Alat Penguji Kualitas Air Minum.pdf

7/21/2019 Alat Penguji Kualitas Air Minum.pdf

1/23

RANCANGAN ALAT PENGUJI KUALITAS AIR

MINUM

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

DEPARTEMEN FISIKA

UNIVERSITAS INDONESIA2014


2/23

Daftar Isi

I. LATAR BELAKANG.................................................................................................................... 3

II. LANDASAN TEORI...................................................................................................................... 4

A. Parameter Kualitas Air Minum .................................................................................................... 4

B. Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) ...................................................................................... 5

C. Fluorescence Spectroscopy (FS) .................................................................................................. 6

D. Nitrate/Nitrit Ion Detection (N2ID) ............................................................................................. 8

E. Ion Selective Electrode (ISE)........................................................................................................ 9

F. Impedance Spectrum Analysis (ISA).......................................................................................... 10

III. PERANCANGAN ALAT......................................................................................................... 13

A. Subsistem Fluorescence Spectroscopy ..................................................................................... 14

B. Subsistem Atomic Absorption Spectroscopy ............................................................................ 15

C. Subsistem Nitrate/Nitrit Ion Detection ..................................................................................... 17

D. Subsistem Ion Selective Electrode ............................................................................................ 18

E. Subsistem ISA ............................................................................................................................ 19

IV. HASIL RANCANGAN ................................................................................................................... 22

V. KESIMPULAN ................................................................................................................................. 23


3/23

I. LATAR BELAKANG

Air minum adalah salah satu kebutuhan pokok manusia. Tanpa air minum, manusia tidak dapat

bertahan hidup. Air minum yang dapat dikonsumsi manusia berbeda dengan air bersih biasa karena

memiliki standard yang harus dipenuhi terlebih dahulu. Standardisasi kualitas air minum penting

karena kandungan dalam air akan mempengaruhi kesehatan manusia secara langsung. Jika air minum

yang dikonsumsi tidak memenuhi standard maka kemungkinan besar kesehatan peminumnya akan

memburuk.

Pada daerah perkotaan, air minum yang baik mudah didapatkan. Tapi di daerah tertentu, air

minum yang layak mungkin lebih sulit didapatkan. Oleh karena itu, untuk memastikan bahwa air yang

ditemukan layak minum, air tersebut harus diuji terlebih dahulu. Pengujian ini akan memberitahu kitatentang kandungan kimiawi dan biologis air tersebut. Pengujian yang sangat komprehensif dapat

dilakukan di laboratorium. Tapi pengujian dengan akurasi yang sama sulit untuk dilakukan di

lapangan. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah alat yang mampu melakukan pengukuran dengan

akurasi yang mendekati pengukuran di laboratorium dengan kepraktisan dan portabilitas tinggi. Selain

itu, hasil pengukuran harus dapat dibaca secepatnya. Atas dasar inilah penulis merancang alat penguji

kualitas air minum yang praktis danportable.


4/23

II. LANDASAN TEORI

A.

Parameter Kualitas Air Minum

Untuk melakukan standarisasi kualitas air minum pemerintah RI mengeluatkan peraturan yang

tertuang dalam Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No.

492/MENKES/PER/IV/2010 tentang persyaratan kualitas air minum yang terdiri dari 9 pasal.

Pasal pasal yang perlu kita perhatikan untk perancangan alat uji kualitas air minum adalah

sebagai berikut :

Pasal 1 ayat 1 : Air minum adalah air yang melalui proses pengolahanatau tanpa proses

pengolahan yang memenuhi syarat kesehatan dan dapat langsung diminum.

Pasal 2 : Setiap penyelenggara air minum wajib menjamin air minum yang

diproduksinya aman bagi kesehatan

Pasal 3 ayat 1 : Ar minum aman bagi kesehatan apabila memenuhi persyaratan fisika,

mikrobiologis, kimiawi dan radioaktif yang dimuat dalam parameter wajib dan parameter

tambaan.

Pasal 3 ayat 2 : Parameter wajib sebagaimana dimaksud pada ayat 1 merupakan

persyaratan kualitas air minum yang wajib diikuti dan ditaati olehseluruh penyelenggara air

minum.

