STUDI PENGARUH VARIABEL LAJU ALIR NaOH DALAM PROSES ABSORBSI GAS CO2

M. Hasnan A. Najib, Putri Prima A, Nurul Kumaeti, dan Hapsoro A. Aji Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik,Universitas Diponegoro, Semarang

Jl. Prof. Soedarto – 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058

ABSTRAKAbsorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu

campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Tujuan percobaan kami adalah untuk mempelajari pengaruh waktu terhadap jumlah CO2 yang terserap, menentukan besar kGa dan kLa serta k2 pada proses absorbsi. Variabel tetap pada percobaan kami adalah NaOH 0,1 N, HCL 0,1 N, beda pengambilan sampel satu menit, tekanan 5,6 atm. Variabel berubahnya laju alir NaOH (0,2; 0,4; 0,6) L/menit. NaOH. Dari hasi percobaan didapatkan bahwa semakin lama watktu, kontak antara NaOH dengan CO2 semakin lama sehingga terjadi peningkatan jumlah CO2 yang terserap. Semakin besar laju alir, nilai kGa turun kemudian naik karena aliran belum steady. Semakin besar laju alir, nilai kLa turun kemudian naik karena aliran belum steady. Semakin besar laju alir maka nilai k2 makin tinggi.

Kata Kunci: Absorbsi, kGa, kLa, dan k2

ABSTRACTAbsorption is a process of separation in the chemical industry in which a gas mixture

is contacted with a liquid absorbent so that one or more specific gas component is dissolved in the liquid. The purpose of our experiments was to study the effect of time on the amount of CO2 absorbed, determine the amount and kGa, kLa and k2 in the process of absorption. Fixed variable is 0.1 N NaOH, 0.1 N HCl, different sampling one minute, the pressure of 5.6 atm. Changing the variable flow rate of NaOH (0.2: 0.4: 0.6) L / min. Goal should be obtained from experiments that the longer time, contact between the NaOH with CO2 so as to increase the longer the amount of CO2 absorbed. The greater the flow rate, the value kGa down then go up because the flow has not been steady. The greater the flow rate, kLa value decreased and then increased as the flow has not been steady. The greater the flow rate the higher the value of k2.

Keywords: Absorption, kGa, kLa, and k2

PENDAHULUAN Latar Belakang

Hampir semua reaksi kimia yang diterapkan dalam industri kimia melibatkan bahan baku yang berbeda wujudnya, baik berupa padatan, gas maupun cairan. Oleh karena itu, reaksi kimia dalam suatu industri dapat terjadi dalam fase ganda atau heterogen, misalnya biner atau bahkan tersier (Coulson 1996). Walaupun terdapat perbedaan wujud pada bahan-bahan baku yang direaksikan, namun terdapat satu fenomena yang selalu terjadi. Sebelum reaksi kimia berlangsung, maka salah satu atau lebih bahan baku (reaktan) akan berpindah dari aliran utamanya menuju ke lapisan antarfase/batas atau menuju aliran utama bahan baku yang lain yang berada di fase yang berbeda.

Absorpsi gas-cair merupakan proses heterogen yang melibatkan perpindahan komponen gas yang dapat larut menuju penyerap yang biasanya berupa cairan yang tidak mudah menguap (Franks 1967). Reaksi kimia dalam proses absorpsi dapat terjadi di lapisan gas, lapisan antar fase, lapisan cairan atau bahkan badan utama cairan, tergantung pada konsentrasi dan reaktifitas bahan-bahan yang direaksikan. Untuk memfasilitasi berlangsungnya tahapan-tahapan proses tersebut, biasanya proses absorpsi dijalankan dalam reaktor tangki berpengaduk bersparger, kolom gelembung (bubble column) atau kolom yang berisi tumpukan partikel inert (packed bed column). Proses absorpsi gas-cair dapat diterapkan pada pemurnian gas sintesis, recovery beberapa gas yang masih bermanfaat dalam gas buang atau bahkan pada industri yang melibatkan pelarutan gas dalam cairan, seperti H2SO4, HCl, HNO3, formadehid dll (Coulson 1996). Absorpsi gas CO2 dengan larutan hidroksid yang kuat merupakan proses absorpsi yang disertai dengan reaksi kimia order 2 antara CO2 dan ion OH- membentuk ion CO3

2- dan H2O. Sedangkan reaksi antara CO2 dengan CO3

2- membentuk ion HCO3- biasanya diabaikan (Danckwerts, 1970; Juvekar dan Sharma, 1972). Namun, menurut Rehm et al. (1963) proses ini juga bisa dianggap

mengikuti reaksi order 1 jika konsentrasi larutan NaOH cukup rendah (encer).

