, L, Nz) tspan_1 = t_p[0:len(Ca_1)]

tspan_2 = t_p[0:len(Ca_2)]

tspan_3 = t_p[0:len(Ca_3)]

tspan = np.array([tspan_1, tspan_2, tspan_3]) Nt_1=len(Ca_1)

Nt_2=len(Ca_2) Nt_3=len(Ca_3)

Nt=np.array([Nt_1,Nt_2,Nt_3]) dz = zspan[1] - zspan[0]

dt = t_p[1] - t_p[0]

tol = 1e-5

(18)

17

#%%

def ODE (Xa, t, Kca):

Kca_trial = 0.000016 a = Kca_trial/Rho b = Xa/(K*W) c = 1/n

dXadt = a*(Ca0 - (b)**(c)) return dXadt

def trial (Kca_trial, Q, orde):

v = Q/S

Kca_t = tuple([Kca_trial])

Xa = odeint(ODE, Xa0, tspan[orde], args = Kca_t) alpa = -dt*v/(2*E*dz)

beta = -dt*3*Kca_trial/E/R Ca = np.zeros([Nz, Nt[orde]]) A = np.zeros([Nz, Nz]) B = np.zeros([Nz, 1])

#IC

Ca[:,0] = 0 A[0,0] = 1 B[0] = Ca0 #BC

A[Nz-1, Nz-1] = 3 A[Nz-1, Nz-2] = -4 A[Nz-1, Nz-3] = 1 B[Nz-1] = 0 j = 1

while j < Nt[orde]:

for i in range (1, Nz-1):

A[i,i-1] = alpa

(19)

18 A[i,i] = 1 - beta

A[i,i+1] = -alpa

B[i] = Ca[i, j-1] - beta*Xa[j]

x = solve(A,B)

for k in range (0, len(x)):

Ca[k,j] = x[k]

j+=1 return Ca

def SSE_aww (Kca, Q, Ca_Data, orde):

Ca_Hitung = np.zeros(len(Ca_Data)) for i in range (0, len(Ca_Data)):

Ca_Hitung[i] = trial(Kca, Q, orde)[-1,i]

SSE_Total = np.zeros(len(Ca_Data)) for i in range (0, len(Ca_Data)):

SSE_Total[i] = (Ca_Data[i] - Ca_Hitung[i])**2 SSE = sum(SSE_Total)

return SSE z = Kca_trial

#%%

Hasil_1 = mini(SSE_aww, z, args = (Q[0], Ca_1, 0)) Hasil_2 = mini(SSE_aww, z, args = (Q[1], Ca_2, 1)) Hasil_3 = mini(SSE_aww, z, args = (Q[2], Ca_3, 2)) Kca_1 = Hasil_1.x

Kca_2 = Hasil_2.x Kca_3 = Hasil_3.x SSE_1 = Hasil_1.fun SSE_2 = Hasil_2.fun SSE_3 = Hasil_3.fun

Ca_P1 = trial(Kca_1, Q[0], 0) Ca_P2 = trial(Kca_2, Q[1], 1) Ca_P3 = trial(Kca_3, Q[2], 2)

(20)

19 Kca_1_t = tuple([Kca_1])

Kca_2_t = tuple([Kca_2]) Kca_3_t = tuple([Kca_3])

Xa_1 = odeint(ODE, Xa0, tspan[0], args = Kca_1_t) Xa_2 = odeint(ODE, Xa0, tspan[1], args = Kca_2_t) Xa_3 = odeint(ODE, Xa0, tspan[2], args = Kca_3_t)

#%%

Ca_1_Plot = np.zeros(Nt[0]) Ca_2_Plot = np.zeros(Nt[1]) Ca_3_Plot = np.zeros(Nt[2]) for i in range (1, Nt[0]):

Ca_1_Plot[i] = Ca_P1[-1,i]

for i in range (1, Nt[1]):

for i in range (1, Nt[2]):

#%%

plt.figure(0)

plt.plot(tspan[0], Ca_1_Plot, 'r', tspan[1], Ca_2_Plot, 'b', tspan[2], Ca_3_Plot, 'y')

plt.legend(['Q = 15 cm3/menit (Perhitungan)', 'Q = 25 cm3/menit (Perhitungan)', 'Q = 35 cm3/menit (Perhitungan)'])

plt.xlabel('Waktu, min') plt.ylabel('Konsentrasi A')

plt.title('Distribusi Konsentrasi Perhitungan') plt.grid()

#%%

garis = 87*('_') gar = 50*('-')

Ca_End = np.array([Ca_1_Plot[-1], Ca_2_Plot[-1], Ca_3_Plot[-1]]) Kca_Total = np.array([Kca_1[0], Kca_2[0], Kca_3[0]])