Pasal 3 ayat 3 : Pemerintah daerah dapat menetapkan parameter tambahan sesuai dengan

kondisi kualitas lingkungan daerah masing-masing dengan mengacu pada parameter tambahan

sebagaimana diatur dalam peraturan ini.

Pasal 4 ayat 1 : Untuk menjaga kualitas air minum yang dikonsumsimasyarakat

dilakukan pengawasan kualitas air minum secara ekternal dan internal.

Pasal 4 ayat 4 : Kegiatan pengawasan air minum seagaimana dimaksud dalam ayat 1

meliputi inspeksi sanitasi, pengambilan sampel air, pengujian kualitas air, analisis hasil

pemeriksaan laboratorium, rekomendasi dan tidak lanjut.

Pasal-pasal diatas dapat dijadikan landasan untuk bagaimana alat uji ini dirancang.

Parameter-parameter yang kami utamakan adalah parameter wajib, sementara itu untuk

parameter tambahan belum kami perhatikan namun dalam rancangan alat nantinya tetap

disediakan slot/jalur data untuk parameter tambahan.


5/23

Berikut ini adalah parameter wajib yang perlu diperhatikan. Air yang boleh diminum adalah air

yang mempunyai parameter-parameter dengan kadar yang lebih kecil atau sama dengan kadar

maksimum yang tercantum pada tabel.

B.

Atomic Absorption Spectroscopy (AAS)

AAS merupakan prosedur spektroanalitikal untuk menguantisasi unsur kimia menggunakan

penyerapan radiasi optis oleh atom bebas pada fase gas. Prinsip dasar yang digunakan adalah hukum

Beer-Lambert yang menghubungkan atenuasi cahaya terhadap sifat-sifat suatu bahan. Hukum Beer-

Lambert menyatakan bahwa tedapat hubungan logaritmik antara transmisi cahaya T melalui sebuah

bahan dengan koefisien atenuasi bahan dan jarak yang ditempuh cahaya melalui bahan tersebut.

Hubungan ini digambarkan dalam persamaan berikut ini.


6/23

= = =

Iodan Iadalah intensitas cahaya sumber dan intensitas cahaya setelah melewati bahan.

adalah koefisien atenuasi dan N adalah konsentrasi bahan pengatenuasi.

C.

Fluorescence Spectroscopy (FS)

Pada analisis spectrochemical, radiasi radiasi spectrum elektromagnetik digunakan untuk

mengindentifikasi kuantitas bahan kimia. Spectrum adalah hasil dari plot frekuensi vs radiasi. Seperti

ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Grafik 1. Spektrum kloroform.

Suatu foton dari radiasi elektromagnetik, didekatkan dengan persamaan

=

dimana

E = energi

h = konstanta Planck (6,62 10-34 J.s)

v = frekuensi

Dan persamaan dibawah ini:

=

dimana c adalah kecapatan cahaya (3,0 108 m/s).


7/23

Kedua persamaan tersebut disubstisi sehingga didapatkan

.

Absorption Spectrophotometry

Jika sinar radiasi ditransmitkan ke sampel kimia, itu memungkinkan sampel akan mengabsorsi

sebahagian sinar radiasi tersebut, seperti terlihat gambar dibawah ini:

Gambar 1.Peristiwa pengabsorsian cahaya oleh sampel.

Dengan menggunakan sinar radiasi ultraviolet, dapat diaplikasikan untuk mendeteksi bateri coliforms

pada air minum, yang juga dikenal dengan fluorenscence, biasanya digunakan sinar ultraviolet. Alat

untuk mendeteksinya disebut spectrofluorometer.

Spectrofluorometry

Gambar 2. Sistem sederhana spectrofluorometer.

b

Thickness

Chemical Sample

Concentration, c

Po P


8/23

Sinar radiasi dari sumber cahaya ditembakkan ke diffraction grating lalu dibiaskan ke sempel kimia

setelah melewati aperure. Sampel kimia tersebut mengabsorsi sebahagian sinar lalu sebahagiannya

dibiaskan. Sinar yang dibiaskan tersebut ditangkap oleh detector lalu diproses menjadi gambar.

Gambar 3. Coliforms yang dideteksi oleh spectrofluorometer.

D.