Perancangan reaktor kimia dilakukan berdasarkan pada permodelan hidrodinamika reaktor dan reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Suatu model matemátika merupakan bentuk penyederhanaan dari proses sesungguhnya di dalam sebuah reaktor yang biasanya sangat rumit (Levenspiel, 1972). Reaksi kimia biasanya dikaji dalam suatu proses batch berskala laboratorium dengan mempertimbangkan kebutuhan reaktan, kemudahan pengendalian reaksi, peralatan, kemudahan menjalankan reaksi dan analisis, dan ketelitian.

Tujuan Percobaan

Tujuan dari percobaan yang dilakukan adalah agar mahasiswa mampu menjelaskan mengenai pengaruh laju alir NaOH terhadap jumlah CO2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi, pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 (kGa), pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 (kLa), dan pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai tetapan reaksi antara CO2 dan NaOH (k2)

LANDASAN TEORI

Absorbsi

Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Absorbs dapat terjadi melalui dua mekanisme, yaitu absorbsi fisik dan absorbsi kimia.

Absorbsi fisik merupakan suatu proses yang melibatkan peristiwa pelarutan gas dalam larutan penyerap, namun tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh proses ini adalah absorbsi gas H2S dengan air, methanol, propilen karbonase. Penyerapan terjadi karena adanya interaksi fisik.

Mekanisme proses absorbsi fisik dapat dijelaskan dengan beberapa model, yaitu: teori dua lapisan (two films theory) oleh Whiteman (1923), teori penetrasi oleh Dankcwerts dan teori permukaan terbaharui.

Absorbsi kimia merupakan suatu proses yang melibatkan peristiwa pelarutan gas dalam larutan penyerap yang disertai dengan reaksi kimia. Contoh peristiwa ini adalah absorbsi gas CO2 dengan larutan MEA, NaOH, K2CO3 dan sebagainya. Aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO2 pada pabrik Amonia seperti yang terlihat pada gambar 2.1

Gambar 1 Proses absorpsi dan desorpsi CO2

dengan pelarut MEA di pabrik Amonia

Proses absorpsi dapat dilakukan dalam tangki berpengaduk yang dilengkapi dengan sparger, kolom gelembung (bubble column), atau dengan kolom yang berisi packing yang inert (packed column) atau piringan (tray column). Pemilihan peralatan proses absorpsi biasanya didasarkan pada reaktifitas reaktan (gas dan cairan), suhu, tekanan, kapasitas, dan ekonomi.

Analisis Perpindahan Massa dan Reaksi dalam Proses Absorpsi Gas oleh Cairan.

Secara umum, proses absorpsi gas CO2 ke dalam larutan NaOH yang disertai reaksi kimia berlangsung melalui empat tahap, yaitu perpindahan massa CO2 melalui lapisan gas menuju lapisan antar fase gas-cairan, kesetimbangan antara CO2 dalam fase

gas dan dalam fase larutan, perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke badan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil (OH-). Skema proses tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2 Mekanisme absorpsi gas CO2

dalam larutan NaOH

Gambar 2 Mekanisme Absorbsi Gas CO2 dalam Larutan NaOH

Laju perpindahan massa CO2

melalui lapisan gas:(1)

Kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam fase larutan :

(2)dengan H pada suhu 30oC = 2,88 10-5 g mole/cm3. atm.

Laju perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke badan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil:

(3)

Kedaan batas:

(a)

(b) (b)

dengan z adalah koefisien reaksi kimia antara CO2 dan [OH-}, yaitu = 2.

Gas bulk flow

pgpai

A*

Liq. bulk flowGas film Liq. film

Di fase cair, reaksi antara CO2

dengan larutan NaOH terjadi melalui beberapa tahapan proses:

NaOH(s)

Na+ (l) + OH- (l) (a)

CO2 (g) CO2 (l) (b)

CO2 (l) + OH- (l) HCO3

- (l) (c)

HCO3

-(l) + OH-

(l)

H2O(l) + CO32-

(l) (d) CO3

2-(l) + Na+

(l) Na2CO3(l) (e)

Langkah d dan e biasanya berlangsung dengan sangat cepat, sehingga proses absorpsi biasanya dikendalikan oleh peristiwa pelarutan CO2 ke dalam larutan NaOH terutama jika CO2 diumpankan dalam bentuk campuran dengan gas lain atau dikendalikan bersama-sama dengan reaksi kimia pada langkah c (Juvekar dan Sharma, 1973).