(21)

20 SSE_Total = np.array([SSE_1, SSE_2, SSE_3])

Ca_End_Data = np.array([Ca_1[-1], Ca_2[-1], Ca_3[-1]])

print('Tabel Koefisien Transfer Massa dan Konsentrasi untuk Berbagai Debit Alir pada z = 35 cm')

print(garis)

header = ('Q', 'Kca', 'Ca Perhitungan', 'Ca Data', 'SSE')

print('|{:^15s}|{:^15s}|{:^17s}|{:^15s}|{:^20s}|'.format(*header)) tabel = np.zeros([len(Q), 5])

tabel[:,0] = Q

tabel[:,1] = Kca_Total tabel[:,2] = Ca_End tabel[:,3] = Ca_End_Data tabel[:,4] = SSE_Total print(garis)

for baris in tabel:

print('|{:^15.4f}|{:^15.4f}|{:^17.4f}|{:^15.4f}|{:^20.8f}|'.format(*baris)) print(garis)

print('Perbandingan Ca Perhitungan dan Ca Data pada Q = 15 cc/menit') print(gar)

header = ('t', 'Ca Perhitungan', 'Ca Data')

print('|{:^5s}|{:^20s}|{:^20s}|'.format(*header)) tabel = np.zeros([len(tspan[0]), 3])

tabel[:,0] = tspan[0]

tabel[:,1] = Ca_1_Plot tabel[:,2] = Ca_1 print(gar)

for baris in tabel:

print('|{:^5.0f}|{:^20.8f}|{:^20.8f}|'.format(*baris)) print(gar)

(22)

21 header = ('t', 'Ca Perhitungan', 'Ca Data')

for baris in tabel:

header = ('t', 'Ca Perhitungan', 'Ca Data')

for baris in tabel:

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Adsorpsi adalah proses penyerapan zat cair atau padat pada permukaan dan pori-pori suatu padatan. Proses ini tergolong metode pemisahan yang relatif sederhana karena hanya melibatkan kontak antara cairan dan padatan. Dalam adsorpsi, terdapat dua komponen utama, yaitu adsorben dan adsorbat. Adsorben adalah zat yang menyerap, dalam percobaan ini berupa karbon aktif yang ditempatkan di dalam kolom. Sementara itu, adsorbat adalah zat yang diserap, dalam hal ini adalah larutan asam asetat 0,0160 N yang digunakan dalam percobaan.

Proses adsorpsi terjadi karena adanya gaya tarik menarik antara adsorben dan

(23)

22 adsorbat, yang dikenal sebagai gaya Van der Waals antara permukaan adsorben dan molekul adsorbat.

Adsorpsi dibagi menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia.

Adsorpsi fisika terjadi karena adanya gaya Van der Waals antara adsorben dan adsorbat. Pada adsorpsi ini, molekul yang menempel pada adsorben terikat dengan lemah dan dapat dilepaskan kembali dengan mudah karena hanya bergantung pada gaya Van der Waals. Sebaliknya, adsorpsi kimia melibatkan pembentukan ikatan kimia, seperti ikatan kovalen, yang menghasilkan gaya ikat lebih kuat antara adsorben dan adsorbat, sehingga cenderung tidak dapat dibalik (irreversible).

Adsorpsi kimia juga memerlukan kondisi operasi yang lebih spesifik dibandingkan dengan adsorpsi fisika, yang dapat berlangsung pada suhu ruangan tanpa syarat khusus. Dalam percobaan ini, adsorpsi antara larutan asam asetat dan karbon aktif termasuk dalam kategori adsorpsi fisika. Adsorpsi ini membutuhkan energi aktivasi yang rendah dan dapat berlangsung pada suhu ruangan. Gaya tarik menarik antara adsorben dan adsorbat relatif lemah, sehingga molekul yang menempel pada adsorben mudah diambil kembali. Gaya tarik yang lemah ini juga memudahkan proses pencucian, di mana cukup dengan aliran aquadest untuk membersihkan kolom.

Dalam proses adsorpsi, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja dan kecepatan adsorpsi, antara lain:

1. Karakteristik Adsorben

Ukuran dan luas permukaan adsorben sangat berperan dalam menentukan kecepatan dan kinerja adsorpsi. Semakin besar luas permukaan adsorben, semakin banyak kapasitas adsorpsi yang tersedia. Luas permukaan yang lebih besar juga memungkinkan lebih banyak tempat untuk proses adsorpsi, mempercepat lajunya.

Adsorben padat biasanya memiliki luas permukaan yang lebih besar daripada ukuran sebenarnya karena sifatnya yang berpori.

