Download pdf - Parameter Pencemaran Udara

BAB II

LANDASAN TEORI

II.1. Parameter Pencemar Udara

Selama ini teknologi pengolahan limbah kurang mendapatkan perhatian

serius di Indonesia. Padahal, tidak sedikit permasalahan limbah cair maupun gas

terbentur pada permasalahan penggunaan teknologi. Dengan semakin

berkembangnya perindustrian di Indonesia, sudah selayaknya pemilihan serta

penggunaan teknologi yang tepat dalam mengatasi masalah limbah segera

diterapkan.

Limbah Industri dibedakan menjadi empat jenis, yaitu:

a. Limbah cair

b. Limbah padat

c. Limbah gas dan partikel

d. Limbah B3 (bahan berbahaya beracun)

Parameter pencemar udara yang dihasilkan dari ruang pembakaran pada

boiler adalah :

A. Sulfur Dioksida

a. Sifat fisik

Pencemaran oleh sulfur oksida terutama disebabkan oleh dua komponen

sulfur bentuk gas yang tidak berwarna, yaitu sulfur dioksida (SO2) dan Sulfur

trioksida (SO3), dan keduanya disebut sulfur oksida (SOx). Sulfur dioksida

mempunyai karakteristik bau yang tajam dan tidak mudah terbakar di udara,

sedangkan sulfur trioksida merupakan komponen yang tidak reaktif.

Universitas Sumatera Utara

b. Sumber dan Distribusi

Masalah yang ditimbulkan oleh bahan pencemar yang dibuat oleh manusia

adalah dalam hal distribusinya yang tidak merata sehingga terkonsentrasi pada

daerah tertentu. Sedangkan pencemaran yang berasal dari sumber alam biasanya

lebih tersebar merata. Tetapi pembakaran bahan bakar di industri pada dasarnya

merupakan sumber pencemaran SOx, misalnya bahan bakar bakar batu bara.

c. Dampak dan Pencegahan

Pencemaran SOx menimbulkan dampak terhadap manusia dan hewan,

kerusakan pada tanaman terjadi pada kadar sebesar 0,5 ppm. Pengaruh utama

polutan SOx terhadap manusia adalah iritasi sistim pernafasan.

Untuk menekan emisi gas SOx digunakan unit FGD (Flue Gas

Desulfurizazi).

B. Carbon Monoksida

a. Sifat Fisik

Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berbau, tidak berasa dan

pada suhu udara normal berbentuk gas yang tidak berwarna. Senyawa CO

mempunyai potensi bersifat racun yang berbahaya karena mampu membentuk

ikatan yang kuat dengan pigmen darah


Sumber CO buatan antara lain kendaraan bermotor, terutama yang

menggunakan bahan bakar bensin, sedangkan dari sumber tidak bergerak seperti

pembakaran batubara, minyak dari industri dan pembakaran sampah domestik.



Dampak dari CO bervasiasi tergantung dari status kesehatan seseorang,

pengaruh CO kadar tinggi adalah terhadap sistem syaraf pusat. Untuk menekan

emisi CO digunakan unit Scrubber pada cerobong asap.

C. Nitrogen Dioksida

a. Sifat fisik

Oksida Nitrogen (NOx) adalah kelompok gas nitrogen yang terdapat di

atmosfir yang terdiri dari nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO2).

Nitrogen monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau

sebaliknya nitrogen dioksida berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam.


Sumber pencemaran NOx yang terbesar adalah dari aktifitas manusia di

perkotaan dan kegiatan industri.


Dampak NOx berbahaya bagi mahkluk hidup sekitar dan bersifat racun

terutama terhadap paru. Untuk menekan emisi NOx digunakan unit Low NOx

Combustion.

D. Partikel Debu

a. Sifat Fisik

Pada dasarnya sisa pembakaran dari gas buang boiler yang bersifat debu

dibedakan menjadi dua jenis, yaitu :


• Bottom Ash (abu dasar), bersifat mengendap pada ruang pembakaran

dan proses pembuangannya hanya menggunakan conveyor.

• Fly Ash (abu terbang).

