file kesetimbangan vle

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


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



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



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



5/145

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Sebagai sivitas akedemik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di

bawah ini:


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




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)



6/145

ABSTRAK


Program Studi : Teknik KimiaJudul : Penyisihan Amonia Dari Air Limbah Menggunakan




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



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



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



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



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



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



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


Membran-RHOP-Ozon Variasi Temperatur.. 55


Membran-RHOP VariasipH.. 57


Membran-RHOP-Ozon VariasipH 57

Gambar 4.19 Koefisien Perpindahan Massa Penyisihan Amonia pada Proses Membran..58


Membran-RHOP Variasi Serat Membran.. 59


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



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



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



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.



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:



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.



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



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-



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.



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



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).



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



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



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,



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)



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



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.



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



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)



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)



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)



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)



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).



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).



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).



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



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).



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).



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:



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



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.



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



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.



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



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



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.



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)



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

= = =

= = =

=



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

=

=

=

=

=

=

file kesetimbangan vle

Documents