2. Karakteristik Adsorbat dan Adsorben

Kelarutan adsorbat sangat mempengaruhi proses adsorpsi. Beberapa adsorbat sulit diserap oleh adsorben tertentu, begitu pula sebaliknya. Pemilihan adsorben

(24)

23 yang tepat sangat penting untuk memastikan kemampuan optimal dalam menyerap adsorbat, dan karakteristik keduanya akan mempengaruhi laju adsorpsi.

3. Temperatur Adsorpsi

Adsorpsi merupakan proses eksotermik, sehingga peningkatan suhu dapat mempercepat laju adsorpsi.

4. Durasi Kontak

Semakin lama adsorben dan adsorbat berinteraksi, semakin banyak adsorbat yang dapat diserap. Namun, kecepatan adsorpsi akan menurun seiring waktu karena permukaan adsorben akan jenuh dengan adsorbat. Waktu kontak tidak selalu berbanding lurus dengan jumlah adsorbat yang terserap, karena adsorben memiliki kapasitas terbatas.

5. pH

pH memengaruhi adsorpsi berdasarkan keasaman adsorbat. Pada pH rendah (kondisi asam), adsorpsi cenderung lebih mudah, sedangkan pada pH tinggi (kondisi basa), adsorpsi juga dapat lebih mudah tergantung sifat adsorbat.

6. Pengadukan

Pengadukan mempercepat laju adsorpsi dengan meningkatkan frekuensi kontak antara adsorben dan adsorbat.

Dalam percobaan ini, karbon aktif dipilih sebagai adsorben karena memiliki luas permukaan dan area kontak yang besar. Pori-pori pada karbon aktif meningkatkan kecepatan dan kapasitas adsorpsi, dengan ukuran pori yang optimal—tidak terlalu kecil agar molekul adsorbat dapat masuk, namun juga tidak terlalu besar agar proses adsorpsi tetap efisien. Selain karbon aktif, zeolit dan silica gel bisa menjadi alternatif adsorben, namun keduanya tidak digunakan karena memiliki luas permukaan dan kontak yang lebih kecil dibandingkan karbon aktif.

Beberapa asumsi yang digunakan dalam percobaan ini untuk menyederhanakan perhitungan adalah:

1. Larutan asam asetat yang digunakan bebas dari pengotor, sehingga pengukuran konduktivitas dengan konduktometer dapat dilakukan secara akurat.

(25)

24 2. Larutan asam asetat diaduk hingga homogen, sehingga tidak terjadi gradien

konsentrasi dalam larutan.

3. Suhu dianggap tetap selama proses adsorpsi, sehingga proses dianggap berlangsung secara isothermal.

4. Tidak ada channeling dalam kolom adsorpsi, sehingga proses berjalan optimal.

Guna menyederhanakan perhitungan dan menghilangkan ketidak-idealan, digunakan beberapa asumsi berikut :

1. Tidak ada pengotor dalam semua larutan asam asetat yang digunakan, sehingga pengukuran konduktansi menggunakan konduktometer dapat akurat.

2. Larutan asam asetat yang dibuat telah diaduk hingga homogen sehingga tidak ada gradien konsentrasi tiap volume larutan.

3. Suhu selama proses adsorpsi dianggap tetap sehingga proses adsorpsi dianggap sebagai proses isothermal.

4. Tidak terjadinya channeling pada proses adsorpsi menggunakan kolom sehingga proses adsorpsi dapat berjalan secara optimal.

5. Hanya asam asetat yang teradsopsi pada karbon aktif, sehingga konduktansi larutan menggambarkan pengurangan konsentrasi larutan asam asetat hasil adsorpsi keluar kolom secara akurat.

Hanya asam asetat yang teradsorpsi oleh karbon aktif, sehingga perubahan konduktivitas mencerminkan penurunan konsentrasi asam asetat dengan akurat.Percobaan diawali dengan pencucian kolom packed bed kemudian melakukan proses peneraan flowmeter. Peneraan flowmeter bertujuan untuk mengetahui debit dan kecepatan aliran sesungguhnya dari larutan asam asetat. Debit sesungguhnya dilakukan dengan set float pada ketinggian tertentu, memastikan terjadi overflow sehingga dalam kondisi steady state, kemudian dilakukan penampungan aquadest tiap waktu (1 menit). Penampungan ini dilakukan dengan debit fluida yang berbeda ditandai dengan ketinggian float. Kecepatan aliran fluida dapat diketahui dengan membagi debit fluida dengan luas penampang kolom. Dari

(26)

25 hasil perhitungan, didapatkan data debit flowmeter 15 cm3/menit memiliki laju alir sebesar 5,2871 cm/menit. Debit flowmeter 25 cm3/menit menghasilkan laju alir fluida sebesar 7,2978 cm/menit. Debit flowmeter 35 cm3/menit menghasilkan laju alir fluida sebesar 9,4573 cm/menit.