Eliminasi A* dari persamaan 1, 2 dan 3 menghasilkan :

(4)

Jika nilai kL sangat besar, maka:

,

sehingga persamaan di atas menjadi:

(5)

Jika keadaan batas (b) tidak dipenuhi, berarti terjadi pelucutan [OH-] dalam larutan. Hal ini berakibat:

(6)

Dengan demikian, maka laju absorpsi gas CO2 ke dalam larutan NaOH akan mengikuti persamaan:

(7)

Dengan adalah enhancement factor yang merupakan rasio antara koefisien transfer massa CO2 pada fase cari jika absorpsi disertai reaksi kimia dan tidak disertai reaksi kimia seperti dirumuskan oleh Juvekar dan Sharma (1973):

(8)

Nilai diffusivitas efektif (DA) CO2

dalam larutan NaOH pada suhu 30oC adalah 2,1 10-5 cm2/det (Juvekar dan Sharma, 1973).

Nilai kGa dapat dihitung berdasarkan pada absorbsi fisik dengan meninjau perpindahan massa total CO2 ke dalam larutan NaOH yang terjadi pada selang waktu tertentu di dalam alat absorpsi. Dalam bentuk bilangan tak berdimensi, kGa

dapat dihitung menurut persamaan (Kumoro dan Hadiyanto, 2000):

(9)

Denga dan

Secara teoritik, nilai kGa harus memenuhi persamaan:

(10)

Jika tekanan operasi cukup rendah, maka plm dapat didekati dengan

p = pin-pout.Sedangkan nilai kla dapat dihitung secara empirik dengan persamaan (Zheng dan and Xu, 1992):

(11)

Jika laju reaksi pembentukan Na2CO3

jauh lebih besar dibandingkan dengan laju difusi CO2 ke dalam larutan NaOH, maka konsentrasi CO2 pada batas film cairan dengan badan cairan adalah nol. Hal ini disebabkan oleh konsumsi CO2 yang sangat cepat selama reaksi sepanjang film.Dengan demikian, tebal film (x) dapat ditentukan persamaan:

(12)

METODOLOGI PERCOBAAN

Bahan dan Alat yang Digunakan

1. Bahan yang Digunakan Natrium Hidroksida (NaOH)

Menggunakan NaOH teknis berbentuk kristal dan berwarna putih, diproduksi oleh PT. BRATACO CHEMIKA.

Gas Karbondioksida (CO2)Menggunakan CO2 teknis yang dicairkan, diproduksi oleh PT. SAMATOR.

UdaraMenggunakan udara dari kompresor.

Aquadest (H2O)Menggunakan H2O dari proses Reverse Osmosis (RO).

HClMenggunakan HCl dengan kemurnian 25% yang diproduksi oleh MERCK KGaA.

Indikator TitrasiMenggunakan PP dan MO

2. Alat Percobaan Tabung CO2

Kolom Packing Tangki NaOH Pompa

Manometer Kompresor Tabung Penyampur Ember

Gambar Alat

Gambar 3 Rangkaian Alat Utama

Variabel Operasi

a. Variabel tetap Tekanan CO2 : 5,6 atm Konsentrasi NaOH : 0,1 N, 10 L Konsentrasi HCl : 0,1 N Suhu : 30 oC Beda pengambilan sampel 1 menit

b. Variabel berubahLaju alir NaOH : 0,2 L/menit; 0,4 L/menit; 0,6 L/menit

Respon Uji Hasil

Konsentrasi ion CO32- dalam larutan sampel

dan CO2 yang terserap

Prosedur Percobaan

1. Buat larutan induk NaOH dengan konsentrasi 0,1 N sebanyak 10 L Timbang 40 gr NaOH

Tangki pencampur

Tangki CO2

Bak penampung

2

Bak penampung

1Pompa celup

kompresor

Kol

om

abso

rpsi

manometer

manometer

Kra

n pe

ngen

dali

al

iran

manometer

manometer

Dilarutkan dalam aquadest sebanyak 10 L

Larutan NaOH ditampung dalam tangki untuk dioperasikan

2. Menentukan fraksi ruang kosong pada kolom absorpsi Pastikan kran di bawah kolom

absorpsi dalam posisi tertutup Alirkan larutan NaOH dari bak

penampung 2 ke dalam kolom absorpsi.

Hentikan jika tinggi cairan di dalam kolom tepat setinggi tumpukan packing.

Keluarkan cairan dalam kolom dengan membuka kran di bawah kolom, tampung cairan tersebut dan segera tutup kran jika cairan dalam kolom tepat berada pada packing bagian paling bawah.