Nitrate/Nitrit Ion Detection (N2ID)

Sensor ion dapat didefinisikan sebagai sensor kimia yang memiliki fungsi untuk mengukur tingkat

konsentrasi ion tertentu di dalam larutan. Komponen-komponen utama dari sensor ion adalah

elektroda, elektrolit pendukung, dan ion sensitive membrane. Terdapat dua jenis sensor ion

berdasarkan prinsip kerjanya yaitu, potensiometrik dan amperometrik. Sensor ion potentiometrik

merupakan jenis yang paling banyak ditemui yaitu ion selectiveelectrode dan memegang peranan

yang cukup penting. Salah satu implementsi dari ion selective electrode (ISE) adalah pH meter, ISFET,

dan MOSFET. Dalam prinsip amperometrik dilakukan pengukuran besar arus yang terjadi sebagai

akibat reaksi ion secara kimia berbanding lurus dengan jumlah konsentrasi ion yang dideteksi. Besar

arus yang diukur mengikuti rumus hukum Nerst sebagai berikut,

=

Dengan;

I = arus (A)

n = jumlah muatan elektron dalam reaksi elektroda

F = konstata Faraday (96465 C/mol)

D = koefisien difusi (m2/s)

t = waktu (detik)


9/23

E. Ion Selective Electrode (ISE)

Mengukur konsentrasi sianida pada air dapat dilakan dengan metode potensiometris. Metode

potensiometris didasarkan pada pengukuran beda potensial yang terjadi antara sepasang Elektroda

dalam larutan, yakni Elektroda Pembanding (EP) dan Elektroda indikator (EI) ion tertentu dimana

besarannya merupakan fungsi logaritma dari aktifitas ion tertentu yang ditunjuknya. Penentuan

secara langsung suatu ion dalam larutan dimungkinkan dengan pemilihan Elektroda Indikator bagi

ion yang ingin ditentukan.

Elektroda ion selektif (Ion Selective Electrode / ISE)adalah elektroda membran yang selektif

merespon keberadaan ion lain dalam larutan, juga spesifik menyelidiki keberadaan gas dan ion

dalam larutan. Ion yang paling umum digunakan yaitu elektroda ion selektif untuk pH. Ion lain yang

dapat diukur menggunakan ISE seperti, fluor, brom, kadmium, dan gas-gas dalam larutan sepertiNH3, CO2dan NO2. Elektroda ion selektif memberikan respon potensial tertentu pada ion yang

spesifik. Untuk potensial standar digunakan potensial dari ion H+yang dipakai pada pH meter.

Perbedaan potensial yang dihasilkan diantara dua elektroda akan tergantung pada aktivitas ion yang

spesifik dalam larutan. Aktivitas ion terkait pada konsentrasi ion yang spesifik, sehingga

memungkinkan untuk analisis ukuran ion yang spesifik. Beberapa ISE telah dikembangkan untuk

beberapa ion yang berbeda.

Gambar 4. Elektroda Ion Selektif untuk Sianida.

Elektroda ion selektif termasuk yang paling umum digunakan (pH elektroda) bekerja dengan prinsip

dasar dari sel galvanik. Dengan mengukur potensial listrik yang dihasilkan oleh membran pada ion

tertentu dan dibandingkan dengan elektroda indikator. Kekuatan beda potensial yang dihasilkan

sebanding dengan konsentrasi dari ion yang terukur (selektif). Rumus dasar yang digunakan pada sel

galvani yaitu :

=

Potensial sel sebanding dengan potensial ISE dikurangi potensial reference electrode. Seperti telah

diketahui, ISE yang paling umum digunakan yaitu pH elektroda yang mengandung membran gelas

tipis yang merespon konsentrasi H+

dalam larutan. Perbedaan potensial pada permukaan membranISE ditentukan dari persamaan :


10/23

= (2.303 )

Dimana :

K = konstanta untuk menghitung semua potensial ion.

R = konstanta gas

T = temperatur

n = jumlah elektron yang berpindah

F = konstanta Faraday

a = aktivitas ion analit dalam larutan.