Partikulat debu melayang (fly ash) merupakan campuran yang sangat rumit

dari berbagai senyawa organik dan anorganik yang tersebar di udara dengan

diameter yang sangat kecil, mulai dari < 1 mikron sampai dengan maksimal 500

mikron. Partikulat debu tersebut akan berada di udara dalam waktu yang relatif

lama dalam keadaan melayang-layang di udara dan masuk kedalam tubuh

manusia melalui saluran pernafasan. Fly ash pada umumnya mengandung

berbagai senyawa kimia yang berbeda, dengan berbagai ukuran dan bentuk yang

berbeda pula, tergantung dari mana sumber emisinya.


Partikulat debu melayang dihasilkan dari pembakaran batu bara yang tidak

sempurna sehingga terbentuk aerosol kompleks dari butir-butiran tar.

Dibandingkan dengan pembakaraan batu bara, pembakaran minyak dan gas pada

umunya menghasilkan abu terbang lebih sedikit.


Pengaruh partikulat debu bentuk padat maupun cair yang berada di udara

sangat tergantung kepada ukurannya. Ukuran partikulat debu yang

membahayakan kesehatan umumnya berkisar antara 0,1 mikron sampai dengan 10

mikron. Adanya ceceran logam beracun yang terdapat dalam partikulat debu di

udara merupakan bahaya yang terbesar bagi kesehatan. Batas baku mutu emisi


debu yang ditetapkan pemerintah untuk PLTU berbahan bakar batubara sebesar

150 mg/m³.

Untuk menekan emisi debu digunakan Electrostatic Precipitator (ESP).

II.2. Metode Pembersihan Gas Buang Boiler

Adapun metode pembersihan gas buang boiler yang digunakan dalam

industri adalah:

II.2.1. Sistem Mekanis Kering

II.2.1.1. Siklon (Cyclone)

Prinsip kerja sistem siklon pada gambar 2.1 berawal dari gas yang masuk

dengan bantuan ID fan. Gas akan mengikuti bentuk alur dari sirip-sirip siklon

yang mengakibatkan gas yang masuk akan mengalami pergerakan siklon menuju

ke arah bawah. Partikel-partikel debu akan terkumpul di tengah-tengah vortex

(pusaran) dan jatuh ke bawah, sedangkan gasnya akan terpantul dan bergerak ke

atas membentuk pusaran baru yang letaknya berada di dalam pusaran yang

mengarah ke bawah saat penutup dust outlet dalam keadaan tertutup. Sehingga

untuk pusaran yang mengarah ke bawah disebut inner vortex, sedangkan untuk

pusaran yang mengarah ke bawah disebut outer vortex.


Gambar 2.1 : Sistem Siklon (cyclone)

Dengan menggunakan sistem siklon ini efisiensi yang didapat sekitar 80 %,

sedangkan ukuran partikel terkecil yang diperoleh > 10 μC. Namun pada

kenyataannya separator jenis ini sangat tergantung dengan kondisi tekanan dan

temperatur gas buang itu sendiri. Padahal tekanan dan temperature pada kondisi

riil hampir setiap saat mengalami perubahan walaupun tidak terlalu signifikan.

Aplikasi sistem cyclone pada industri terdapat pada industri peleburan

timah, PB (Particle board), pabrik pengolahan kayu maupun industri yang

menggunakan bahan bakar dari serbuk kayu.

II.2.1.2. Multi Siklon (Multi Cyclone)

Sistem ini merupakan penyempurnaan dari sistem siklon. Pada sistem ini

terdapat beberapa siklon yang terpasang di dalamnya yang berbentuk seri dan

bertingkat. Gas asap masuk dengan arah tangensial ke dalam ruang utama

penampungan pertama siklon, sehingga butiran-butiran debu yang kasar terpisah

dari gas asap.


Butiran-butiran debu yang halus dan sedang berat jenisnya akan terpisah dari

gas asap pada siklon-siklon kecil tingkat kedua, sedangkan butiran debu yang

halus serta ringan masih dapat lolos dari proses pemisahan debu multi siklon ini

Dengan metode multi siklon pada gambar 2.2 efisiensi yang didapat < 95 %,

sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang diperoleh > 5 μC.

