Upload
nuril-hidayati
View
233
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
1/145
UNIVERSITAS INDONESIA
PENYISIHAN AMONIA DARI AIR LIMBAH
MENGGUNAKAN GABUNGAN PROSES MEMBRAN
DAN OKSIDASI LANJUT DALAM REAKTOR HIBRIDA
OZON-PLASMA MENGGUNAKAN LARUTAN PENYERAP
ASAM SULFAT
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Teknik
SILVIA RAHMI EKASARI
1106029805
UNIVERSITAS INDONESIA
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
DEPOK
JANUARI 2013
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
2/145
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Tesis ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Silvia Rahmi Ekasari
NPM : 1106029805
Tanda Tangan :
Tanggal : Januari 2013
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
3/145
HALAMAN PENGESAHAN
Tesis ini diajukan oleh
Nama : Silvia Rahmi EkasariNPM : 1106029805
Program Studi : Teknik Kimia
Judul Tesis : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan
Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut
dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan
Larutan Penyerap Asam Sulfat
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima
sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelarMagister pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
Indonesia.
DEWAN PENGUJI
Pembimbing I : Prof.Ir.Sutrasno Kartohardjono, MSc.PhD ( )
Pembimbing II : Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA ( )
Penguji I : Dr. Ir. Nelson Saksono, M. T. ( )
Penguji II : Dr. Ing. Donni Adinata, S. T. M. Eng. Sc. ( )
Penguji III : Ir. Amien Raharjo, M. T. ( )
Ditetapkan di : Depok
Tanggal : Januari 2013
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
4/145
KATA PENGANTAR
Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan
rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan tesis dengan judul Penyisihan AmoniaDari Air Limbah Menggunakan Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut
dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan Larutan Penyerap Asam
Sulfat. Penulisan tesis ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat
untuk mencapai gelar Master Teknik Jurusan Teknik Kimia pada Fakultas Teknik
Universitas Indonesia.
Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai
pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan tesis ini, sangatlah sulit
bagi penulis untuk menyelesaikan tesis ini. Oleh karena itu, penilis mengucapkan
terima kasih kepada :
(1)
Bapak Prof. Ir. Sutrasno Kartohardjono, M.Sc. Ph.D dan Prof.Dr. Ir. SetijoBismo, DEA selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu,
tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan tesis ini;(2) Bapak Ir. Mahmud Sudibandriyo, MSc. PhD selaku dosen pembimbing
akademik selama masa perkuliahan dan Prof. Dr. Ir. Widodo W.
Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen Teknik Kimia FTUI serta
Dr.Ir. Nelson Saksono,MT. dan I Dr.Ing. Donni Adinata, ST., M.Eng.,
Sc. dan Ir. Amien Raharjo, M. T. yang telah memberikan banyak
masukan;
(3) Taufan Azwar Zamzami suami tercinta, kedua orang tua Sjaroni,
MPdI dan Dra. Fasichatus Saniyah serta adik saya M. Hilmi Khoirul
Umam yang telah memberikan dukungan baik secara moral maupunmaterial;
(4) Rekan satu penelitian saya, Fanny Rahmalia teman satu bimbingan
Samantha Juliana, Hutama Prastika, dan teman-teman S2 Teknik Kimia
angkatan 2011 yang telah bersedia berdiskusi dan saling mendukung
satu sama lain selama proses kuliah dan penyelesaian tesis ini;
(5)
Mbak Tiwi, Mang Ijal, Kang Jajat, Mas Heri dan Mas Taufik atas
bantuannya pada saat penulis melakukan penelitian.
Penulis menyadari bahwa dalam proposal tesis ini masih terdapat banyak
kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang
membangun sehingga dapat menyempurnakan proposal tesis ini dan
melaksanakan perbaikan di masa yang akan datang. Semoga tulisan ini dapat
bermanfaat bagi para pembaca dan bagi dunia pendidikan dan ilmu pengetahuan.
Depok, Januari 2013
Penulis
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
5/145
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akedemik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama : Silvia Rahmi Ekasari
NPM : 1106029805
Program Studi : Teknik Kimia
Departemen : Teknik Kimia
Fakultas : Teknik
Jenis Karya : Tesis
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepadaUniversitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusif Royalty-
Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan
Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut
dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan
Larutan Penyerap Asam Sulfat
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas RoyaltiNoneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalih media/
formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan
memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai
penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Ditetapkan di : Depok
Tanggal: Januari 2013
Yang Menyatakan
(Silvia Rahmi Ekasari)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
6/145
ABSTRAK
Nama : Silvia Rahmi Ekasari
Program Studi : Teknik KimiaJudul : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan
Gabungan Proses Membran dan Oksidasi Lanjut
dalam Reaktor Hibrida Ozon-Plasma Menggunakan
Larutan Penyerap Asam Sulfat
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis efektivitas penyisihan
amonia dengan kombinasi proses absorbsi dalam membran dan oksidasi lanjut
menggunakan reaktor hibridaozon plasma. Serta mengetahui pengaruhpenambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap
proses penyisihan amonia dalam kontaktor membran menggunakan larutan
penyerap asam sulfat (H2SO4). Variabel proses pada proses penyisihan amonia
menggunakan membran adalah laju alir umpan (3, 4, 5 LPM), pH larutan umpan
(10, 11, 12), temperatur umpan (20, 30, 40oC) dan jumlah serat membran (50, 60,
70 serat). Penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma
dapat meningkatkan jumlah amonia yang akan disisihkan oleh kontaktor
membran. Konfigurasi gabungan absorbsi dalam membran dan proses oksidasi
lanjut dalam RHOP dapat meningkatkan penyisihan amonia menjadi 81,3%
dengan konsentrasi amonia tersisa 149.568 ppm sedangkan pada proses tunggal
membran yang hanya dapat menyisihkan amonia sebesar 63,9 %. Kodisi operasioptimum dalam penelitian ini diperoleh pada temperatur 400C, pH 11 dan jumlah
serat membran 70.
Kata kunci: amonia,larutan penyerap asam sulfat, membran, oksidasi
lanjut, ozon, danreaktor hibrida ozon-plasma
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
7/145
ABSTRACT
Name : Silvia Rahmi Ekasari
Study Programme : Chemical EngineeringTitle : Ammonia Removal from Wastewater Through a
Combination of Membrane Process and Advanced
Oxidation Process in a Ozone-Plasma Hybrid Reactor
with Sulfuric Acid Solution as Absorbent.
In this experiment liquid waste ammonia will be removedby combination
of the absorption process in the membrane and advanced oxidation using RHOP
(ozone-plasma hybrid reactor). The effect addition of advanced oxidation
processes in RHOP for ammonia removal process in the membrane contactor
using absorbent solution of sulfuric acid (H2SO4). Process variables on ammoniaremoval process using membranes is feed flow rate (3, 4, 5 LPM), the pH of feed
solution (10, 11, 12), feed temperature (20, 30, 40 C) and the amount of fiber
membrane (50, 60, 70 fibers). The addition of advanced oxidation processes in a
hybrid ozone plasma reactor can increasing the amount of ammonia that will be
set aside by the membrane contactor. Configuring the combined absorption in the
membrane and advanced oxidation processes in RHOP can increase ammonia
removal to 81.3 % with concentrations149.568 ppm, compared with the single
membrane process that can only be set aside ammonia by 63,9 %. Optimum
operation in this study were obtained at a temperature of 400C, pH 11, and the
number of fibers 70.
Keywords : absorbent solution of sulfuric acid, amonia, membrane, advanced
oxidation, ozone, and ozone-plasma hybrid reactor
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
8/145
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL............................................................................................................. iHALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS................................................................ ii
HALAMAN PENGESAHAN.............................................................................................. iii
KATA PENGANTAR.......................................................................................................... iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR.. .......... v
ABSTRAK............................................................................................................................. vi
DAFTAR ISI......................................................................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR............................................................................................................ xi
DAFTAR TABEL................................................................................................................. xiii
BAB I PENDAHULUAN.................................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................................ 1
1.2 Rumusan Masalah .......................................................................................... 3
1.3
Tujuan Penelitian ............................................................................................ 3
1.4 Batasan Masalah ............................................................................................ 3
1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 5
2.1 Amonia ........................................................................................................... 5
2.1.1 Sifat Amonia .......................................................................................... 5
2.1.2 Kesetimbangan Amonia dan Ammonium dalam Air ............................. 7
2.2 Kontaktor Membran ....................................................................................... 8
2.2.1 Kontaktor Membran Serat Berongga ..................................................... 9
2.2.2 Membran Polivinil Klorida .................................................................... 11
2.2.3 Pelarut Asam Sulfat. 12
2.2.4 Aplikasi Penggunaan Membran Serat Berongga untuk Penyisihan
Amonia dengan Pelarut Asam Sulfat.. 13
2.3 Advanced Oxidation Process.......................................................................... 14
2.3.1Teknologi Plasma .................................................................................. 15
2.3.2Ozon ...................................................................................................... 18
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
9/145
2.3.3Aplikasi Penggunaan Reaktor Hibrida Ozon-Plasma untuk Penyisihan
Amonia.............. 20
2.4
Penelitian yang Sudah Dilakukan ................................................................... 21
BAB III METODE PENELITIAN..................................................................................... 27
3.1 Sasaran Penelitian .......................................................................................... 27
3.2 Tahapan Penelitian ........................................................................................ 27
3.3 Set upPeralatan dan Bahan Penelitian ........................................................... 28
3.3.1 Peralatan yang Digunakan ..................................................................... 28
3.3.2 Bahan yang Digunakan .......................................................................... 29
3.4 Prosedur Penelitian ......................................................................................... 30
3.4.1 Uji Plasma dan Ozon ............................................................................. 30
3.4.1.1 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Plasma Ozon ................. 30
3.4.1.2 Uji Kinerja Reaktor Hibrida Plasma Ozon ................................ 31
3.4.2 Uji Perpindahan Massa .......................................................................... 33
3.4.2.1 Proses Membran ........................................................................ 33
3.4.2.2 Proses Hibrida Plasma dan Ozon............................................... 34