Kurva breakthrough adalah grafik yang menunjukkan hubungan antara perbandingan konsentrasi larutan asam asetat yang keluar dari kolom terhadap konsentrasi larutan yang masuk (Ct/C0) seiring waktu. Kurva ini menggambarkan kinerja adsorpsi dan digunakan untuk menentukan apakah telah terjadi kesetimbangan, yang ditandai dengan nilai Ct/C0 mendekati satu. Ketika nilai Ct/C0

mendekati satu, adsorben telah mencapai titik jenuh dan tidak dapat lagi menyerap larutan asam asetat, sehingga proses berada dalam kondisi steady state.

Langkah pertama dalam percobaan ini adalah penentuan kurva standar hubungan antara konduktasi larutan asam asetat dengan konsentrasi asam asetat.

Kurva standar akan digunakan untuk konversi konduktansi larutan asam asetat menjadi konsentrasi larutan asam asetat. Larutan asam asetat yang diukur konduktansinya adalah larutan asam asetat 0,0160 N, 0,01 N, 0,005 N, 0,0025 N, dan 0,001 N yang hasilnya dapat dilihat pada gambar berikut:

y = 276911x²+ 5.9386x R² = 0.9991

0.0000 0.0020 0.0040 0.0060 0.0080 0.0100 0.0120 0.0140 0.0160 0.0180

0.00E+00 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 2.50E-04

Konsentrasi, N

Konduktansi, S/m

Kurva Standar Konduktansi vs Konsentrasi

(27)

26 Berdasarkan kurva pada gambar 2 dapat disimpulkan semakin tinggi konsentrasi asam laktat, maka akan semakin tinggi pula konduktansi yang terukur.

Hal tersebut sejalan dengan teori yang menyatakan bahwa semakin tinggi konsentrasi asam asetat, semakin banyak ion yang terdapat dalam larutan, sehingga meningkatkan kemampuan larutan untuk menghantarkan listrik. Persamaan hubungan konsentrasi dengan konduktansi larutan asam asetat dapat dicari menggunakan regresi dan didapatkan persamaan berikut:

𝑦 = 445809𝑥² − 20,5800x + 0,0005 (26)

Langkah selanjutnya adalah pembuatan kurva breakthrough, kurva breakthrough bertujuan unutk menggambarkan perbandingan konsentrasi larutan asam asetat keluar kolom dengan konsentrasi asam asetat masuk kolom (Ct/C0) terhadap waktu. Kurva breakthrough pada debit aliran 15 cm³/menit, 25 cm³/menit, 35 cm³/menit ditunjukkan pada gambar berikut:

Gambar 2. Kurva Standar Hubungan Konsentrasi dengan Konduktansi Larutan Asam Asetat

0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000

0 5 10 15 20

C/Co

Waktu (menit)

Kurva Breakthough C/Co vs. Waktu

15 cm3/menit 25 cm3/menit 35 cm3/menit

(28)

27 Berdasarkan kurva pada gambar 3 dapat diamati bahwa nilai Ct/C0 meningkat seiring bertambahnya waktu percobaan. Hal ini disebabkan oleh semakin penuhnya adsorben dengan molekul asam asetat seiring waktu, hingga mencapai titik jenuh.

Akibatnya, laju dan kinerja adsorpsi menurun seiring berjalannya waktu. Pada grafik juga terlihat bahwa semakin tinggi debit aliran yang masuk, semakin cepat waktu untuk mencapai nilai Ct final. Hal ini karena debit yang lebih tinggi menyebabkan lebih banyak larutan asam asetat berinteraksi dengan karbon aktif, sehingga kondisi jenuh tercapai lebih cepat.

Waktu breakthrough adalah waktu ketika nilai Ct/C0 mencapai 0,5. Setelah titik ini, kemampuan adsorben untuk menyerap adsorbat akan menurun secara signifikan, yang ditandai dengan perlambatan kenaikan nilai Ct/C0. Berdasarkan perhitungan, waktu breakthrough untuk debit fluida 15 cm³/menit adalah 2,3386 menit, untuk debit 25 cm³/menit adalah 2,0569 menit, dan untuk debit 35 cm³/menit adalah 2,0527 menit.