Gambar 2.2 : Sistem Multi Cyclone

II.2.2. Sistem Mekanis Basah

II.2.2.1. Sistem Hujan Buatan (Scrubber)

Metode sistem hujan buatan pada gambar 2.3 menggunakan media air

sebagai penyaring limbah debu, air yang digunakan mengandung zat kimia aktif

tertentu. Gas asap dialirkan melalui tirai hujan buatan, sehingga butiran-butiran

debu yang dijatuhi butiran air hujan buatan akan terpisah dari gas asapnya.

Metode ini masih kurang efektif, karena hanya butiran-butiran debu yang

kebetulan tepat mengenai butiran air hujan buatan yang dapat dipisahkan dari gas

asapnya, sedangkan butiran-butiran debu yang tidak mengenai butiran air akan


terbuang ke udara lepas. Efisiensi yang didapat dari penggunaan sistem ini <90 %,

sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang diperoleh > 5 μC.

Aplikasi penggunaan metode ini pada industri digunakan pada industri yang

menggunakan bahan bakar dengan kandungan NOx yang tinggi, seperti pabrik

semen dan industri pupuk.

Kekurangan dalam penggunaan metode ini adalah dihasilkanya limbah cair

dari proses hujan buatan yang bercampur dengan partikel debu.

Gambar 2.3 : Sistem Hujan Buatan (Scrubber)

II.2.2.2. Sistem Elektroventuri

Prinsip kerja elektroventuri pada gambar 2.4 berdasarkan tarik-menarik

antara molekul yang tidak sejenis atau gaya adhesi antara molekul-molekul yang

berlainan jenis. Partikel debu diberi muatan negatif dan dikumpulkan pada air

yang bermuatan positif.


Pada dasarnya metode ini hampir sama dengan sistem precipitator, bedanya

metode ini beroperasi pada lingkungan yang basah. Efisiensi yang didapat dari

penggunaan sistem ini < 99 %, sedangkan ukuran partikel debu terkecil yang

diperoleh > 0,5 μC.

Aplikasi metode ini pada industri terdapat pada industri semen, bubur kertas

(pulp and paper). Kekurangan pada metode ini ialah menggunakan daerah yang

luas dalam penempatanya.

Gambar 2.4 : Sistem Elektroventuri

II.2.3. Sistem Elektrostatik

Sistem elektrostatik pada dasarnya melewatkan gas buang boiler pada kamar

yang berisi plat-plat elektroda, yang terbuat dari tembaga, kuningan ataupun

arang.

Elektroda yang terpasang pada konstruksi precipitator diberi arus listrik

searah (DC) dengan muatan positif dan negatif. Antara batang-batang elektroda

yang bermuatan negatif dan plat-plat pengumpul debu yang bermuatan positif

dialirkan arus dengan tegangan 70-90 KV. Butiran-butiran debu yang melewati


batang-batang elektroda akan terinduksi oleh muatan negatif. Butiran-butiran debu

yang bermuatan negatif akan tertarik oleh plat-plat elektroda positif.

Adanya getaran (rapping) yang menyentuh plat-plat pengumpul

mengakibatkan debu akan jatuh ke tempat penampungan (dust hopper), dengan

demikian debu akan terpisah dari gas asap di dalam precipitator tersebut. Dengan

cara mengalirkan arus listrik statis untuk mengendapkan debu sangat efektif dan

polusi udara sangat sedikit pengaruhnya.

Efisiensi yang didapat dari metode ini > 99 %, sedangkan ukuran partikel

debu terkecil yang diperoleh < 2 μC. Aplikasi metode ini pada industri terdapat

pada pabrik semen, pulp and paper, power plant.

Faktor yang mempengaruhi dalam pemilihan metode pembersihan gas buang

boiler pada dunia industri, adalah :

a. Efisiensi yang didapat dalam menyaring partikel debu.

b. Ukuran Partikel debu terkecil yang didapat.

c. Bahan bakar yang digunakan pada ruang pembakaran.

d. Kapasitas bahan bakar pada ruang pembakaran.

e. Biaya pembangunan dan pemeliharaan.