Dengan memplotkan potensial yang diukur versus log(a) akan diperoleh kurva linier. Penentuan

konsentrasi suatu analit tertentu menggunakan elektroda ion selektif dapat dilakukan dengan

pengukuran langsung terhadap konsentrasi atau aktivasi ion yang dikenal dengan teknik

potensiometri langsung. Dimana dalam hal ini konsentrasi atau aktivasi ion analit ditentukan melalui

kurva kalibrasi yang diperoleh dari pengukuran potensial pada konsentrasi ion standar yang telah

diketahui dengan pasti.

F.

Impedance Spectrum Analysis (ISA)

Untuk mendeteksi kandungan bakteri pada air dilakukan dengan cara menganalisa spektrum

impedansi dari sampel air. Spektrum impedansi dapat dicari dengan cara melakukan nyquist plot

dari komponen impedansi real Zredan komponen imajinernya Z im. Untuk mendapatkan kedua nilai ini

dibutuhkan suatu impedance analyzer, salah satu impedance analyzer yang mudah digunakan dan

portable adalah AD5933. Sistem terbungkus dalam satu buah IC yang dapat diinterfacekandengan

mikrokontroler via I2C.

IC AD5933 mengeluaran sinyal output berupa sinyal sinusoidal dengan frekuensi yang

berubah-ubah melalui kaki Vout. Sinyal ini diberikan pada objek kemudian diterima lagi oleh kaki

Vin. Perbedaan antara sinyal input dan output dianalisa oleh embedded sistem yang ada di IC

sehingga menghasilkan nilai Zredan Zim. Dalam mengukur impedansi air untuk mengetahui

kandungan bakteri diperlukan sensitifitas yang tinggi sehingga tidak bisa jika hanya mencelupkan

kaki Vin dan Vout ke dalam air begitu saja. Maka dari itu diperlukan metode tambahan dengan

menambahkan sistem biosensor yang dinamakan EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopic)

sensing.


11/23

Bagan 1. Blok diagram fungsional AD5933.

Gambar 5.Sistem EIS sensing. a. Sirkuit ekuivalen dari EIS; b. Nyquist plot dari sistem EIS kosong; c.

Tampak samping dari sistem EIS. Bakteri akan melewati lubang mikro dari silikon filter dan

terperangkap di bawah filter yang berada diatas interdigitated electrode; d. Model 3D dari sistem

EIS

Kedua ujung elektroda dari sistem EIS dihubungkan ke kaki Vin dan Vout pada AD5933.

Dengan EIS ini pengukuran impedansi bakteri akan semakin akurat karena terjadi penumpukan


12/23

bakteri pada elektroda. Jika ada bakteri yang terjebak pada EIS maka kurva Nyquist (di gambar b)

akan berubah.

Gambar 6. Mengubungkan EIS, AD5933, dan mikrokontroler.

Ke mikrokontroler

via I2C

Elektroda EIS


13/23

III. PERANCANGAN ALAT

Secara garis besar ada dua macam pengujian yang harus dilakukan oleh alat ini, yaitu penghitungan

jumlah bakteri dan bahan kimia anorganik terlarut. Metode yang digunakan untuk mengukur jumlah

bakteri (E.coli dan koliform) adalah FS (Fluorescence Spectroscopy) dan ISA (Impedance Spectrum

Analyzer) sedangkan untuk mengukur kandungan unsur kimia (arsen, fluorida, kromium, kadmium,

dan selenium), metode yang digunakan adalah AAS (Atomic Absorption Spectroscopy). Untuk

mengukur kandungan Nitrat dan Nitrit digunakan metode N2ID (Nitrate/Nitrite Ion Detection) dan

untuk mengukur kandungan sianida (CN-) digunakan metode ISE (Ion Selective Electrode).Tiap

proses tersebut akan dilakukan oleh subsistem sehingga alat ini setidaknya memiliki 4 subsistem,

yaitu:

1. Subsistem AAS.

2. Subsistem FS.

3. Subsistem ISA.

4. Subsistem N2ID.

5. Subsistem ISE.

Bagan 2. Diagram blok sistem Water Quality Tester..

Secara keseluruhan, sistem ini diatur oleh mikrokontroler STM32F407VGT6 yang memiliki

spesifikasi sebagai berikut.

1. CPU ARM 32-bit Cortex dengan FPU (floating point unit).

2. Frequency mencapai 168 MHz.

3. 210 DMIPS / 1.25 DMIPS/MHz (Dhrystone 2.1)

4.