3.4.2.3 Proses Gabungan Reaktor Hibrida Plasma Ozon dan Membran....... 35
3.5 Pengolahan dan Analisis Data ........................................................................ 36
3.5.1 Persen Penyisihan Ammonia (% R) ...................................................... 37
3.5.2 Menghitung Koefisien Perpindahan Massa ........................................... 37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN............................................................... 39
4.1
Penyisihan Amonia Terlarut dalam Limbah Sitetis ........................................ 39
4.1.1Proses Penyisihan dalam RHOP......... 39
4.1.2 Proses Penyisihan dalam RHOP-Ozon .................................................. 41
4.1.3 Proses Penyisihan dalam Membran ....................................................... 434.1.3.1 Pengaruh Laju Alir Umpan ....................................................... 43
4.1.3.2 Pengaruh Temperatur Umpan .................................................... 44
4.1.4 Proses Penyisihan dalam Membran-RHOP dan Gabungan Membran-
RHOP-Ozon ......................................................................................... 45
4.1.4.1 Pengaruh Temperatur Umpan .................................................... 45
4.1.4.2 PengaruhpH Umpan ................................................................. 47
4.1.4.3 Pengaruh Serat Membran .......................................................... 49
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
10/145
4.1.5 Perbandingan dengan Referensi ............................................................ 51
4.2 Studi Perpindahan Massa ............................................................................... 52
4.2.1 Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Perpindahan Massa ................. 53
4.2.2 PengaruhpH Umpan terhadap Perpindahan Massa .............................. 55
4.2.3 Pengaruh Laju Alir Umpan dan Jumlah Serat Membran terhadap
Perpindahan Massa ................................................................................ 58
BAB V SIMPULAN DAN SARAN..................................................................................... 63
DAFTAR PUSTAKA........................................................................................................... xiv
LAMPIRAN 1 DATA PENGAMATAN
LAMPIRAN 2 PENGOLAHAN DATA
LAMPIRAN 3 GAMBAR ALAT
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
11/145
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Struktur Kimia Amonia ................................................................................. 6Gambar 2.2 PengaruhpH pada Distribusi Amonia dan Ammonium Dalam Air .............. 7
Gambar 2.3 Membran Serat Berongga ............................................................................... 10
Gambar 2.4 Foto SEM Membran Serat Berongga PVC .................................................... 12
Gambar 2.5 Representasi Skematis dari Transportasi selama Pemisahan NH3dari Air ... 13
Gambar 2.6 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran .......................................... 14
Gambar 2.7 Transisi Perubahan Fasa ................................................................................. 16
Gambar 3.1 Bagan Alir Penelitian ..................................................................................... 28
Gambar 3.2 Rangkaian Alat Peralatan Reaktor Hibrida Plasma Ozon .............................. 31
Gambar 3.3 Skema Uji Produktivitas Ozonator ................................................................. 32
Gambar 3.4 Skema Peralatan Proses Membran ................................................................ 34
Gambar 3.5 Skema Peralatan Proses Plasma .................................................................... 35
Gambar 3.6 Skema Peralatan Proses Gabungan ReaktorHibridaPlasma Ozon dan Membran.... 35
Gambar 3.7 Skema Peralatan Proses Membran untuk Penurunan Rumus Koefisien
Perpindahan Massa. ......................................................................................... 36
Gambar 4.1 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP ..................................................... 41
Gambar 4.2 Persen Penyisihan Amonia dengan RHOP-Ozon ............................................ 42
Gambar 4.3 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Laju Alir Umpan ....... 43
Gambar 4.4 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran Variasi Temperatur
Umpan........ 44
Gambar 4.5 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran-RHOP-Ozon .................... 45
Gambar 4.6 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Temperatur 46
Gambar 4.7 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi TemperaturUmpan 47
Gambar 4.8 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP VariasipH Umpan 48
Gambar 4.9 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon VariasipH
Umpan 48
Gambar 4.10 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP Variasi Serat Membran49
Gambar 4.11 Persen Penyisihan Amonia dengan Membran-RHOP-Ozon Variasi Serat
Membran 50
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
12/145
Gambar 4.12 Nilai %R pada berbagai Macam Proses Selama Selang Waktu 2 Jam.50
Gambar 4.13 Perbandingan Penurunan Konsentrasi Hasil Penelitian dengan Referensi51
Gambar 4.14 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..54
Gambar 4.15 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP Variasi Temperatur. .. 54
Gambar 4.16 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur.. 55
Gambar 4.17 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP VariasipH.. 57
Gambar 4.18 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP-Ozon VariasipH 57
Gambar 4.19 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..58
Gambar 4.20 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP Variasi Serat Membran.. 59
Gambar 4.21 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Gabungan
Membran-RHOP-Ozon Variasi Serat Membran.... 60
Gambar 4.22 Koefisien Perpindahan Massa pada (a) Proses Membran Variasi Laju Alir
(b)Proses Gabungan Membran-RHOP dan (c)Proses Gabungan Membran-
RHOP-Ozon Variasi Jumlah Serat. 61
Gambar 4.23. Perbandingan Konfigurasi Proses Membran, Membran-RHOP dan Membran-
RHOP-Ozon pada kondisi operasi suhu 300C dan pada kondisi operasi suhu
400C 62
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
13/145
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisik Amonia ...................................................................................... 6
Tabel 2.2 Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air ....................................................... 14
Tabel 2.3 Penelitian yang Telah Dilakukan terkait Penggunaan Membran untuk Proses
Penyisihan Amonia. 21
Tabel 2.4 Penelitian yang Telah Dilakukan terkait Proses Oksidasi Lanjut 24
Tabel 3.1 Rincian Alat yang Digunakan dalam Penelitian29
Tabel 3.2 Bahan yang Digunakan dalam Penelitian ..29
Tabel 4.1 Kondisi Operasi antara Hasil Penelitian dan Referensi.51
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
14/145
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Permasalahan yang timbul akibat proses industrialisasi adalah meningkatnya
limbah pencemar yang berbahaya bagi lingkungan. Salah satu senyawa yang
dihasilkan proses industri yang dapat menyebabkan pencemaran terhadap lingkungan
adalah amonia (El-Bourawi dkk., 2007). Kadar amonia dalam effluent limbah harus
diminimalisir karena sangat beracun untuk spesies ikan dan oleh lingkungan amonia
akan dibio-dioksidasi oleh mikroorganisme nitrifikasi menjadi nitrit dan nitrat yang
berbahaya bagi manusia. Limbah dengan kadar amonia yang tinggi biasanya hadir
terdapat dalam air limbah industri penyamakan kulit, tekstil, lindi TPA, pupuk
(Hasanouglu, Romero dkk., 2010), pengolahan minyak bumi, farmasi dan industri
katalis (Ashrafizadeh dkk., 2010). Oleh karena itu diperlukan suatu metode yang tepat
dan efektif untuk pengolahan limbah yang mengandung amonia agar kualitas limbah
tersebut memenuhi baku mutu lingkungan yang telah ditetapkan serta tidak berbahaya
terhadap lingkungan yaitu melalui proses separasi.
Proses separasi dilakukan untuk memisahkan amonia dari limbah cair yang
dihasilkan dari suatu produksi. Proses separasi yang selama ini digunakan untuk
menghilangkan amonia dapat berupa amonia stripping, biological nitrification-
denitrification, ion exchange, chemical precipitation, breakpoint klorinasi dan
biological treatment(Li Huang, 2008). Aplikasi proses pemisahan amonia tergantung
dari beberapa faktor yaitu tingkat kontaminasi, keamanan sistem, ketersediaan sumber
pemanas dan bahan kimia (Xie, Duong dkk., 2009). Masing-masing teknologi
konvensional ini memiliki kekurangan dan membutuhkan biaya yang mahal (Bonmati
dkk., 2003).
Disamping metode konvensional tersebut, terdapat cara baru yang sedang
dikembangkan yang memiliki kelebihan dibandingkan cara separasi biasa adalah
dengan menggunakan teknologi membran, karena dengan menggunakan teknologi
membran terdapat luas permukaan yang lebih luas untuk kontak antara larutan umpan
dan larutan penyerap sehingga hanya membutuhkan energi yang lebih kecil untuk
setiap mol amonia yang terserap (Hasanouglu dkk., 2010). Membran disini berfungsi
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
15/145
sebagai kontaktor yang merupakan media tempat berkontak antara larutan penyerap
dengan amonia. Dalam penelitian ini pelarut yang digunakan adalah asam sulfat
karena asam sulfat merupakan senyawa asam yang bersifat reaktif terhadap amonia
yang bersifat basa, sehingga diharapkan amonia yang terpisahkan dari selongsong
akan bereaksi dengan asam sulfat yang berada dalam serat membran membentuk
ammonium sulfat yang dapat digunakan sebagai pereaksi bahan kimia atau
penggunaan lainnya. Dalam proses pemisahan amonia dari air melalui membran,
perbedaan konsentrasi dan tekanan parsial antara kedua fasa cair memberikan gaya
penggerak untuk perpindahan secara difusi melalui membran tersebut (Gabelman,
1999).
Selanjutnya yang menjadi permasalahan dalam penggunaan kontaktor
membran adalah amonia dalam larutan air limbah berada dalam dua kondisi yaitu
molekul ammonia yang mudah menguap NH3 dan kation NH4+ (Tan dkk., 2006;
Hasanouglu dkk., 2010). Hanya molekul amonia yang mudah menguap NH3 yang
dapat terdifusi dan akan terserap dalam larutan penyerap sehingga harus ditemukan
metode untuk memperbesar jumlah komponen molekul amonia yang mudah menguap
(El-Bourawi dkk., 2007).
Salah satu proses untuk tujuan tersebut adalah menggabungkan dengan proses
oksidasi lanjut. Proses oksidasi yang selama ini dikembangkan adalah dengan non
thermal plasma (NTP) menggunakan tegangan tinggi di serat seperti elektroda untuk
akan menyebabkan ionisasi gas menghasilkan sebuah jet plasma yang dapat
menghasilkan sinar UV, ozon, dan radikal hidroksil (Locke, 2006). NTP dianggap
sangat efisien karena sedikit energi yang hilang dalam pemanasan cairan sekitarnya,
yang memungkinkan energi akan difokuskan pada eksitasi elektron (Gerrity dkk.,
2009). Proses oksidasi lanjut yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah dengangabungan teknologi plasma dengan proses ozonasi pada fasa liquid.
Penambahan proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma dapat
menghasilkan ion OH-yang dapat menggeser reaksi kesetimbangan atau menghasilkan
radikal OH yang dapat membantu proses degradasi amonia. Reaktor hibrida ozon
plasma yang digunakan untuk proses oksidasi lanjut dirancang untuk menghasilkan
plasma berbentuk shell and tube yang terbuat dari kaca borosilikat dan diluarnya
diselubungi dengan elektroda yang terbuat dari stainless steel berbentuk batang dan
kasa.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
16/145
Dari beberapa latar belakang diatas, keunggulan dari perancangan sistem
pengolahan limbah yang akan dilakukan adalah meningkatkan efektivitas penyisihan
amonia dalam membran dengan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida
ozon plasma, serta mengetahui pengaruh penambahan
proses oksidasi lanjut dalam
reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor
membran. Metode ini belum pernah dilakukan sebelumnya, untuk itu diperlukan
penelitian lebih lanjut.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana kemampuan pelarut asam sulfat dalam penyisihan amonia dari
air limbah dengan menggunakan teknologi membran.