Catat volume cairan sebagai volume ruang kosong dalam kolom absorpsi = Vvoid.

Tentukan volume total kolom absorpsi, yaitu dengan mengkur diameter kolom (D) dan tinggi

tumpukan packing (H),

Fraksi ruang kosong kolom

absorpsi =

3. Operasi Absorpsi NaOH 0,1 N dipompa dan diumpankan

ke dalam kolom melalui bagian atas kolom pada laju alir tertentu hingga keadaan mantap tercapai.

Alirkan gas CO2 melalui bagian bawah kolom. Ukur beda ketinggian cairan dalam manometer 1, manometer 2 dan manometer 3, manometer 4 jika aliran gas sudah steady.

Ambil 10 mL sampel cairan dari dasar kolom absorpsi tiap 1 menit selama 10 menit dan dianalisis kadar ion karbonat atau kandungan NaOH bebasnya.

Ulangi percobaan untuk nilai variabel kajian yang berbeda.

4. Analisis sampel

Sebanyak 10 mL sampel cairan ditempatkan dalam gelas erlenmeyer 100 mL.

Tambahkan indikator fenol fthalein (PP) sampai merah jambu, dan titrasi sample dengan larutan HCl 0,1 N sampaiwarna merah hampir hilang (kebutuhan titran = a mL), maka mol HCl = a 0,1 mmol.

Tambahkan 2-3 tetes indikator metil jingga (MO), dan titrasi dilanjutkan lagi sampai warna jingga berubah menjadi merah (kebutuhan titran = b mL), atau kebutuhan HCl = b 0,1 mmol.

Jumlah NaOH bebas = (2a-b) 0,1 mmol di dalam 10 mL sample

Konsentrasi NaOH bebas = (2a-b) 0,01 mol/L

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengaruh Waktu terhadap CO2 yang Terserap

Gambar 4 Grafik Hubungan Waktu Vs Jumlah CO2 Terserap

Pada gambar di atas menunjukkan bahwa pada variabel I dengan laju alir 0,2 L/menit grafik konstan pada menit ke-4, variabel II dengan laju alir 0,4 L/menit grafik konstan pada menit ke-6, variabel III dengan laju alir 0,6 L/menit grafik konstan pada menit ke-7. Hal tersebut menunjukkan bahwa semakin lama waktu operasi maka kontak antara udara dengan CO2 akan semakin lama. Sehingga reaksi berjalan lebih sempurna. Pada awalnya akan terjadi peningkatan jumlah CO2 yang terserap

kemudian pada suatu waktu jumlah CO2

yang terserap akan konstan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa jumlah CO2 yang terserap akan konstan seiring berjalannya waktu.

(tekimerzites.wetpaint.com/page/absorbsi+CO2+Dengan+NaO)

Pengaruh Laju Alir NaOH terhadap Konstanta Perpindahan Massa kGa

Gambar 5 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH terhadap Konstanta Perpindahan

Massa ( kGa)

Pada gambar di atas terlihat bahwa grafik turun pada laju alir 0,4 L/menit, kemudian naik pada 0,6 L/menit,. Grafik turun karena aliran pada packed column belum mencapai keadaan steady. Karena jika aliran pada packed column sudah steady, maka nilai kGa akan semakin besar (grafik naik) seiring meningkatnya laju alir. Hal ini disebabkan karena kenaikan laju alir NaOH akan meningkatkan koefisien perpindahan massa antar fase gas-cair. Hal ini dapat terjadi karena semakin besar laju alir cairan maka kontak antara gas dengan cairan semakin baik. Dengan demikian, jumlah gas yang didapat berpindah dari fase gas menuju fase cairan juga semakin besar.

(Kumoro, Andri Cahyo dan Hadiyanto, “Absorpsi Gas Karbondioksida dengan Larutan Soda Api dalam Unggun Tetap”)

Pengaruh Laju Alir NaOH terhadap Konstanta Perpindahan Massa ( kLa)

Gambar 6 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH terhadap Konstanta Perpindahan Massa ( kLa)

Gambar di atas terlihat bahwa grafik turun pada laju alir 0,4 L/menit, kemudian naik pada 0,6 L/menit,. Grafik turun karena aliran pada packed column belum mencapai keadaan steady. Karena jika aliran pada packed column sudah steady, maka nilai kGa akan semakin besar (grafik naik) seiring meningkatnya laju alir. Hal ini disebabkan karena laju alir (Q) berbanding lurus dengan nilai kLa, sesuai rumus:

( 11 )

Berdasarkan persamaan tersebut, dapat disimpulkan bahwa semakin besar laju alir suatu cairan, maka nilai kLa semakin besar sebagai akibat dari kontak antara gas dengan cairan yang semakin banyak.