Berdasarkan hasil percobaan, ditemukan bahwa waktu breakthrough menurun dengan meningkatnya debit aliran fluida. Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa semakin besar debit aliran, semakin banyak larutan asam asetat yang berinteraksi dengan karbon aktif per satuan waktu. Akibatnya, waktu breakthrough akan semakin singkat seiring peningkatan debit aliran. Selain itu, waktu breakthrough juga dipengaruhi oleh tinggi kolom dan konsentrasi awal larutan asam asetat. Semakin tinggi kolom, luas permukaan karbon aktif yang tersedia untuk adsorpsi meningkat, sehingga lebih banyak molekul asam asetat yang dapat teradsorpsi. Dengan demikian, waktu breakthrough akan bertambah seiring dengan kenaikan tinggi kolom. Konsentrasi awal asam asetat juga berpengaruh, di mana konsentrasi yang lebih tinggi berbanding terbalik dengan waktu breakthrough, sesuai dengan persamaan C0/Ct.

Gambar 3. Kurva Breakthrough Hubungan Ct/C0 terhadap Waktu

(29)

28 Selain Ct/C0 terhadap waktu, Ct/C0 juga dapat digambarkan terhadap volume larutan asam asetat yang tertampung sesuai dengan grafik berikut:

Berdasarkan grafik di atas dapat disimpulkan dengan peningkatan debit aliran fluida, maka akan semakin besar volume fluida tertampung tiap waktu. Hal ini mengakibatkan volume breakthrough yang semakin kecil.

Bed Depth Service Time merupakan model yang digunakan untuk menggambarkan proses adsorpsi pada packed bed column. Pada proses ini dihubungkan menggunakan regresi linear antara -ln[(C0/Ct)-1] dengan waktu untuk mendapatkan variabel adsorpsi seperti kapasitas adsorpsi dinamis (N0) dan konstanta kecepatan adsorpsi (Ka).

Kapasitas adsorpsi merupakan banyaknya adsorbat yang yang mampu terakumulasi pada permukaan adsorben. Kapasitas adsorpsi tersebut dapat

Gambar 4. Kurva Breakthrough Hubungan Ct/C0 terhadap Volume

0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000

0 100 200 300 400

C/Co

Volume (mL)

Kurva Breakthrough C/Co vs. Volume

15 cm3/menit 25 cm3/menit 35 cm3/menit

(30)

29 diperoleh setelah dilakukan optimasi parameter yang mempengaruhi adsorpsi (Kurniawan, 2010). Konstanta kecepatan adsorpsi merupakan banyaknya adsorbat yang mampu terakumulasi pada permukaan adsorben tiap satuan waktu.

Kurva BDST pada variasi debit aliran 15 cm3/menit, 25 cm3/menit, dan 35 cm3/menit ditunjukkan oleh gambar berikut:

Grafik tersebut menggambarkan bahwa nilai nilai -ln[(C0/Ct)-1] berbanding lurus dengan service time. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu maka Ct akan semakin besar karena molekul-molekul asam asetat yang menempel pada karbon aktif akan semakin tinggi hingga dalam kondisi jenuh. Peningkatan Ct tiap waktu juga akan meningkatkan nilai -ln[(C0/Ct)-1] tiap waktu karena Ct berbanding lurus dengan nilai -ln[(C0/Ct)-1]. Persamaan regresi linier dan r-squared data pada debit aliran 20 cm³/menit adalah:

𝑦 = 1,5416𝑥 + 7,9039 (27)

𝑅² = 0,8006 (28)

Gambar 5. Kurva BDST pada Debit Aliran Fluida 15 cm3/menit

y = 1.5416x + 7.9039 R² = 0.8006

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

-7.0000 -6.0000 -5.0000 -4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000 0.0000 1.0000 2.0000 3.0000

Kurva BDST Flowmeter 15 cm

³

/menit

(31)

30 Menggunakan persamaan regresi linier tersebut dapat dihitung nilai N0 dan Ka adsorpsi. Dari hasil perhitungan, didapatkan nilai N0 adalah 1,1462 gram/L dan nilai Ka sebesar 0,6757 L/(gram.menit).

Kurva BDST untuk debit aliran fluida 25 cm³/menit digambarkan pada grafik berikut:

𝑦 = 1,2309𝑥 + 4,7811 (29)

𝑅² = 0,8693 (30)

y = 1.2309x + 4.7811 R² = 0.8693

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000 0.0000 1.0000 2.0000

Kurva BDST Flowmeter 25 cm

³

/menit

(32)

31 Dari persamaan regresi linier tersebut dapat dihitung nilai N0 dan Ka adsorpsi.

Dari hasil perhitungan, didapatkan nilai N0 adalah 0,9570 gram/L dan nilai Ka

sebesar 0,8463 L/(gram.menit).