Parameter teknologi penyaringan partikel debu secara lengkap terdapat pada

tabel 2.1.


Tabel 2.1 : Parameter Teknologi Penyaringan Partikel Debu

II.3. Teori Dasar Listrik Statik

Listrik statik merupakan proses elektrifikasi terhadap suatu benda sehingga

benda tersebut mempunyai muatan potensial listrik electrostatic.

Pada dasarnya daya listrik menurut prinsipnya dibagi atas beberapa bagian,

yaitu:

a. Sumber daya gesekan yang menimbulkannya, disebut Electrostatic.

b. Sumber daya magnet yang menimbulkannya, disebut Electromagnetis.

c. Sumber daya proses kimia yang menimbulkannya, disebut

Electrochemical.

d. Sumber daya proses panas yang menimbulkannya, disebut Electrothermic.


II.3.1. Muatan Listrik

Muatan merupakan suatu sifat dasar dan ciri khas dari partikel dasar yang

menyusun zat. Sebenarnya, semua zat tersusun dari proton, neutron dan electron.

Dari tinjauan makro, muatan zat sebenarnya merupakan muatan bersih atau

muatan lebih. Benda yang bermuatan lebih artinya kelebihan elektron (negatif)

atau kelebihan proton (positif). Muatan biasanya dinyatakan dengan lambang q.

II.3.2. Penghantar dan Isolator

Pada listrik statik, sifat bahan dapat dibagi menjadi dua kelompok yaitu :

penghantar listrik dan isolator (dielektrik). Penghantar adalah sifat bahan yang

mengandung pembawa muatan bebas dalam jumlah besar, misalnya logam.

Dielektrik adalah sifat bahan yang semua partikel bermuatan di dalamnya terikat

kuat pada molekul penyusunanya. Kedudukan partikel bermuatan dapat bergeser

sedikit akibat adanya suatu medan listrik .

Dielektrik yang sebenarnya mempunyai daya hantar yang jauh lebih kecil

dibandingkan dengan daya hantar pada penghantar yang baik.

II.3.3. Hukum Coulumb

Gaya F pada hukum Coulumb menyatakan besar gaya listrik yang diberikan

masing-masing benda bermuatan kepada yang lainnya. Jika kedua benda

muatannya sejenis, maka gaya pada masing-masing ber arah menjauhi muatan

(tolak-menolak). Sebaliknya jika kedua benda muatanya tidak sejenis, maka gaya

pada masing-masing benda mempunyai arah menuju benda yang lain (tarik-

menarik).


).....(4

12

21

0

NrqqF

πε= (1)

Dimana : =0ε Konstanta permitifitas

2

212

0 1085,8NmCx −=ε

=r Jarak antara muatan q1 dan q2

II.3.4. Medan Listrik

Medan listrik menimbulkan gaya pada setiap partikel yang bermuatan,

partikel positif didorong ke arah medan, sedangkan muatan negatif ke arah

sebaliknya. Medan listrik akan dihasilkan oleh satu atau lebih muatan listrik, serta

dapat disamakan atau dibedakan arah magnetisasinya dari satu tempat ke tempat

lainnya. Gambar 2.5 menunjukan dua medan listrik sederhana yang telah

dipetakan dengan bantuan garis gaya.

(a) (b)

Gambar 2.5 : Pemetaan Medan listrik Dengan Bantuan Garis gaya

(a). Muatan tidak sejenis

(b). Muatan sejenis


Besar kuat medan listrik pada Electrostatic Precipitator (ESP) :

• Kuat Medan pada daerah discharge sebelum ada partikel

)/....(301,01103

1

60 mV

RmxE

s

s

∂∂

+∂∂

= (2)

Dimana, : s∂∂ = Densitas Udara Relatif

= 2,95TP

m = { bersihdan halus yangkawat untuk 1 tepatyang data ada tidak bila dipakai yang nilaiuntuk 6,0

R1 = Jari-jari kawat

P = Tekanan (kPa)

T = Temperatur (°K)

• Kuat Medan listrik pada daerah discharge setelah ada partikel

21

0

28

=

εµ wIRE

i (3)

Dimana, :

w = Jarak antar kawat (m)

0ε = Permetifitas udara ( 121085,8 −x ) C²/Nm²

μi = Mobilitas gas ion (m²/meter-detik)

= 0E

v

v = Harga rata-rata kecepatan partikel (m/s)


II.3.5. Perbedaan Potensial

• Tegangan Kritis Korona

Merupakan tegangan kritis yang dibutuhkan untuk membangkitkan korona.