(buku panduan praktikum proses kimia/ landasan teori)

Pengaruh Laju Alir NaOH terhadap Nilai k2

Gambar 7 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH terhadap Nilai k2

Pada gambar di atas terlihat bahwa grafik cenderung fluktuatif. Hal ini disebabkan aliran belum mencapai keadaan steady. Karena jika aliran sudah steady maka semakin besar aliran maka semakin besar laju alir yang menyebakan nilai k2 semakin tinggi. Hal itu disebabkan oleh arus turbulen pada variabel-variabel tersebut. Pada aliran turbulen, molekul-molekul dalam fluida bergerak ke segala arah sehingga menyebabkan tumbukan antar partikel yang semakin besar pula. Dikatakan aliran turbulen karena mempunyai bilangan Reynold lebih besar dari 1000 ( Steven F. Miller and C Judson King, 1996).

Hubungan antara faktor tumbukan dengan harga k2 digambarkan melalui persamaan Arhenius:

k = Ae-E/RT, dimana: k : Konstanta kecepatan reaksiA: Faktor tumbukanE : Energi aktivasiR : Konstanta gas, danT : Suhu

Berdasarkan persamaan tersebut di atas maka semakin besar faktor tumbukan, harga konstanta kecepatan reaksi juga besar. Hal ini terjadi karena faktor tumbukan dipengaruhi oleh laju alir. Jadi semakin besar laju alir NaOH maka k2 semakin besar, karena besarnya laju alir berbanding lurus dengan besarnya k2 ( Levenspiel, O, 1972)

5. Kesimpulan

Dari percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa semakin lama waktu

operasi maka kontak antara larutan NaOH dengan gas CO2 akan semakin lama sehingga terjadi peningkatan jumlah CO2 yang terserap, kemudian semakin besar laju alir cairan maka kGa mengalami penurunan terlebih dahulu baru kemudian naik karena aliran belum steady sehingga saat keadaan sudah steady maka nilai kGa akan semakin besar, selanjutnya semakin besar laju alir maka nilai kLa mengalami penurunan terlebih dahulu baru kemudian naik karena aliran belum steady sehingga saat keadaan sudah steady maka nilai kLa akan semakin besar dan semakin besar laju alir NaOH maka nilai k2 semakin besar

Ucapan Terima Kasih

Terima kasih disampaikan kepada Dr. Andri Cahyo Kumoro, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing dan asisten Laboratorium Proses Kimia, Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang.

Referensi

Coulson, J.M. dan Richardson, J.F., 1996, Chemical Engineering: Volume 1: Fluid flow, heat transfer and mass transfer, 5th ed. Butterworth Heinemann, London, UK.

Danckwerts, P.V. dan Kennedy, B.E., 1954, Kinetics of liquid-film process in gas absorption. Part I: Models of the absorption process, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, 32:S49-S52.

Danckwerts, P.V., 1970, Gas Liquid Reactions, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, pp. 42-44,

Franks, R.G.E., 1967, Mathematical modeling in chemical engineering. John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, USA, pp. 4-6.

Higbie, R., 1935, The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during

short period of exposure, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, 31,365-388.

Juvekar, V. A. dan Sharma, M.M., 1972, Absorption of CO, in a suspension of lime, Chemical Engineering Science, 28, 825-837.

Kumoro dan Hadiyanto, 2000, Absorpsi Gas Karbondioksid dengan Larutan Soda Api dalam Unggun Tetap, Forum Teknik, 24 (2), 186-195.

Levenspiel, O., 1972, Chemical reaction engineering, 2nd ed. John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, USA, pp. 210-213, 320-326.

Olutoye, M. A. dan Mohammed, A., 2006, Modelling of a Gas-Absorption Packed Column for Carbon Dioxide-Sodium Hydroxide System, African Union Journal of Technology, 10(2),132-140

Rehm, T. R., Moll, A. J. and Babb, A. L., 1963, Unsteady State Absorption of Carbon Dioxide by Dilute Sodium Hydroxide Solutions, American Institute of Chemical Engineers Journal, 9(5), 760-765.

Zheng, Y. and Xu, X. (1992), Study on catalytic distillation processes. Part I. Mass transfer characteristics in catalyst bed within the column, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, (Part A) 70, 459–464.

Steven F. Miller and C. Judson King. Axial Dispersion in Liquid Flow Trough Packed Bed. Vol.12-No 44. Page 770. 1966

http://tekimerzites.wetpaint.com/page/absorbsi+CO2+Dengan NaOH