Kurva BDST untuk debit aliran fluida 35 cm³/menit digambarkan pada grafik berikut:

𝑦 = 0,9126𝑥 + 4,4825 (31)

𝑅² = 0,9721 (32)

y = 0.9126x + 4.4825 R² = 0.9721

0 1 2 3 4 5 6 7

-4.0000 -3.0000 -2.0000 -1.0000 0.0000 1.0000 2.0000

Kurva BDST Flowmeter 35 cm

³

/menit

(33)

32 Dari persamaan regresi linier tersebut dapat dihitung nilai N0 dan Ka adsorpsi.

Dari hasil perhitungan, didapatkan nilai N0 adalah 1,1628 gram/L dan nilai Ka

sebesar 1,1414 L/(gram.menit).

Dari ketiga data yang didapatkan, diperoleh bahwa semakin besar debit dan laju alir fluida pada suatu packed bed column, maka nilai N0 akan konstan dan juga nilai Ka akan semakin kecil. Hal ini bersimpangan dengan teori. Menurut teori, semakin tinggi laju aliran fluida maka kapasitas adsorpsi akan konstan karena kapasitas adsorpsi merupakan fungsi luas permukaan dan bukan fungsi debit fluida masuk. Nilai Ka pada percobaan ini tidak sesuai dengan teori, dimana seharusnya meningkatkan laju aliran fluida maka akan kecepatan adsorpsi juga meningkat. Hal ini dikarenakan ketika debit aliran fluida meningkat, waktu kontak antara fluida dan karbon aktif berkurang. Ini berarti molekul asam asetat mungkin tidak memiliki cukup waktu untuk terdifusi ke dalam pori-pori karbon aktif dan teradsorpsi dengan efektif. Akibatnya, meskipun debit aliran meningkat, laju adsorpsi efektif menurun, sehingga nilai ka berkurang. Pada debit yang sangat tinggi, aliran fluida juga cenderung melewati bagian tertentu dari kolom, menyebabkan aliran yang tidak merata atau fenomena channeling. Ketika hal ini terjadi, sebagian besar media adsorben tidak dimanfaatkan dengan baik, sehingga mengurangi efektivitas adsorpsi dan menyebabkan nilai ka menurun meskipun debit meningkat. Jika aliran tinggi menyebabkan konsentrasi molekul asam asetat lebih terfokus pada area tertentu dari karbon aktif, area tersebut bisa cepat mencapai saturasi. Hal ini menyebabkan kapasitas adsorpsi di area tersebut menurun, meskipun ada peningkatan debit, dan mengakibatkan penurunan ka secara keseluruhan. Jika aliran tinggi juga dapat menyebabkan konsentrasi molekul asam asetat lebih terfokus pada area tertentu dari karbon aktif, area tersebut bisa cepat mencapai saturasi. Hal ini menyebabkan kapasitas adsorpsi di area tersebut menurun, meskipun ada peningkatan debit, dan mengakibatkan penurunan ka secara keseluruhan.

Pada percobaan ini menghitung konstanta kesetimbangan dengan Metode Freundlich. Metode Freundlich merupakan metode yang digunakan untuk mencari

(34)

33 hubungan empiris antara molekul yang teserap oleh adsorben pada tekanan dan temperatur tertentu. Pada percobaan ini, digunakan data dummy sebagai berikut:

K = 0,4866 1/n = 0,2423 n = 4,127115147

Koefisien transfer massa dapat dihitung menggunakan penentuan nilai K dan n secara trial and error pada aplikasi Spyder dengan Bahasa Python. Koefisien perpindahan massa (Kca) pada percobaan dilakukan melalui Spyder dan perbandingan hasil konsentrasi asam asetat keluar kolom hasil perhitungan dan percobaan ditunjukkan oleh gambar berikut:

Data hasil perhitungan tersebut, didapatkan nilai Kca yang berbanding lurus dengan peningkatan debit aliran fluida. Hal ini berbanding terbalik teori dimana peningkatan debit aliran fluida akan menurunkan waktu kontak antara larutan asam asetat dengan karbon aktif, sehingga koefisien transfer massa yang lebih rendah.

Penyimpangan ini terjadi karena pengukuran konduktansi yang kurang akurat oleh konduktometer, selain itu dikarenakan pencucian kolom yang kurang bersih sebelum memulai percobaan variasi debit aliran fluida.

Selanjutnya, kurva konsentrasi larutan asam asetat terhadap waktu dengan variasi debit fluida hasil perhitungan ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 8. Hasil Perhitungan Kca pada Variasi Debit Fluida

(35)

34 Data pada grafik tersebut menunjukkan bahwa konsentrasi larutan asam asetat akan meningkat tiap bertambahnya waktu hingga dalam keadaan jenuh dan menghasilkan sistem yang steady state pada waktu 13 hingga 15 menit. Kondisi steady state ini diartikan bahwa konsentrasi larutan asam asetat tidak akan mengalami kenaikan karena adsorban sudah dalam kondisi jenuh. Dari data perhitungan juga didapatkan bahwa konsentrasi kondisi steady state meningkat seiring dengan kenaikan debit aliran fluida masuk kolom. Hal ini sudah sesuai dengan teori dimana kenaikan debit aliran fluida akan menurunkan nilai kapasitas adsorpsi dinamis (N0), sehingga konsentrasi larutan asam asetat di dalam kolom saat steady state akan semakin besar.