2. Bagaimana pengaruh penambahanproses oksidasi lanjut dalam reaktor
hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan amonia dalam kontaktor
membran.
3. Bagaimana kombinasi teknologi proses absorbsi dalam membran dan proses
oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibrida ozon plasma untuk
menghilangkan amonia dalam air limbah serta bagaimana efektivitasnya.
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk merancang dan menganalisis
efektivitas kombinasi proses absorbsi dalam membran dan oksidasi lanjut
menggunakan reaktor hibrida ozon plasma. Serta mengetahui pengaruh penambahan
proses oksidasi lanjut dalam reaktor hibrida ozon plasma terhadap proses penyisihan
amonia dalam kontaktor membran menggunakan larutan penyerap asam sulfat
(H2SO4).
1.4 Batasan Masalah
Penelitian ini merupakan suatu usaha untuk meningkatkan efektivitas penyisihan
amonia dalam membran dengan penggabungan proses oksidasi lanjut dalam reaktor
hibrida ozon plasma. Dengan penambahan proses oksidasi lanjut, diharapkan proses
penyisihan amonia lebih sempurna dan menghasilkan produk yang ramah lingkungan
dan aman. Dalam penelitian ini, pembahasan dilakukan dengan batasan-batasan
sebagai berikut:
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
17/145
1. Air limbah yang digunakan sebagai umpan adalah air limbah sintetik amonia
800 ppm yang bebas partikel pengotor.
2.
Membran yang digunakan adalah membran serat berongga dari polimer
polivinil chlorida(PVC) yang bersifat hidrofobik.
3. Larutan penyerap yang digunakan adalah larutan H2SO4.
4. Reaktor hibrida ozon plasma yang digunakan merupakan hasil rancang bangun
peneliti di Laboratorium Intensifikasi Proses dengan tegangan 9300 V.
5. Variabel tetap yang digunakan adalah peralatan yang sama untuk membran,
plasma, dan ozonator.
6. Variabel yang divariasikan adalah temperatur, pH larutan umpan, laju alir
umpan dan jumlah serat membran.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tesis ini terdiri dari lima bab, yaitu:
BAB I PENDAHULUAN
Menjelaskan latar belakang, perumusan masalah, tujuan penulisan, batasan
masalah
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab Tinjauan Pustaka merupakan bagian yang memuat landasan teori dan yang
menjadi acuan penulis untuk melakukan penelitian dan pembahasan mengenai
hasil penelitian.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Menampilkan tahapan penelitian yang akan dilakukan, diagram alir prosedur
penelitian, skema rangkaian alat, tahapan operasi dan studi perpindahan massa.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisi analisis dan pembahasan dari hasil penelitian berupa data yang diperoleh.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi kesimpulan dari analisis dan pembahasan dari hasil penelitian
yang dilakukan.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
18/145
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pada tinjauan pustaka ini berisi landasan teori umum yang digunakan untuk
menjelaskan masalah yang akan dibahas penulis untuk melakukan penelitian
diantaranya, teori tentang amonia meliputi baku mutu limbah amonia serta
kesetimbangan amonia dalam air, penyisihan amonia dengan teknologi membran,
pelarut asam sulfat, definisi proses oksidasi lanjut menggunakan plasma dan ozon,
serta kelebihan teknologi penyisihan amonia dengan menggunakan proses absorbsi
dalam membran dan proses oksidasi lanjut menggunakan reaktor hibridaplasma-ozon.
2.1 Amonia
Amonia (NH3) adalah gas atau cairan tak berwarna yang memiliki bau yang
berbeda.
Amonia merupakan kontaminan yang umum di tanah maupun air limbah.
Konsentrasi NH3-N dapat bervariasi dari 5 sampai 1000mg / L dalam air limbah
industri kokas, pupuk kimia, gasifikasi batubara, pemurnian minyak bumi, farmasi dan
industri katalis (AtkinsJr dkk., 1997). Amonia hadir dalam konsentrasi rendah dan
jumlah debit mungkin rendah. Namun, amonia yang terlarut dalam air limbah tidak
dapat diuapkan karena gas amonia akan menyebabkan masalah lingkungan yang serius
(Bhattacharya, 2011).
2.1.1 Sifat Amonia
Dalam keadaan terlarut, amonia ada dalam dua bentuk. Salah satunya adalah
gas beracun amonia (NH3) dan yang lainnya adalah ion amonium kurang berbahaya
(NH4+). Komposisi tersebut konstituen tergantung pada pH dan temperatur. Amonia
beracun berbahaya bagi kehidupan air , dalam konsentrasi terendah 0,01 ppm memiliki
efek negatif pada ikan, sedangkan 0,1 ppm dapat mematikan bagi beberapa spesies
lain (Bhattacharya, 2011). Gas amonia sedikit lebih ringan dari udara dan amonia
dalam amonium hidroksida sangat mungkin menjadi udara. Kisaran ambang batas bau
adalah 5-17 ppm.
Amonia dalam bentuk cairan atau gas dapat menyebabkan iritasi parah
dan/atau luka bakar pada mata, hidung, tenggorokan dan kulit. Amonia memiliki
ambang batas bau dari 5 -17 ppm (yang lebih rendah dari batas eksposur). Amonia
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
19/145
dalam konsentrasi tinggi dapat menyebabkan cedera permanen pada mata, kerusakan
yang luas pada tenggorokan dan saluran pernapasan bagian atas, dan dapat
mempengaruhi kerja jantung. Gas amonia anhidrat mudah meledak pada konsentrasi
16-25 % volume di udara. Selain itu amonia juga bersifat korosif.
.
Gambar 2.1Struktur kimia Amonia
Dari OR-OSHA diketahui Permissible Exposure Limit (PEL) untuk NH3
adalah 25 ppm selama delapan jam untuk Time Weighted Average(TWA). Sedngkan
The American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH)
merekomendasikan delapan jam TWA dengan konsentrasi 25 ppm, batasan ambang
batas ini untuk mengendalikan potensi bahaya amonia terhadap kesehatan. ACGIH
juga merekomendasikan Short Term Exposure Limit(STEL) 35 ppm selama rata-rata
15 menit.
Tabel 2.1. Sifat-Sifat Amonia (Putri , 2010)
Sifat Fisika Amonia Nilai
Massa jenis dan fase
Kelarutan dalam air
Titik lebur
Temperatur autosolutan
Titik didih
Keasaman (PKa)
Kebasaan (PKb)
0,6942 g/L, gas
89,9 g/100 ml pada 0C
-77,73 C (195,42 K)
651C
-33,34 C (239,81 K)
9,25
4,75
The National Institute for Occupational Safety and Health(NIOSH) juga telah
menetapkan Recommended Exposure Limit(REL) 25 ppm dengan waktu paparan 10
jam selama seminggu (dengan jam kerja 40 jam per minggu). Mereka juga
menyarankan konsentrasi amonia yang terpapar tidak lebih dari 35 ppm STEL (OR-
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
20/145
OSHA, 2009). Sedangkan berdasarkan peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup
nomor 19 tahun 2010 adalah sebesar 10 mg/l. Amonia memiliki sifat-sifat seperti yang
tertera pada tabel 2.1.
2.1.2 Kesetimbangan Amonia dan Amonium dalam Air
Amonia tidak terionisasi dan memiliki rumus kimia NH3, sedangkan
ammonium terionisasi dengan rumus kimia NH4+. Faktor utama untuk menentukan
perbandingan ammonium dan amonia dalam air adalah pH. Aktivitas amonia dalam air
dipengaruhi oleh Temperatur dan kekuatan ion. Amonia sangat beracun untuk
organisme yang hidup didalam air. Sedangkan ammonium tidak terlalu berbahaya.
Pada suhu dan tekanan yang normal, ion NH4
+ dan NH3 membentuk suatu
kesetimbangan dengan reaksi sebagai berikut (El-Bourawi, 2007):
(2.1)
Distribusi NH3 dan NH4+ dalam air dipengaruhi oleh pH dan temperatur.
Pengaruh pH dan temperatur pada distribusi NH3 dan NH4+ dalam air ditunjukkan
pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. PengaruhpH dan Temperatur pada Distribusi Amonia dan Ammonium dalamAir (Viljoen, 2001)
Dari gambar 2.2 dapat diketahui persentase gas terlarut akan naik seiring
dengan bertambahnya pH dan suhu. Dimana suhu dan pH merupakan salah satu faktor
penting dalam penghilangan amonia.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
21/145
2.2 Teknologi Membran
Sejak tahun 1990-an, proses berbasis membran telah diakui sebagai proses
separasi yang baik untuk perbedaan konsentrasi sangat tinggi antar-fase dan
memberikan kemudahan untuk mengontrol kondisi operasi. Studi tentang membran,
banyak dikembangkan terutama untuk penghapusan komponen volatile dari air atau air
limbah. Komponen yang ingin dihilangkan dari modul membran dengan cara menyapu
gas, atau menggunakan beberapa pelarut, yang dapat bereaksi sangat cepat dengan
komponen yang ingin dihilangkan (Ding dkk.,2006).
Teknologi membran tidak menawarkan selektivitas untuk spesies tertentu,
tetapi hanya bertindak sebagai penghalang antara fasa yang terlibat, dengan
memungkinkan kontak di antara mereka. Dua fasa terpisah oleh membran, dimana
tidak ada pencampuran dari mereka dan tidak ada fenomena dispersi. Spesies
ditransfer dari satu fasa ke fasa lain hanya dengan difusi saja. Membran yang
digunakan biasanya mikroporous dan simetris, baik hidrofobik maupun hidrofilik
(Drioli dkk., 2006).
Aplikasi teknologi membran tidak meningkatkan transfer massa melainkan
meningkatkan luas area per volume seperti dapat ditemukan dalam serat berongga dan
modulus kapiler, oleh karena itu proses ini menjadi lebih menarik daripada kontaktor
fasa terdispersi konvensional. Sebagai contohpacked and tray coloumn memiliki luas
area per volume sekitar 30-300 m2/m3, tetapi dengan kontaktor membran, luas area per
volumenya dapat mencapai 1600-6600 m2/m3. Pada kontaktor membran G-L satu fasa
adalah gas atau uap dan fasa lainnya adalah cairan sedangkan pada kontaktor L-L
kedua fasanya adalah cairan. Kontaktor G-L dapat membagi proses dimana gas atau
uap yang dipindahkan dari fasa gas ke fasa cair dan uap atau gas yang dipindahkan
dari fasa cair ke fasa gas (Mulder, 2000).