Dapat menjalankan instruksi DSP secara native.

5. Memoriflash1 MB.

Kontroler(STM32F407)

Antarmuka Pengguna(touchscreen display)

Sistem penyimpanandata (SD Card)

Subsistem FS

SubsistemISA

Subsistem AAS

Subsistem N2ID

Subsistem ISE


14/23

6. 24 saluran ADC 12-bit 2.4 MSPS.

7. DAC 12-bit.

8. 140general purposes I/O ports.

9. Antarmuka 3 saluran I2C, 4 saluran USART, 3 saluran SPI, dan 2 saluran CAN.

10.

Antarmuka kamera 8-14 bit dengan kecepatan mencapai 54 MB/s.

11.True random number generator.

12.Real-time clock.

A. Subsistem Fluorescence Spectroscopy

Berikut ini adalah sistem dan Instrumentasi spectrofluorometer.

Bagan 3. Blok diagram sistem spectrofluorometer.

Bagan 4 Fflow chart sistem spectrofluorometer.


15/23

Power suplai tersebut adalah power supply tegangan tinggi yang mana memberikan supply ke lampu

merkuri sehingga lampu merkuri menghasilkan sinar. Sinar dari lampu merkuri diteruskan ke

diffraction grating untuk mendapatkan sinar ultrafioviolet. Selanjutnya sinar tersebut ditransmitkan

ke sampel setelah melewati filter. Sampel tersebut akan mengabsorsi sebahagian sinar lalu

sebahagian sinar lainnya dideteksi oleh sensor CCD (Charge-Coupled Device). Sensor CCD adalah suatu

sensor optik dimana perangkat untuk pergerakan listrik, biasanya dari dalam perangkat ke daerah

yang mana muatan dapat dimanipulasi. Dengan kata lain, CCD merubah besaran listrik menjadi optik

dan sensor CCD outputnya sudah dalam sinyal digital. Selanjutnya sinyal output dari sensor CCD

diproses oleh controller, lalu controller tersebut akan menampilkan dan menyimpan data yang sudah

diproses.

B.

Subsistem Atomic Absorption Spectroscopy

Subsistem AAS memiliki aktuator dan sensor sebagai berikut.

1.

Aktuator

a. Tabung graphitedan driver-nya.

b.

Laser dan driver-nya.

c.

Valvedan driver-nya.

2. Sensor

a.

Termokopel.

b. Fotodioda.

Ketika air sampel telah dimasukkan, pengguna akan menekan tombol Initiate AAS Sequencesehingga

kontroler akan mulai melakukan proses AAS. Berikut ini adalahflowchartsubrutin proses AAS.

Pengguna menekan

tombol Initiate AAS

Sequence.


16/23

Aktuator menutup

valvetabung

graphite.

Supercapacitor

mulai mengisi.

Setelah kapasitor penuh, discharge

dilakukan.

Termokopel akan memonitor suhu

tabun ra hite.

Laser-laser diaktifkan denganinterval 10 ms.

Fotodioda membaca intensitas

caha a laser.


17/23

Berikut ini adalah diagram blok subsistem AAS.

Bagan 5. Blok diagram AAS.

C.

Subsistem Nitrate/Nitrit Ion Detection

Berikut ini adalah diagram alur dan diagram blok dari subsistem pendeteksi ion nitrat/nitrit.

Kontroler

Pengondisi sinyal termokopel Termokopel

Pengondisi sinyal fotodioda Fotodioda

Driver Graphite Graphite

Drive Laser Laser

Servo Valve

Kontroler akan memproses data menggunakan teknikDSP dan kemudian menyimpan dan menampilkannya

pada display.

Aktuator membuka valvesetelah

suhu sampel telah mencapai 100oC.

Sensor dihubungkan dengan PC


18/23

Berikut ini adalah diagram blok untuk subsistem N2ID.

Bagan 6. Diagram blok subsistem pendeteksi ion nitrat dan nitrit.

D.

Subsistem Ion Selective Electrode

Metode potensiometris dilakukan dengan cara membaca beda potensial yang timbul antara kedua

buah elektroda, elektroda ion selektif dan elektroda referensi. Beda potensial yang timbul berbeda-

beda bergantung pada konsentrasi ion yang ada di tabung yang berisi cairan analit.