Perbandingan antara konsentrasi larutan asam asetat hasil percobaan dengan perhitungan pada variasi debit aliran fluida ditunjukkan oleh gambar berikut:

Gambar 9. Kurva Distribusi Konsentrasi Larutan Asam Asetat Terhadap Waktu dengan Variasi Debit Aliran Fluida

(36)

35 Gambar 10. Perbandingan Konsentrasi Larutan Asam Asetat Hasil

Percobaan dengan Perhitungan pada Debit 15 cm³/menit

Gambar 11. Perbandingan Konsentrasi Larutan Asam Asetat Hasil Percobaan dengan Perhitungan pada Debit 25 cm³/menit

(37)

36 Data dari grafik menunjukkan bahwa terdapat perbedaan antara konsentrasi larutan asam asetat hasil percobaan dengan perhitungan. Perbedaan ini diakibatkan karena pengukuran konduktansi menggunakan konduktometer yang kurang akurat. Selain itu, proses pencucian kolom tiap sebelum percobaan masih kurang optimal sehingga masih tersisa molekul asam asetat pada karbon aktif dan mengurangi performa dan laju adsorpsi.

Aplikasi dari proses adsorpsi pada industri-industri kima masih sangat masif digunakan, beberapa contoh dari aplikasi adsorpsi adalah:

1. Penjernihan air limbah

Banyak cairan limbah produksi yang masih mengandung pengotor atau limbah berbahaya yang perlu dihilangkan. Oleh karena itu, digunakan proses adsorpsi untuk menghilangkan kandungan berbahaya pada limbah.

Contoh dari aplikasi ini adalah penggunaan karbon aktif dalam pengolahan limbah cair tahu.

2. Pemurnian air

Gambar 12. Perbandingan Konsentrasi Larutan Asam Asetat Hasil Percobaan dengan Perhitungan pada Debit 35 cm³/menit

(38)

37 Pada industri pengolahan air, digunakan proses adsorpsi seperti penambahan tawas yang dapat mengadsorpsi dan menghilangkan zat-zat pengotor dalam air

3. Pemutihan gula tebu

Pada proses pengolahan gula dari tebu, akan dihasilkan cairan berwarna coklat dengan mengandung beberapa pengotor di dalamnya. Oleh karena itu, digunakan proses adsorpsi untuk memutihkan cairan menjadi gula dan mengangkat pengotor yang masih terkandung.

Limbah yang dihasilkan pada percobaan ini adalah larutan asam asetat berbagai konsentrasi dan sisa aquadest. Limbah larutan asam asetat berbagai konsentrasi dapat dibuang di tempat penampungan limah non-halogen, sedangkan aquadest sisa dapat dibuang di wastafel.

V. KESIMPULAN

Kesimpulan dari percobaan ini adalah:

1. Debit aliran berpengaruh pada waktu breakthrough dan waktu mencapai steady state. Semakin tinggi debit aliran cairan, maka waktu breakthrough akan semakin kecil dan semakin cepat mencapai steady state.

2. Peningkatan debit aliran cairan akan berbanding terbalik dengan performa adsorpsi yang ditandai dengan penurunan kapasitas adsorpsi dinamis (N0) dan naiknya konstanta kecepatan adsorpsi (Ka) yang berbanding terbalik dengan performa adsorpsi. Selain itu, peningkatan debit aliran cairan akan berbanding terbalik dengan nilai koefisien transfer massa.

3. Nilai N0 dan Ka variasi debit aliran cairan yang didapatkan adalah:

a. Saat v = 5,2872 cm/menit; nilai N0 = 1,1462 gram/L; nilai Ka = 0,6757 L/gram/menit.

b. Saat v = 7,2978 cm/menit; nilai N0 = 0,9570 gram/L; nilai Ka = 0,8463 L/gram/menit.

c. Saat v = 9,4574 cm/menit; nilai N0 = 1,1628 gram/L; nilai Ka = 1,1414 L/gram/menit.

4. Nilai koefisien perpindahan massa yang diperoleh adalah sebagai berikut.

(39)

38 a. Pada Q = 23,6667 cm³/menit, nilai Kca = 0,0556 / menit.

b. Pada Q = 32,1667 cm³/menit, nilai Kca = 0,0691 / menit.

c. Pada Q = 42,3333 cm³/menit, nilai Kca = 0,0986 / menit.