Aspek-aspek positif kontaktor membran adalah sebagai berikut antara lain
daerah interfasial yang tinggi pada volume yang kecil, tidak ada dispersi antara fasa-
fasa, tidak perlu bekerja dengan cairan yang berbeda densitas, tidak ada flooding,
loading, dan foaming, laju alir operasi dengan rentang yang luas, temperatur operasi
yang lebih rendah jika dibandingkan dengan proses distilasi, campuran azeotropik
dapat lebih mudah dipisahkan daripada dalam unit konvensional, reaksi dan
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
22/145
pemisahan berlangsung serentak. fleksibel, mudah dalam scale-up, kontrol dan
otomatisasi.
Sedangkan aspek-aspek negatif membran kontaktor adalah seperti di bawah ini
umur hidup membran terbatas, adanya fouling membran sehingga diperlukan
pretreatment, stabilitas pelarut, umur hidup, dan selektivitas carrier dalam mendukung
membran cair terbatas (Drioli dkk., 2009).
Perpindahan massa antar fasa pada kontaktor membran didorong oleh adanya
perbedaan konsentrasi komponen antar fasa dan penurunan tekanan yang diperlukan
untuk menahan interfasa antar fluida yang sangat kecil. Pada proses kontak antar
fluida melalui membran, langkah-langkah yang terjadi adalah (Kartohardjono dkk.,
2010):
1. Perpindahan massa komponen dari fluida umpan ke membran.
2. Difusi massa tersebut melewati membran.
3.
Perpindahan massa dari membran ke fluida lainnya.
2.2.1 Kontaktor Membran Serat Berongga (Hollow Fiber Membrane Contactor-
HMFC)
Serat berongga telah digunakan sejak tahun 1960-an dalam berbagai macam
aplikasi seperti reverse osmosis, ultrafiltrasi, pemisahan gas membran, organ buatan,
dan tujuan medis lainnya (Khulbe, 2008). Fungsi utama membran dalam kontaktor
membran serat berongga adalah untuk menciptakan luas permukaan kontak yang
sangat besar di dalam modul sehingga proses perpindahan massa yang terjadi akan
lebih efisien. Selain itu membran serat berongga juga digunakan untuk membuat fasa
kontak gas cair pada pori membran tidak bergerak dengan kombinasi efek tegangan
permukaan dan perbedaan tekanan pada tiap fasa.
Perbedaan antara modul kapiler dan modul serat berongga adalah dalam
masalah dimensi, sedangkan konsep modulnya sama. Modul serat berongga
berkonfigurasi dengan densitaspackingyang paling tinggi, yang dapat mencapai nilai
30.000 m2/m3. Modul ini digunakan jika aliran umpan relatif bersih, seperti dalam
pemisahan gas dan pervaporasi. Selain itu juga digunakan dalam desalinasi air laut,
dan aliran umpan yang relatif bersih lainnya (Mulder, 2000).
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
23/145
Gambar 2.3.Membran Serat Berongga (Gabelman and Hwang, 1999)
Modul serat berongga memiliki karakteristik yang berbeda dari modul tubular,
diantaranya yaitu:
Modul serat berongga direkomendasikan untuk beroperasi dengan bilangan
Reynolds pada rentang 500-3000, kebanyakan berjalan pada wilayah aliran
laminer, level tekanan rendah dengan nilai maksimum 2,5 bar.
Karena kombinasi aliran silang dengan laju alir yang rendah dan penurunan
tekanan rendah, modul serat berongga adalah salah satu modul yang lebih
ekonomis dalam hal konsumsi energi.
Modul serat berongga memiliki rasio area permukaan terhadap volume yang
paling tinggi dibandingkan dengan tiga konfigurasi modul lainnya yaitu modul
tubular, modul lembaran datar, dan modul spiral.
Kelemahan modul serat berongga adalah serat tipis mereka rentan untuk
diblokir oleh umpan dengan partikel besar, jika mereka beroperasi dalam mode
inside-out. Oleh karena itu pretreatment untuk mengurangi ukuran partikel
menjadi 100 m biasanya diperlukan untuk modul ini (Cui, 2010).
Serat berongga juga menghasilkan fleksibilitas dalam desain modulus dan
alternatif umpan dan geometri aliran produk. Umpan dan permeate dapat mengalir
dengan mudah dalam orientasi co-current, counter current, atau crossflow
sebagaimana yang diinginkan untuk aplikasi tertentu
(Peinemann, 2006).
2.2.2 Membran Serat Polivinil Klorida
Polivinil klorida (CH2=CHCl) biasa disingkat menjadi PVC adalah polimer
termoplastik dimana pada suhu tinggi akan meleleh tetapi akan mengeras kembali jika
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
24/145
didinginkan. Jika ditinjau dari segi kestabilan, senyawa ini sangat stabil karena
berbentuk pol ime r seh ingga fasan ya be rben tuk padatan yang ker as sehingga
hampir tidak berpengaruh (tidak bereaksi) terhadap kehadiran oksidator kuat.
Dari segi keamanan , senyawa ini hampir tidak berbahaya dan mengganggu
lingkungan karena tidak berpotensi mencemari udara, air maupun tanah (Irawan,
2010).
PVC merupakan bahan membran yang terkemuka karena biaya yang rendah,
sifat fisik dan kimia serta sifat mekaniknya yang sangat baik (Xu and Xu 2002).
Gambar struktur membran serat berongga PVC dapat dilihat pada gambar di bawah
ini:
(a)
(b)
(c) (d)Gambar 2.4 Foto SEM Membran Serat Berongga PVC (a) pembesaran 70X (b) pembesaran
200 X (c) pembesaran 800X (d) pembesaran 10000X
PVC dipilih sebagai bahan serat membran karena memiliki struktur asimetris
ganda, yang berarti bahwa serat berongga memiliki permukaan bagian dalam dan
luar. Struktur asimetris ganda ini memberikan sebuah stabilitas mekanik yang
lebih tinggi pada serat dibandingkan dengan membran serat berongga anisotropik
konvensional. Keunggulan selanjutnya adalah tidak ada resiko penyumbatan pori
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
25/145
membran ketika dilakukan backwashing dengan tekanan yang lebih tinggi dari sisi
permeat (Guo 2009). Selain itu PVC juga tahan terhadap asam, basa, dan hampir
semua bahan kimia anorganik. Meskipun PVC larut dalam hidrokarbon aromatik,
keton, dan eter siklik, PVC sulit untuk larut dalam pelarut organik lainnya (Vinyl
dkk., 2012).
2.2.3 Pelarut Asam Sulfat
Pelarut yang digunakan dalam proses pemisahan amonia ini adalah asam sulfat
karena asam sulfat merupakan senyawa asam yang bersifat reaktif terhadap amonia
yang bersifat basa, sehingga diharapkan amonia yang terpisahkan dari selongsong
akan bereaksi dengan asam sulfat yang berada dalam serat membran membentuk
ammonium sulfat yang dapat digunakan sebagai pereaksi bahan kimia atau
penggunaan lainnya. Di samping itu asam sulfat merupakan asam kuat yang dalam air
akan terionisasi sempurna sehingga tidak akan melewati membran dan berpindah ke
selongsong yang mengandung amonia. Di samping itu asam sulfat lebih cocok
digunakan dengan membran PVC dibandingkan asam lainnya karena tidak bersifat
oksidator kuat yang dapat merusak membran PVC.
Pada proses absorbsi pemilihan larutan penyerap akan mempengaruhi proses
absorbsi. dipengaruhi oleh konsentrasi larutan penyerap asam sulfat yang digunakan
(Jiahui,dkk., 2008) pada kondisi laju alir dan jumlah serat yang sama, efisiensi pemisahan
ammonia dapat ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi larutan penyerap asam
sulfat yang digunakan.
2.2.4 Aplikasi Penggunaan Membran Serat Berongga untuk Penyisihan
Amonia dengan Pelarut Asam Sulfat
Gambar. 2.5 adalah representasi skematis dari transportasi selama pemisahan
NH3dari air. Larutan umpan yang mengandung NH 3diasumsikan mengalir melalui
shellHFMC dan larutan asam sulfat (H2SO4) mengalir secara counter-current di sisi
lumen dan digunakan sebagai larutan penyerap. Kedua larutan akan disirkulasikan
kembali ke wadah masing-masing. Seperti digambarkan dalam gambar, molekul NH3
mendesorpsi dari air di pori antarmuka air dan larut ke dalam matriks polimer. selama
difusi dalam pori-pori membran, molekul teradsorpsi oleh dinding pori. Selanjutnya,
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
26/145
mereka mendesorpsi di sisi shell dan terserap dan bereaksi oleh penyerap tersebut
(Bhattacharya dkk., 2012).
Gambar 2.5 Representasi Skematis dari Transportasi selama Pemisahan NH3dari Air
(Bhattacharya dkk., 2012)
Proses absorbsi amonia dalam membran kontaktor,ditransfer oleh proses
konveksi dan difusi dari umpan terhadap antarmuka umpan-membran. Pada seratdinding (jari-jari dalam serat berongga), amonia volatile akan melewati pori-pori
membran yang diisi oleh gas. Amonia kemudian berdifusi pori-pori HFMC, dan
ditransfer ke dalam larutan penyerap. Pada antarmuka shell-membran, amonia segera
bereaksi dengan larutan penyerap dan membentuk senyawa nonvolatil. Di sisi lain, air
tidak dapat melalui serat hidrofobik dari HFMC. Prinsip penyisihan amonia melalui
HFMC dapat ditunjukkan pada Gambar 2.6. (Ashrafizadeh dkk., 2012)
Gambar 2.6 Mekanisme Penyisihan Amonia dalam Membran (Ashrafizadeh dkk., 2012)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
27/145
2.3 Advance Oxidation Processes(AOPs)
Proses oksidasi lanjut merupakan suatu proses yang digunakan untuk
mengoksidasi senyawa organik dalam air. Proses ini dapat digunakan untukmenyisihkan senyawa organik yang berkonsentrasi rendah sampai tinggi dari sumber
yang beragam seperti air tanah, limbah rumah tangga dan industri, destruksi sludge,
dan pengendalian senyawa organik yang mudah menguap. (M. B. Ray,2007).