Polarisai 100 mV aktif, untuk

menghindarkan sensor dari eksitasi

berlebih

Sensor mulai membaca kadar

Nitrat/Nitrit dalam air

Data masuk ke konverter, dimana

data yang didapat berupa Arus dan

diubah menjadi tegangan

Simpan data ke PC

dan Nitrit


19/23

Bagan 7. Diagram blok subsistem ISE.

Keterangan :

1. Elektroda ion selektif (CN-)

2. Cairan analit (air sampel)

3. Elektroda pembanding (LaF3)

Beda potensial yang dari kedua elektroda sangat kecil (orde milivolt), maka dari itu

diperlukan instrumentation amplifier untuk menguatkan tegangan. Tegangan kemudian dikonversi

menjadi level digital oleh ADC dan dikirim ke kontroler utama untuk diolah dan ditampilkan sebagai

nilai konsentrasi sianida.

E.

Subsistem ISA

Gambar 7. Blok diagram sistem pendeteksi kandungan bakteri pada air.

1

2

3

Instrumentation

amplifier

-

+A/D converter

Kontroler

Utama

Display

Sistem EISAD5933

Impedance

analyzer

Mikrokontroler

(slave)

Kontroler Utama

(master)

DisplayAliran

sampel air


20/23

Untuk melakukan pengambilan data, air sampel dialirkan melalui selang kapiler ke sistem

EIS. 2 Elektroda pada EIS yang terhubung dengan Vout dan Vin pada AD5933 akan menimbulkan

beda potensial pada sampel air. Beda potensial ini menimbulkan arus listrik pada sampel air.

Besarnya arus listrik ini bergantung pada impedansi sampel, arus listrik akan semakin besar jika

impedansi sampel kecil (bedasarkan hukum Ohm). Arus ditangkap oleh kaki Vin kemudian dikonversi

menjadi tegangan oleh I-V converter di dalam AD5933 dan dikonversi menjadi level digital. Dengan

menggunakan algoritma tertentu, IC dapat membandingkan sinyal tegangan digital Vout dan Vin

sehingga didapat impedansi real dan imajinernya.

Data impedansi real dan imajiner dikirimkan ke mikrokontroler melalui interface I2C. Di

mikrokontroler kedua data ini diolah dan dikalibrasi sehingga didapat nilai yang sebenarnya. Data ini

kemudian dikirim ke kontroler utama (master) untuk ditampilkan berupa nyquist plot. Nyquist plot

menceritakan bagaimana kandungan bakteri pada sampel air ini. Di sini perlu adanya kalibrasi untuk

menentukan hubungan antara bentuk kurva dan jumlah kandungan bakterinya.

Gambar 8. Hasil kalibrasi kandungan bakteri dalam air dan plot nyquist-nya

Gambar 3 menunjukkan jika air tidak mengandung bakteri maka hasil nyquist plotnya adalah yang

berwarna hitam sedangkan kurva yang lain adalah untuk ar yang mengandung bakteri. Semakin

banyak kandungan bakteri dalam air maka kurva hasil plot nyquist semakin mengecil.

Berdasarkan peraturan pemerintah, baik bakteri E. Coli atau bakteri lainnya kandungannya

harus 0 mg/liter pada air minum standar. Maka dari itu cukuplah diambil 1 kurva nyquist sebagai

acuan untuk air bersih. Air yang sudah dijamin bersih dari bakteri diambil kurva nyquistnya oleh

sistem dan disimpan pada database. Saat sistem melakukan pengukuran sampel air yang lain dan


21/23

kurva yang didapat berbeda dengan kurva database, maka air terdiagnosa memiliki kandungan

bakteri, jika kurva sama/fitting dengan kurva database maka air tidak memiliki kandungan bakteri.


22/23

IV. HASIL RANCANGAN

Berikut ini adalahflowchartlengkap dari alat penguji kualitas air yang kami buat.


23/23

V.

KESIMPULAN

a.

Alat penguji kualitas air yang kami rancang dapat mengukur berbagai parameter yang

penting untuk menentukan kualitas air minum.

b. Alat yang dirancang memiliki portabilitas tinggi tanpa mengorbankan akurasinya.

Documents

Alat Penguji Kualitas Air Minum.pdf