VI. DAFTAR PUSTAKA

Aljamali, N., Alfatlawi, I. and A Khdur, R., 2021. Physical and Chemical Adsorption and its Applications.

Anggriani, Ulfa. 2021. Kinetika Adsorpsi Karbon Aktif Dalam Penurunan Konsentrasi Logam Tembaga (Cu) dan Timbal (Pb). Jurnal Universitas Indonesia.

Mantell, C.L. (1951) Adsorption. New York u.a.: McGraw-Hill.

McCabe, W. L., Smith, J. C. & Harriot, P., 1993. Unit Operation of Chemical Engineering. 5th ed. Singapore: McGraw-Hill Book Co..

Oscik, J. (1983) Adsorption. Chichester: Ellis Horwood.

Ismadji, S., Soetaredjo, F. E., Santoso, S. P., Putro, J. N., Yuliana, M., Irawaty, W., Hartono, S. B., & Lunardi, V. B. (2021). Adsorpsi pada fase cair:

Kesetimbangan, kinetika, dan termodinamika.

Setyorini, D., Arninda, A., Syafaatullah, A. Q., & Panjaitan, R. (2023). Penentuan Konstanta Isoterm Freundlich dan Kinetika Adsorpsi Karbon Aktif Terhadap Asam Asetat. Eksergi, 20(3), 149.

Welasih, T. (2006). PENENTUAN KOEFISIEN PERPINDAHAN MASSA LIQUID SOLID DALAM KOLOM PACKED BED DENGAN METODE ADSORPSI. Jurnal Teknik Kimia UPN Veteran Jatim, 1(01), 133501.

(40)

39 Monde, J. (2018). Pengaruh Penggunaan Tipe Packing dalam Pemisahan CO2 Menggunakan K2CO3 Berpromotor DEA dengan Metode Absorpsi Reaktif dalam Reaktor Packed Column.

Setiawan, A., Bawafi, M. I. A., Ramadani, T. A., & Santiasih, I. (2021). Sintesis Karbon Aktif Limbah Lumpur Aktif Industri Gula sebagai Adsorben Limbah Logam Berat Cu(II).

Kosim, M. E., Siskayanti, R., Prambudi, D., & Rusanti, W. D. (2022).

PERBANDINGAN KAPASITAS ADSORPSI KARBON AKTIF DARI KULIT SINGKONG DENGAN KARBON AKTIF KOMERSIL

TERHADAP LOGAM TEMBAGA DALAM LIMBAH CAIR

ELEKTROPLATING. Jurnal Redoks, 7(1), 36–47.

Asisten, Yogyakarta, 8 April 2023

M. Rizki Khoerul Fadilah Praktikan,

Vicky Faizal Akbar

Yogyakarta, 4 September 2024

(41)

40

(42)

41

(43)

42

(44)

43 POIN PENILAIAN LAPORAN RINGKAS

ADSORPSI (O)

NAMA: M. RIZKI KHOERUL FADILAH NIM : 22/596851/TK/54449

Komponen Penilaian Nilai Revisi Max

Tujuan Percobaan 5

Metodologi Percobaan 10

Analisis Data 20

Hasil dan Pembahasan 50

1 Pengertian adsorpsi 2

2 Mekanisme adsorpsi secara umum 3

3 Penjelasan singkat Langkah kerja praktikum, data yang diperoleh setiap langkah, dan analisis data yang dilakukan

3

4 Faktor yang mempengaruhi adsoprsi dan penjelasannya 3 5 Alasasn digunakannya activated carbon (berikan juga

contoh adsorben lainnya)

3

6 Asumsi yang digunakan 2

7 Alasan dilakukan peneraan flowmeter 2

8 Alasan penggunaan kurva breakthrough pada percobaan ini

3

9 Penjelasan kurva breakthrough variasi debit (ketiga debit dijadikan satu grafik)

5

10 Bandingkan dan beri penjelasan kurva breakthrough yang diperoleh dari bercobaan ini dengan referensi

3

11 Penjelasan waktu breakthrough dan kaitannya dengan performa adsorpsi

3

(45)

44 12 Penjelasan kurva model BDST (masing masing model

dibuat 1 kurva)

3

13 Pembahasan mengenai kapasistas adsoprsi dinamis (No, g/L) serta konstanta kecepatan adsorpsi (Ka, L/g/menit)

5

14 Pengaruh debit larutan umpan terhadap waktu breakthrough dengan service time

3

15 Penjelasan koefisien perpindahan massa yang diperoleh dari python

5

16 Aplikasi proses adsorpsi dalam industri 2

Kesimpulan 10

Daftar Pustaka 2

Lampiran Script Python 3

Total 100