AOPs dapat dilakukan dalam beberapa kondisi yang berbeda, yaitu ozon/UV,
ozon/H2O2, ozon/UV/H2O2, H2O2/UV dan ozon pada pH tinggi. Fotolisis UV yang
dikombinasikan dengan hidrogen peroksida merupakan salah satu teknologi terbaik
dan yang paling mungkin dilakukan untuk mendegradasi dan menghilangkan organik
berbahaya dari air, hal ini. Oksidasi terjadi melalui tiga proses, yaitu : (1)Abstraksi
hidrogen; (2) Transfer elektron; dan (3) Pembentukan radikal (Masten and Davies,
1994).
Tabel 2.2.Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air (Lukes, 2005)
Spesi aktif Potensial oksidasi
OH
O
O3
H2O2
O2H
Cl2
2.80
2.42
2.07
1.78
1.70
1.36
Proses oksidasi pada kondisi ringan oleh spesi reaktif seperti radikal hidroksil
yang dihasilkan oleh radiasi ultra violet (UV) dalam reaksi antara oksidan yang ada
yaitu ozon dan hidrogen peroksida, hal ini yang kemudian disebut sebagai Advanced
Oxidation Processes (AOPs). AOPs merupakan teknologi alternatif yang sangat
menarik untuk dipelajari dalam penghancuran kontaminan-kontaminan organik yang
berbahaya (Alnaizy and Akgerman, 2000).
Banyaknya reaksi fisika dan kimia yang dihasilkan oleh proses oksidasi,
membuat teknologi ini dapat menjadi solusi beberapa proses yang dibutuhkan dalam
pengolahan air limbah. Dan yang paling penting dalam proses oksidasi lanjut adalah
banyak dihasilkan spesies aktif seperti OH , O , H , dan H2O2 yang beberapa
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
28/145
oksidan kuat yang dapat mengoksidasi berbagai senyawa organik sekaligus
membunuh bakteri.
2.3.1
Teknologi PlasmaPlasma merupakan keadaan gas kompleks suatu zat, terdiri dari radikal bebas,
elektron, foton, ion, dan lain-lain. Plasma dapat dihasilkan oleh debit listrik yang terus
menerus baik dalam gas inert atau gas reaktif. Untuk aplikasi membran, plasma dapat
digunakan untuk meningkatkan karakteristik membran berpori dan polimer film untuk
pemisahan gas (Peinemann, 2006).
Teknologi yang kemudian diperkenalkan untuk mengatasi limbah cair setelah
teknologi ozon adalah teknologi plasma. Sebenarnya ozon itu sendiri dapat dibuat
dengan menggunakan teknologi plasma. Jadi, secara tidak langsung teknologi ozon
adalah pemanfaatan dari teknologi plasma itu sendiri.
Gambar 2.7. Transisi Perubahan Fasa (Rohman, 2009)
Plasma terbentuk karena adanya ionisasi fluida yang ada di sekitar elektroda dan
adanya perbedaan tegangan yang sangat tinggi antara kedua elektroda. Mekanisme
pembentukkan plasma adalah sebagai berikut:
Atom netral atau molekul dalam media pada perbedaan tegangan yang sangat
tinggi akan terionisasi menghasilkan ion positif dan elektron bebas.
Elektroda akan memisahkan dan mencegah penggabungan ion positif dan elektron
serta menggerakkan elektron menuju elektroda positif.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
29/145
Elektron yang mengumpul pada elektroda akan bergerak dengan kecepatan yang
sangat tinggi dan energi yang sangat besar dan menumbuk atom netral sehingga
terjadi proses ionisasi, disosiasi, dan eksitasi.
Elektron dengan energi yang tinggi ini akan menumbuk dengan cara ionisasi,
disosiasi, dan eksitasi yang kemudian menghasilkan elektron bebas dan akhirnya
terjadi loncatan elektron (avalanche electron) yang disebut dengan streamer
discharge. Elektron bebas (avalanche electron) mempunyai energi 10-15 eV (Gaffar
dkk.,2000)
Ionisasi didefinisikan sebagai proses terlepasnya elektron suatu atom atau
molekul dari ikatannya. Energi yang dibutuhkan untuk melepas satu atau lebih
elektron dari orbitnya pada sebuah atom atau molekul dapat didefinisikan sebagai
energi ionisasi Ei. Besarnya energi ionisasi dinyatakan dalam satuan elektron-volt
(eV) (Krane,1992 dalam Nur, 2006).
Reaksi ionisasi menurut Ghaffar (2000), adalah:
e-* + O2 O+ + 2e- (2.2)
Pada proses tumbukan antara elektron dengan partikel-partikel gas tidak hanya
proses ionisasi yang terjadi melainkan juga menyebabkan peristiwa-peristiwa yang
lainnya. Diantaranya yaitu proses rekombinasi, dissosiasi dan eksitasi (Chapman, 1990
dalam Nur, 2006).
Kebalikan dari proses ionisasi adalah proses rekombinasi. Rekombinasi terjadi
dengan cara pengikatan elektron oleh ion dan pengikatan antar atom menjadi molekul
sehingga menjadi spesies netral atau ion negatif yang disertai pemancaran foton
(Chapman, 1990 dalam Nur, 2006).
Dissosiasi adalah pemisahan molekul menjadi atom-atom penyusunnya.Partikel gas yang terdissosiasi ini dapat pula terionisasi menjadi ion-ion positif dan
negatif. Reaksi dissosiasi menurut Ghaffar (2000), adalah:
e-* + N2 N + N + e- (2.3)
e-* + O2 O + O + e- (2.4)
e-* + H2O OH+ H + e- (2.5)
Eksitasi adalah peristiwa dimana elektron yang berada di tingkat energi yang
lebih rendah berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan menyerap energi
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
30/145
tumbukannya dengan elektron. Peristiwa kebalikan dari eksitasi tersebut disebut
relaksasi atau deeksitasi dan peristiwa ini disertai pemancaran foton. Reaksi eksitasi
menurut Ghaffar (2000), adalah:
e-* + N2 N2*+ e- (2.6)
Deeksitasi memerlukan waktu 10-8 s untuk kembali ke tempat semula yang
disertai dengan pemancaran foton. Energi foton dipengaruhi oleh besarnya frekuensi
yang digunakan oleh pembangkit tegangan. Energi foton ini akan menghasilkan
radiasi berbagai macam sinar seperti sinar kosmik, sinar X, microwaves,infra merah,
visible, dan sinar uv. Sinar-sinar ini dapat diketahui dari panjang gelombang yang
dikeluarkan (Beiser dalam Aryanto, 2007).
Reaksi pembentukan spesies aktif menurut (Munter, 2001), adalah sebagai
berikut:
H2O + e OH + H + e (2.7)
O2+ e O + O + e (2.8)
H + O3 OH + O2 (2.9)
O3+ O O
+ O + O2 (2.10)
H2O2 + hv OH
+ OH
(2.11)
H + H2O2 H2O + OH (2.12)
3 O3 + OH- + H- 2 OH
+ 4 O2 (2.13)
H2O2 HO2-+ H+ (2.14)
HO2-+ O3 HO2
+ O3
(2.15)
2 O3 + H2O2 2OH
+ 3 O2 (2.16)
O3+ hv O2+ O(1D) (2.17)
O(1
D) + H2O H2O2 2OH
(2.18)
Ozon pada pH basa:
O3+ 2OH- OH
+ O2+ HO2
Ozon pada pH asam:
O3+ O2- O3
-+ O2
O3- H
+ HO3
HO3 OH
+ O2
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
31/145
Menurut Bismo dkk (2008), Teknologi plasma memiliki beberapa keuntungan
dalam pengolahan limbah cair. Berikut keuntungan pengolahan limbah cair dengan
menggunakan teknologi plasma, yaitu :
a. Teknologi plasma ramah lingkungan.
b. Teknologi plasma mudah digunakan.
c. Biaya pengolahan limbah cair dengan teknologi plasma relatif murah.
d. Teknologi plasma dapat digunakan berulang-ulang.
e. Waktu yang dibutuhkan relatif singkat.
2.3.2 Ozon
Ozon merupakan sebuah molekul gas yang terdiri dari tiga buah atom oksigen.
Ozon merupakan gas yang hampir tidak larut dalam air (0,03 mg/100 mL) pada suhu
20 C, berdekomposisi menjadi oksigen dalam waktu singkat, dan efektif dalam
pendispersian untuk aktivitas anti mikroba. Ozon merupakan disinfektan dan oksidan
yang kuat, biasanya digunakan oleh industri untuk proses penghilangan warna
(decoloration), penghilangan bau (deodorizaton), dan untuk memproduksi perubahan
struktur senyawa organik.
Ozon terbentuk dari molekul-molekul oksigen yang berada dalam paparan
medan listrik (di atas 10.000 volt). Ozon ini jah lebih reaktif dan selektif melakukan
reaksi oksidasi dibandingkan dengan molekul oksigen asalnya (Bismo S. 2010). Ozon
dapat bereaksi secara langsung maupun tidak langsung dalam air. Reaksi tidak
langsung oleh ozon akan menghasilkan radikal hidroksil yang dapat bereaksi dengan
mikropolutan organik maupun anorganik. Di dalam larutan, ozon terdekomposisi
melalui suatu mekanisme inisiasi yang kompleks, yang akan bereaksi dengan ion
hidroksil dan diikuti oleh pembentukan spesi radikal pengoksidasi, misal HO, HO2
dan HO3 (Rodriguez, A. Et al, 2009).
Dekomposisi ozon dalam air diawali dengan reaksi ozon dengan ion OH -yang
diikuti pembentukan beberapa spesies radikal lainnya seperti OH, HO2, dan HO3
(Rodrguez A. 2008). Reaksi perubahan ozon membentuk spesies radikal melalui tiga
tahap yaitu inisiasi, propagasi, dan terminasi. Reaksinya adalah sebagai berikut:
Inisiasi :
O3+ OH- O2
-+ HO2
(2.23)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
32/145
Propagasi :
HO2 O2
- + H+
O3+ O2-
O3- +O2
O3- + H+ HO3
HO3
HO +O2
O3 + HO
HO4
HO4
HO2 + O2
HO2- + H+ 2 H2O
HO + H2O2 HO2 + H2O
HO + HO2-
HO2 + HO-
Terminasi :
HO + O3 O3 + HO-
HO4 + HO4
H2O2
+ 2O3
HO4 + HO3
H2O2
+ O2 + O3
(Li Huang, 2008)
2.3.3 Aplikasi Penggunaan Reaktor Hibrida Ozon-Plasma untuk Penyisihan
Amonia
Dalam penelitian ini akan dilakukan kombinasi proses oksidasi lanjut dengan
mengkombinasikan reaktor plasma dengan ozonasi pada fasa liquid. Pengolahan
limbah cair dari hasil proses industri yang mengandung polutan organik lain yang
tidak berbahaya di dalam suatu instalasi pengolahan limbah pada dasarnya dilakukan
di dalam suatu sistem pemroses yang disebut dengan reaktor.