).....(11

2000 kV

RRnREV = (4)

Dimana, : 0R = Jari-jari korona )02,0( 11 RR +

2R = Jarak kawat-plat (m)

• Tegangan Aplikasi

Merupakan tegangan pada ESP sehingga dapat beroperasi.

)....(2 1

21

20

00 kVR

RREVV −+= (5)

II.3.6. Arus Listrik

Arus mengalir pada ESP merupakan arus drift, yaitu arus yang mengalir

disebabkan oleh berjalannya patikel bermuatan karna adanya medan listrik.

• Kuat Arus

)(1

2 0

1

222

VV

RRnR

VI i −= µ (6)

μi = Mobilitas gas ion (m²/meter-detik)

= 0E

v

v = Harga rata-rata kecepatan partikel (m/s)

0E = Kuat medan listrik (V/m)


II.4. Sistem Pembangkitan Plasma Korona (Corona Discharge)

Plasma merupakan kondisi ketika gas terisi oleh partikel bermuatan dengan

energi potensial antar partikelnya lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik

partikel-partikel yang terdapat dalam gas tersebut. Keuntungan dari kondisi

plasma adalah pemanfaatannya dalam bidang industri seperti pelapisan logam dan

semikonduktor, penerangan, proses pemotongan logam, sterilisasi, sistem

keamanan, hingga pelestarian lingkungan.

Salah satu cara pembangkitan plasma dapat dilakukan melalui lucutan

listrik. Plasma yang terbentuk dalam lucutan listrik dikenal dengan plasma lucutan

pijar korona. Plasma lucutan pijar korona dibangkitkan pada ruang antar elektroda

kawat-silinder yang berisi udara bebas. Analisa pembentukan plasma dilakukan

melalui karakteristik tegangan-arus (V-I) guna memperoleh daerah optimal

pembangkitan plasma, yang ditunjukan pada gambar 2.6.

Gambar 2.6: Diagram V-I Pembangkitan Plasma Lucutan Korona

Aliran listrik pada sebuah sirkuit dapat dianalogikan seperti aliran fluida

pada pipa. Korona merupakan proses pembangkitan arus di dalam fluida netral

diantara dua elektroda bertegangan tinggi dengan mengionisasi fluida tersebut,


sehingga membentuk plasma disekitar salah satu elektroda dan menggunakan ion

yang dihasilkan dalam proses tersebut sebagai pembawa muatan menuju elektroda

lainnya, yang ditunjukan pada gambar 2.7. Ketika medan listrik dikenakan pada

gas, elektron akan mentransferkan energinya pada gas molekul melalui proses

tumbukan, eksitasi molekul, tangkapan elektron, disosiasi, dan ionisasi.

Lucutan korona dibangkitkan menggunakan pasangan elektroda tak simetris

yang akan membangkitkan lucutan di dalam daerah dengan medan listrik tinggi di

sekitar elektroda yang memiliki bentuk geometri lebih runcing dibanding

elektroda lainnya. Elektroda dimana disekitarnya terjadi proses ionisasi disebut

elektroda aktif.

Gambar 2.7: Proses pembangkitan plasma lucutan pijar korona pada ruang antar

elektroda

Mengalirnya arus listrik menunjukkan akan adanya ionisasi yang

mengakibatkan terbentuknya ion serta elektron pada udara diantara dua elektroda.

Semakin besar tegangan listrik yang diberikan pada elektroda, semakin banyak

jumlah ion dan elektron yang terbentuk.