Reaktor Hibrida Ozon-Plasma berbentuk tabung gelas yang memiliki lubang
tempat diinjeksikan udara atau campuran ozon-gas O2ke dalamnya sedemikian rupa
sehingga akan terjadi kontak langsung dengan aliran limbah di dalamnya. Di harapkan
aliran limbah dengan debit yang telah ditentukan tersebut akan bercampur homogen
dengan gas oksigen. Ozonator tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga dapat
menggunakan oksigen sebagai gas reaktan dan sekaligus digunakan pula sebagai
media pendingin.
Reaktor Hibrida Ozon-Plasma berbentuk tabung dengan pemasangan
elektroda, media dielektrik, dan elektroda tegangan tinggi yang disusun berada pada
satu sumbu dan searah aliran gas reaktan dan limbah hasil. Ozonator tersebut
(2.24)
(2.26)
(2.27)
(2.28)
(2.29)
(2.30)
(2.31)
(2.32)
(2.25)
(2.33)
(2.34)
(2.35)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
33/145
dirancang sedemikian rupa sehingga dapat menggunakan gas Oksigen sebagai reaktan
atau umpan. Aliran umpan melewati ruangan elektroda tegangan tinggi untuk
selanjutnya berbalik arah melewati bagian dalam media dielektrik dan akan keluar
pada lubang keluaran (output). Di dalam ruangan elektroda terjadi proses plasmanisasi
yaitu proses pemaparan gas umpan dalam medan listrik tegangan tinggi yang
kemudian akan mengalami pembentukan ozon dimana terjadi pembentukan ozon,
radikal OHdan ion OH-yang akan mendegradasi limbah.
Dalam suasana asam, ozon akan langsung bereaksi dengan amonia
membentuk nitrat mengikuti reaksi di bawah ini:
4O3+ NH3 NO3
- + H++ H2O + 4O2
Reaksi NH3/NH4+ dengan ozon berlangsung sangat lambat, diperkirakan
kostanta kecepatan reaksinya dengan ozon sekitar 20 M-1S-1 dengan t1/2 = 96 jam,
tingkat penyisihan amonia oleh ozon masih kurang efektif dengan tingkat penyisihan
paling tinggi adalah 5.86% (Hikmawan,2009) Dari beberapa tahapan reaksi di atas,
dapat diketahui bahwa selain membentuk radikal OH, dalam kondisi basa
dekomposisi ozon juga menghasilkan ion hidroksil (OH-). Radikal OH yang
terbentuk kemudian menyerang amonia berdasarkan reaksi berikut ini:
HO + NH3 NH2 + H2O
NH2 + H2O2 NHOH
+ H2O
NH2 + HO NH2OH
(Li Huang, 2008)
(2.21)
(2.22)
(2.23)
(2.20)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
34/145
2.4 Penelitian yang Telah Dilakukan
Beberapa penelitian yang terkait dengan penggunaan membran untuk proses
penyisihan amonia adalah sebagai berikut
Tabel 2.3. Penelitian yang Telah Dilakukan Terkait Penggunaan Membran untuk Proses Penyisihan
Amonia
Tahun 2006, Xiaoyao Tan dkk melakukan penelitian dalam pemisahan
kandungan amonia terlarut dari air, dengan menggunakan membran serat berongga
PVDF (polyvinilidene fluoride). Penelitian tersebut menunjukan bahwa reaksi
membran dengan ethanol berguna dalam meningkatkan hydrophobility dan efektifitas
permukaan porositas. Dalam pemindahan amonia menggunakan PVDF
modul membran serabut berlobang, meningkatnya pH dapat meningkatkan
perpindahan amonia, tetapi hanya sampai pH 10, setelah yang ini tidak memberikan
pengaruh. Pemisahan amonia meningkat dengan meningkatkan laju umpan, tetapi
hanya sampai 0,59 m/s atau Re > 0,32 dan jika kecepatan ditingkatkan tidak akan
memberikan pengaruh, ini mengindikasikan bahwa efek tahanan lebih dominan (Tan,
2006).
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
35/145
M.S. EL-Bourawi dkk., (2007) melakukan penelitian dengan menggunakan
destilasi membran vakum untuk menghilangkan amonia, konsentrasi dan perbedaan
suhu merupakan gaya gerak komponen yang berpindah. Dari data penelitian diketahui
bahwa walaupun daya larut amonia cukup tinggi, amonia dalam larutan mempunyai
bentuk yang tidak stabil sehingga dapat menyebabkan pemidahan amonia menjadi
sulit. Penambahan NaOH kepada larutan umpan akan meningkatkan pH larutan,
sehingga akan meningkatkan amonia yang terbentuk dan efisiensi akan meningkat,
kecepatan dan tekanan juga akan mempengaruhi efisiensi pemindahan (Bourawi,
2007).
Hasanouglu (2010) melakukan penelitian penyisihan amonia dari aliran air
limbah melalui kontaktor membran: analisis eksperimental dan teoritis parameter
operasi dan konfigurasi. Dalam penelitian ini digunakan larutan penyerap asam sulfat
encer menerima untuk mempercepat penyisihan amonia dengan bereaksi menjadi
amonium sulfat (NH4)2SO 4, yang dapat dipulihkan sebagai produk. Dengan
menggunakan serat berongga dan konfigurasi operasi yang berbeda, suhu dan kondisi
hidrodinamik dapat memperoleh persentase ekstraksi amonia sampai dengan 99,83%.
Konfigurasi sirkulasi larutan sangat berpengaruh pada efisiensi proses. Jadi,
konfigurasi sirkulasi terbaik dari larutan untuk kontaktor serat berongga adalah dengan
mengalirkan larutan umpan dalam shellside dan larutan penyerap dalam lumenside
membrane (Hasanouglu, 2010).
Ashrafizadeh (2010) melakukan penelitian untuk memisahkan amonia terlarut
dari air dengan menggunakan membran serat berongga, pada penelitian tersebut
digunakan asam sulfat sebagai larutan penyerap. Dari penelitian ini diketahui
membran serat berongga dengan bahan polypropylene ditemukan sangat efektif dalam
memisahkan amonia dari air limbah, dengan kondisi yang tepat dapat memisahkan
amonia sebesar 99%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa konsentrasi awal dan
kecepatan aliran amonia dan larutan asam sulfat merupakan variabel yang berpengaruh
terhadap pemisahan amonia. Menaikkan pH larutan amonia umpan hingga 10 dapat
meningkatkan pemisahan amonia secara signifikan sementara dengan meningkatkan
pH ke nilai yang lebih tinggi dari 10 tidak menghasilkan peningkatan signifikan
(Ashrafizadeh, 2010).
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
36/145
Pada tahun 2012 penelitian mengenai penyisihan amonia sudah berkembang
kearah studi permodelan penyisihan amonia dalam serat berongga. Simulasi dilakukan
untuk menghilangkan amonia dari air melalui kontaktor membran. Kontaktor terdapat
larutan NH3 dan penyerap asam sulfat dalam lumen dan sisi shell. Persamaan model
yang dikembangkan mempertimbangkan difusi radial dan aksial dan konveksi dalam
lumen. Hasilnya menunjukkan penurunan konsentrasi sepanjang arah radial dan aksial.
radial difusi dan konveksi di sisi lumen mungkin telah menyebabkan efek ini.Difusi
aksial ditemukan menjadi diabaikan dibandingkan dengan difusi radial. Kenaikan pH
hingga 10,5 meningkatkan persen penyisihan secara signifikan, bila pH dinaikkan lagi
hanya memberikan efek yang tidak signifikan. Radius lumen yang lebih besar,
panjang, dan jumlah serat membrane juga memberikan persen penyisihan yang lebih
tinggi (Bhattacharya dkk., 2012).
Sebuah model matematika 2D dikembangkan untuk mempelajari penghapusan
amonia dari larutan dengan menggunakan yang membran kontaktor (HFMC). Model
memprediksi perubahan konsentrasi amonia dalam kontaktor membran serta tangki
umpan dengan memecahkan persamaan konservasi termasuk kontinuitas dan
momentum. Model ini dikembangkan dengan mempertimbangkan membran
hidrofobik yang tidak dibasahi oleh air umpan. Kedua difusi aksial dan radial dalam
lumen dan membran sangat mempengaruhi. (Ashrafizadeh dkk., 2012).
Pengaruh parameter efektif pada perpindahan massa dan hidrodinamika dari
penyisihan amonia telah diteliti oleh Marjani. Hasil simulasi menunjukkan bahwa
fluks total penurunan amonia terjadi sangat tajam di daerah dekat inlet membran.
Penyelidikan hidrodinamik juga mengungkapkan bahwa terjadi velocity reached fully
developed pada jarak yang dekat dengan inlet reaktor. Hasil dari penelitian
menunjukkan kecepatan pelarut dan kecepatan larutan umpan adalah parameter yang
paling penting dalam penyisihan amonia (Marjani, 2012).
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
37/145
Sedangkan penelitian mengenai proses oksidasi lanjut adalah sebagai berikut :
Tabel 2.4. Penelitian yang Telah Dilakukan Terkait Proses Oksidasi Lanjut
Locke (2006) melakukan penelitian dengan menggunakan electronic discharge
dan plasma non thermal untuk pengolahan limbah. Dalam penelitian ini dianalisa
penggunaan tegangan tinggi untuk proses discharge. Menggabungkan proses
oksidasi lanjut dengan menggunakan plasma non thermal dengan metode lain seperti
proses biologi sangat dianjukan untuk proses yang efektif dan murah. Hal ini
dikarenakan dengan proses oksidasi lanjut dapat mendegradasi atau merubah target
organik menjadi komponen yang lebih murah untuk diolah. Non thermal plasma
(NTP) menggunakan tegangan tinggi di serat seperti elektroda untuk akan
menyebabkan ionisasi gas menghasilkan sebuah jet plasmayang dapat menghasilkan
sinar UV, ozon, dan radikal hidroksil (Locke, 2006).
Li Huang (2008) melakukan penelitian penambahan radikal OH untuk
menghilangkan amonia dalam fasa cair. Pemisahan amonia dengan penambahan
radikal OH dilakukan air H2O sebagai perkusor. Dari penelitian ini didapatkan dengan
photolysis H2O dengan menghasilkan ion radikal OH akan mengoksidasi amonia
menjadi NO. Proses Pemisahan ini sangat dipengaruhi oleh pH dan konsentrasi awal
amonia dalam air limbah (L i Huang, 2008).
M Kang (2008) melakukan penelitian penyisihan amonia pada fasa gasnya
menggunakan sistem hibrid dielectric discharge plasma V-TiO2 fotokatalitik.
Reaktor yang digunakan bertegangan tinggi 10 kV arus AC. Katalis yang
digunakan sebanyak 0,5 gram dan konsentrasi NH3 1000 ppm (M Kang dkk., 2008).
Daniel Gerrity (2009) melakukan penelitian dengan menggunakan plasma non
thermal untuk mendegradasi komponen organik. Dalam penelitian ini Non Thermal
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
38/145
Plasma (NTP) digunakan sebagai proses oksidasi lanjut dalam degradasi komponen
organic dalam limbah industri farmasi. Hasil penelitian menunjukkan NTP merupakan
alternatif untuk dijadikan alternatif proses untuk oksidasi lanjut karena energi yang
lebih efisien dan tidak perlu penambahan bahan kimia lain (Gerrity dkk., 2009).
Penelitian mengenai penyisihan amonia menggunakan membran yang telah
dilakukan di laboratorium Intensifikasi Proses Departemen Teknik Kimia Universitas
Indonesia diantara adalah Teguh Hikmawan (2009) melakukan penelitian pengolahan
air yang mengandung tembaga, timbal, dan amonia dengan proses ozonasi
gelembung mikro dan filtrasi membran, membran yang digunakan adalah membran
keramik. Pada penelitian ini penyisihan untuk senyawa amonia (tanpa campuran
kedua logam lainnya) dengan proses tersebut didapat kesimpulan bahwa persentase
penyisihan amonia sangat kecil dibandingkan pemisahan kedua logam lainnya, yaitu
sekitar 17,07%. Hal ini dikarenakan sifat amonia yang kurang reaktif terhadap ozon,
sehingga masih banyak sekali jumlah amonia yang tersisa, dan proses oksida lanjut
terhadap senyawa amonia kurang efektif digunakan pada senyawa amonia
(Hikmawan, 2010).
Diana Beauty (2010) melakukan penelitian pemisahan amonia dari limbah cair
dengan menggunakan membran serat berongga dan absorben pelarut bahan alam yaitu
Air Ciater. Pada penelitian ini, didapat kesimpulan, dengan membandingkan pelarut
asam sulfat dan pelarut bahan alam, yang memiliki nilai pemisahan yang terbaik
adalah dengan pelarut bahan alam, yaitu sekitar 35%. Hal ini dimungkinkan karena
masih terkadungnya ion-ion negatif yang dapat mengurangi tahanan perpindahan
massa pada fasa larutan penyerap. Dan didapatkan pH absorben optimum untuk
pemisahan amonia yaitu pada pH 0,7 (Beauty, 2010).
Milasari Herdiana (2011) melakukan penelitian dengan mengkombinasikan
proses ozonasi dan membran terhadap penghilangan ammonia dari air limbah. Pada
penelitian ini diperoleh efektivitas penyisihan amonia dengan proses hibrid tergolong
baik, bila dibandingkan dengan proses tunggal seperti dengan proses membran atau
ozonasi saja, proses hibrid mampu menyisihkan amonia sebesar 91% pada pH
absorben 0,7. Semakin rendah pH absorben, efektivitas penyisihan amonia dari air
limbah semakin meningkat (Herdiana, 2011).
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
39/145
Candrika Ajeng (2012) juga melakukan penelitian dengan mengkombinasikan
proses ozonasi dan membran terhadap penghilangan amonia dari air limbah, dengan
variasi laju sirkulasi umpan 3, 4, dan 5 Lpm. Proses hibrid mampu menyisihkan
amonia sebesar 89% dari konsentrasi awal menggunakan kontaktor serat berongga 22
serat, pada pH absorben 1, pH limbah sintetis 11, dan laju alir umpan 5 Lpm. Semakin
meningkatnya laju alir maka koefisien perpindahan massa akan semakin meningkat
karena terjadinya turbulensi aliran (Ajeng, 2012).
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
40/145
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Sasaran Penelitian
Tujuan proses pemisahan amonia terlarut dari air adalah untuk menurunkan
kadar amonia dalam air. Penelitian ini dilakukan untuk memisahkan amonia yang
terkandung dalam air dengan cara kombinasi proses absorbsi dalam membran serat
berongga dengan fasa cair absorben larutan asam sulfat, dan proses oksidasi lanjut
menggunakan kombinasi reaktor plasma dan ozonasi. Penelitian yang akan dilakukan
adalah penelitian kuantitatif dengan melakukan penelitian di laboratorium untukmengetahui efektivitas masing-masing proses serta kombinasi proses membran dan
reaktor hibridaplasma-ozon.
Dalam studi ini akan dipelajari perpindahan massa yang terjadi pada membran
serat berongga dalam kontaktor membran serta efektivitas proses oksidasi lanjut dalam
reaktor hibridaplasma-ozon. Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Intensifikasi
Proses Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia.
3.2 Tahapan Penelitian
Penelitian ini secara garis besar akan dilakukan menjadi enam tahapan yaitu
studi literatur, set upperalatan, uji perpindahan massa, pengolahan dan analisis data,
serta penulisan laporan. Penjabaran tahapan yang dilakukan pada penelitian ini dapat
dilihat pada Gambar 3.1. di bawah ini:
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
41/145
Gambar 3.1.Bagan Alir Penelitian
3.3 Set up Peralatan dan Bahan Penelitian
Set up peralatan dilakukan perancangan dan penyusunan alat yang digunakan
yaitu kontaktor membran serat berongga, reaktor hibrida plasma-ozon. Bahan yang
digunakan dalam penelitian ini adalah pelarut asam sulfat sebagai absorben dan
limbah amonia sintetis dengan konsentrasi amonia sebesar 800 ppm.
3.3.1 Peralatan Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1.
dengan gambar alat yang terdapat pada lampiran 3.
Tabel 3.1.Rincian Alat yang Digunakan dalam Penelitian
Peralatan Fungsi
Kaca Arloji dan TimbanganAlat untuk menimbang massa bahan yangdiperlukan
Beaker glass
Peralatan untuk mengukur laju produktivitasozonator
Statif
Erlenmeyer
Buret 50 cc
Sarung tangan, masker HEPA, dan Peralatan keamanan bekerja di laboratorium
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
42/145
jas lab
Stopwatch Alat untuk menghitung waktu tiap pekerjaan
Membran Serat Berongga Rangkaian alat untuk proses absorbsi amonia
Reaktor Hibrida Ozon Plasma Rangkaian reaktor untuk proses oksidasi lanjut
Kompresor Sumber udaraReaktor ozon Sumber ozon
Thermo-circulator Alat untuk menjaga suhu umpan
Amoniameter Alat untuk mengukur konsentrasi amonia
3.3.2 Bahan Penelitian
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel
3.2. berikut ini.
Tabel 3.2.Bahan yang Digunakan dalam Penelitian
Nama Bahan Keterangan
Ammonium sulfat
((NH4)2SO4)
Bahan untuk pembuatan limbah
sintetik amonia 800 ppm yang bebas
pengotor.
Natrium hidroksida
(NaOH)
Bahan untuk menyesuaikanpH
limbah sintetik
Aquadest (H2O) Pelarut untuk pembuatan limbah
sintetik dan larutan penyerap asam
sulfat
H2SO42 N(Asam Sulfat) Bahan untuk pembuatan larutanpenyerap asam sulfat
Reagen 1 dan Reagen 2
Amoniameter
Bahan untuk mengukur konsentrasi
amonia
Larutan KI 0,1 N
Bahan untuk menguji laju
produktivitas ozonator
Na2S2O3.5H2O 0,005
N
H2SO42 N
Indikator kanji
(amilum)
3.4 Prosedur Penelitian
Pada prosedur penelitian, dilakukan uji produktivitas plasma dan ozon, dan
uji perpindahan massa.
3.4.1 Uji Reaktor Hibrida Ozon Plasma
Proses oksidasi lanjut dalam penelitian ini adalah penggabungan teknologi
hibrida antara teknologi plasma dan ozon dalam reaktor dielectric barrier discharge
atau DBD cair (Reaktor Hibrida Ozon-Plasma) yang merupakan sistem reaktor hibrida
Ozon-Plasma hasil rancangan Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
43/145
Reaktor plasma ini dihubungkan dengan injektor yang memiliki lubang
tempat diinjeksikan gas oksigen atau ozon kedalamnya yang mana akan terjadi kontak
langsung dengan aliran limbah yang melaluinya. Diharapkan aliran limbah dengan
debit yang telah ditentukan tersebut akan bercampur homogen dengan gas oksigen
atau ozon. Injeksi udara tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga dapat
menggunakan oksigen sebagai gas reaktan dan sekaligus digunakan pula sebagai
media pendingin.
Reaktor hibrida ozon plasma berbentuk tabung dengan pemasangan elektroda,
media dielektrik, dan elektroda tegangan tinggi yang disusun berada pada satu sumbu
dan searah aliran gas reaktan dan limbah hasil. Aliran umpan melewati ruangan
elektroda tegangan tinggi untuk selanjutnya berbalik arah melewati bagian dalam
media dielektrik dan akan keluar pada lubang keluaran (output). Di dalam ruangan
elektroda terjadi proses plasmanisasi yaitu proses pemaparan gas dan larutan umpan
dalam medan listrik tegangan tinggi yang kemudian akan mengalami pembentukan
pembentukan radikal-radikal OH.
3.4.1.1 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Ozon Plasma
Rangkaian peralatan yang digunakan dalam reaktor hibrida ozon plasma pada
penelitian ini dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 3.2 Rangkaian Peralatan Reaktor Hibrida Ozon Plasma (Bismo, 2012)
Tangki Penampung
PompaRHOP
Injektor /
MixerFlowmeter udara
Kompresor/
udara
A
V
Flowmeter
Air
Power supply
Transformer
Step-Up
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
44/145
3.4.1.2 Uji Kinerja Reaktor Hibrida Plasma-Ozon
Uji kinerja reaktor hibrida ozon plasma ini menggunakan metode
iodometri. Metode iodometri ini berdasarkan reaktivitas ozon terhadap larutan KI.
Penggunaan metode iodometri dilakukan untuk menentukan kadar ozon dalam
bentuk gas, dimana ion iodida akan teroksidasi menjadi iodium. oleh ozon dalam
larutan buffer kalium iodida. pH larutan tersebut menjadi 2 dengan dengan pelarut
asam sulfat dan pembebasan iodium dititrasi dengan natrium tiosulfat. Reaksi
ozonasi kalium iodida adalah sebagai berikut (Day dan Underwood, 1991):
O3 + 2I- + H2O I2 + O2 + 2OH
- (3.1)
Pembebasan iodium (I
2) dititrasi dengan natrium tiosulfat:
I2 + 2Na2S2O3 2NaI + Na2S4O6 (3.2)
Gambar 3.3. Skema Uji Produktifitas Ozon
Prosedur untuk melakukan analisa untuk uji produktivitas ozonator dan
reaktor hibrida ozon plasma adalah sebagai berikut.
1. Disiapkan 2 buah erlenmeyer 500 mL dan gas washing bubbler
(bubbler)yang terdiri dari hulu dan hilir. Ditambahkan 200 mL KI 2%
ke dalam masing-masing erlenmeyer tersebut. Tutup dengan gas
washing bubbler (bubbler) dan disambungkan dengan selang ke bagian
ozonator.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
45/145
2. Dinyalakan ozonator dan stopwatch, kemudian diamati sampai larutan
mangasilkan warna kuning baik di hulu maupun hilir.
3. Apabila sudah terbentuk warna kuning, selanjutnya mematikan ozonator
dan stopwatch. Catat waktu yang dibutuhkan sampai terjadinya perubahan
warna menjadi kuning.
4. Kemudian larutan tersebut ditambahkan dengan H2SO4 2N dan
dititrasi dengan Na2S2O3 0,005 N. Titrasi dilakukan sampai warna larutan
kuning menjadi sedikit kuning muda. Kemudian ditambahkan dengan
indikator amilum sehingga larutan menjadi warna biru, lanjutkan titrasi
sampai larutan tidak berwarna. Titrasi dilakukan untuk sampel hulu dan hilir.
5. Dicatat volume titrasi yang diperoleh kemudian lakukan perhitungan.
3.4.2
Uji Perpindahan Massa
Variabel dalam penelitian ini adalah :
1. Variabel tetap adalah peralatan modul membran ( diameter serat, jenis polimer
yang digunakan) , peralatan modul plasma dan ozon ( tegangan yang dialirkan,
jenis elektroda yang digunakan) dan konsentrasi amonia dalam larutan umpan.
2.
Variabel bebas yang digunakan dalam penelitian ini adalah-pH larutan umpan dengan variasipH 10, 11 dan 12
-Temperatur umpan 20oC, 30 oC, dan 40 oC
- Jumlah serat membran berongga dengan variasi 50, 60, dan 70
-Laju sirkulasi air limbah dengan variasi 3 LPM, 4 LPM, dan 5 LPM.
3. Variabel terikat adalah konsentrasi amonia yang terdegradasi oleh masing-
masing proses serta kombinasi proses membran dengan proses oksidasi lanjut
dalam reaktor hibrida ozon plasma yang menunjukkan efektivitas proses
terhadap proses degradasi amonia.
3.4.2.1 Proses Membran
Pada proses tunggal penyisihan amonia menggunakan membran hal pertama
yang dilakukan adalah dengan mengalirkan larutan amonia yang ke dalam selongsong
acrylic. Kemudian langkah selanjutnya adalah mengalirkan larutan absorben (larutan
asam sulfat) ke dalam serat membran PVC. Membran PVC bersifat hidrofobik dan
mempunyai pori sehingga dengan adanya perbedaan konsentrasi gas amonia pada
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
46/145
membran dan selongsong akan menyebabkan gas amonia yang berada di dalam
selongsong bergerak menuju pori-pori dan masuk ke bagian dalam serat membran
yang kemudian diserap oleh larutan absorben.. Amonia yang akan digunakan adalah
dengan konsentrasi inlet 800 ppm. Kemudian amonia ini dipompakan ke dalam shell
yang laju alirnya diatur menggunakan valve sesuai variabel yang dapat dilihat pada
alat flowmeter. Larutan amonia yang keluar dari selongsong akan kembali ke dalam
bak penampung dan kemudian akan dialirkan lagi ke dalam selongsong, proses ini
terjadi berulang. Larutan amonia yang telah mengalami siklus dan berada pada
reservoirpenampung, akan diukur konsentrasinya dengan menggunakan amonia meter
setiap selang waktu 30 menit selama sirkulasi 2 jam.
Untuk menentukan jumlah amonia terlarut digunakan alat amonia meter. Studi
perpindahan massa dilakukan dengan menghitung nilai koefisien perpindahan massa
dengan menggunakan data perubahan konsentrasi amonia.
Flowmeter
Air
Tangki Umpan
Pompa Valve
Abs orb en
(out)Abs orb en
(in)
Kontaktor MembranAmonia Meter
Pompa peristaltik
Gambar 3.4. Skema Peralatan Proses Membran
3.4.2.2 Proses Hibrida Plasma dan Ozon
Pada proses penyisihan amonia dengan proses oksidasi lanjut menggunakan
Reaktor hibrida ozon plasma , dilakukan dengan mengalirkan limbah sintetik yang
mengandung ammonia dengan konsentrasi 800 ppm dan pH sesuai varibel yang
digunakan. Larutan umpan dipompakan menuju plasma dengan mengatur laju alir
sesuai variabel yang ditentukan dengan menggunakan valve. Sebelumnya tegangan
regulator diatur sesuai dengan keperluan (+ 175 V). Amonia yang keluar dari plasma
outlet dari plasma akan dialirkan ke dalam reservoir dan akan diukur kembali
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
47/145
konsentrasinya dengan menggunakan amonia meter setiap selang waktu 30 menit
selama sirkulasi 2 jam. Selain itu dalam Reaktor hibrida ozon plasma juga akan
divariasikan injeksi udara yang diberikan yaitu injeksi dengan ozon atau injeksi udara
tanpa menggunakan ozon.
Reaktor
Hibrida
Ozon dan
Plasma
Tangki Umpan
Pompa
Valve
Flowmeter
Ai r
Amo nia Meter
Ozonator
Flowmeter
Udara
Injektor-
Mixer
Kompresor
Gambar 3.5. Skema Peralatan Proses Plasma
3.4.2.3Proses Gabungan Reaktor hibrida ozon plasma dan Membran
Prosedur yang akan dilakukan pada penyisihan amonia dengan gabungan
Reaktor hibrida ozon plasma dan membran adalah sama dengan proses penyisihan
amonia dengan Reaktor hibrida ozon plasma saja atau dengan membran saja, namun
pada proses ini dilakukan penggabungan dua proses tersebut. Larutan amonia yang
telah keluar dari selongsong kemudian disirkulasikan ke reaktor hibrida, outlet dari
reaktor hibrida ozon plasma akan dialirkan kembali ke membran dan akan diukur
kembali konsentrasinya dengan menggunakan amonia meter setiap selang waktu 30
menit selama waktu sirkulasi selama 2 jam.
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
48/145
I-1
Pompa Valve
FlowmeterAi r
Abs orb en
(in)Abs orben
(out)
Kontaktor Membran
Reaktor Hibrida
Ozon dan PlasmaAmonia
Meter Injektor-Mixer
PompaPeristaltik
E-14E-13 I-3
P-38
P-40
Flowmeter
Udara KompresorOzonator
Thermo
sirkulator
Gambar 3.6. Skema Peralatan Proses Reaktor Hibrida Ozon Plasma dan Membran
3.5 Pengolahan dan Analisis Data
Langkah selanjutnya adalah mengolah dan menganalisis data untuk
mengetahui efektivitas proses penyisihan amonia yang dapat dilihat dari konversi
amonia yang dihitung dengan mengukur jumlah amonia yang terkonversi (ppm) dan
Amonia yang terlarut dalam larutan umpan (ppm) dan studi hidrodinamika.
Dalam penelitian ini akan dilakukan tiga macam cara untuk menyisihkan
amonia yaitu penyisihan amonia dengan menggunakan membran serat berongga,
penyisihan amonia dengan proses tunggal dalam Reaktor hibrida ozon plasma, serta
penyisihan amonia dengan proses gabungan membran serat berongga dengan
kombinasi Reaktor hibrida ozon plasma.
3.5.1 Persen Penyisihan Amonia (% R)
Efisiensi penyisihan amonia dari limbah dihitung dengan menggunakan
persamaan berikut ini:
(3.3)
dimana:
C0= Konsentrasi awal amonia (ppm)
C t= Konsentrasi amonia pada saat t (ppm)
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
49/145
3.5.2 Menghitung Koefisien Perpindahan Massa
Gambar di bawah ini adalah skema alir penyisihan amonia melalui kontaktor
membran serat berongga.
V-1
Flowmeter
Tangki Umpan
Pompa
Valve
Abs orb en (ou t) Abs orb en (in )
Kontaktor Membran
VLCL
QC1
C2
L, a, C*Pompa
Peristaltik
Gambar 3.7. Skema Peralatan Proses Membran untuk Penurunan Rumus KoefisienPerpindahan Massa
Perpindahan amonia melewati tiap satuan serat membran dapat ditulis sebagai
berikut:
*( )LL L
dCV K a C C
dz
=
(3.4)
Tekanan amonia pada fasa gas sama dengan tekanan amonia pada serat
sehingga konsentrasi amonia pada fasa interface (C*) cenderung konstan, sangat kecil
dan dapat diabaikan. Pada laju alir gas yang sangat kecil di dalam serat, penurunan
tekanan sepanjang serat dapat diabaikan dan diasumsikan tekanan konstan. Jika
pengaruh konsentrasi amonia terlarut (CL) konstan maka batas kondisi CL=C1 pada
Z=0 dan CL=C2pada Z=L diaplikasikan, dan integrasi persarmaan akan menghasilkan
persamaan berikut ini:
2
1*0 0( )
L
L
C C pada z L z LL
C C pada z zL L
dC K adz
C C V
= = =
= = =
=
Penyisihan amonia..., Silvia Rahmi Ekasari, FT UI, 2013
7/25/2019 File kesetimbangan VLE
50/145
( )
( )
( )
2
1
*
0
*
1
*
2
*
2
*
1
*
2
*
1
* *
2 1
* *
2 1
ln
ln
ln
exp
exp
exp
C z L
LzC
L
L
L
L
L
L
K a LC C
V
C C K a L
C C V
C C K a L
C C V
C C K a L
C C V
K a LC C C C
V
K a L
C C C C V
=
=
=
=
=
=