3. METODOLOGI
3.1. TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN Penelitian ini berlangsung mulai bulan Juni sampai Desember 2009. Kegiatan penelitian terdiri dari perancangan, pembuatan serta pengujian alat HVAS. Pembuatan alat penelitian dilaksanakan di tiga tempat, yaitu Bengkel Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB; Bengkel PD Priangan Jaya, LTC Glodok, Jakarta; dan Bengkel Fajar Teknik, Pagelaran, Bogor. Sedangkan pengujian alat hasil perancangan dilaksanakan di Laboratorium Lingkungan dan Bangunan Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fateta, IPB; Laboratorium Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fateta, IPB; dan Laboratorium Terapan, Akademi Kimia Analisis Bogor. 3.2. ALAT DAN BAHAN Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: Tabel 5. Daftar alat yang digunakan pada penelitian
3 4
Peralatan Piranti lunak AutoCAD 2007 Piranti lunak Microsoft Office Excel 2007 Anemometer Extech 451104 Las listrik
5 6 7 8 9 10 11
Gerinda potong Gerinda halus Penggaris Jangka sorong Oven Fisher Model 225 G Timbangan analitik Pinset
12
Sound level meter Krisbow tipe KW06-291 Mikroskop elektron
No 1 2
13
Fungsi Menggambar rancangan alat Mengolah data primer Mengukur kecepatan aliran udara Mengelas besi atau stainless steel pada saat pembuatan casing alat Memotong besi atau stainless steel Menghaluskan permukaan casing alat Sebagai alat ukur besaran panjang Sebagai alat ukur besar diameter Menguapkan air yang terkandung pada filter Menimbang bobot TSP yang terjerap pada filter Memindahkan filter dari satu tempat ke tempat lain agar tidak terkontaminasi Mengukur tingkat kebisingan yang dihasilkan oleh alat yang telah dirancang Mengukur dimensi pori kain pada pengujian pendahuluan filter
11
Penelitian ini merancang dan membuat 4 buah unit High Volume Air Sampler (HVAS) dengan menggunakan kipas/pompa yang berbeda-beda. Bahanbahan utama yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: 1) Kipas Sentrifugal Kipas sentrifugal yang digunakan merupakan sebuah blower dengan Merk Windy Model DB-85. Kecepatan putar kipas yaitu sebesar 2650 rpm dengan spesifikasi motor: daya 28 Watt, frekuensi 50 Hz, dan kuat arus 0,13 Ampere.
Gambar 3. Kipas sentrifugal yang digunakan dalam penelitian 2) Kipas Aksial Kipas aksial dengan merk dan tipe Jason Fan FJ22082MAB digunakan sebagai penggerak udara pada pembuatan unit HVAS. Dengan spesifikasi motor 50/60 Hz, 65/75 W, 0,29/0,33 A dan 230 V, kipas ini mampu menghasilkan putaran dengan kecepatan 2500/2700 rpm.
Gambar 4. Kipas aksial yang digunakan dalam penelitian
12
3) Pompa Vakum Pompa vakum yang digunakan pada penelitian ini ada dua macam dan keduanya merupakan pompa vacuum cleaner. Pertama, pompa vakum tipe HX-60 berkapasitas kecil dengan motor listrik arus AC berspesifikasi 240 V, 50 Hz, dan daya 600 Watt (Gambar 5). Kedua, pompa vakum dengan merk dan tipe Lux Flexio Z833 berkapasitas besar dengan motor listrik berdaya 1000 Watt, 50 Hz dan voltase 230 V.
Gambar 5. Pompa vakum 600 W (kiri) dan 1000 W (kanan) yang digunakan dalam penelitian Selain kipas dan pompa, terdapat bahan-bahan lain yang digunakan untuk pembuatan casing dari kipas dan pompa tersebut serta komponen lainnya (Tabel 6).
13
Tabel 6. Bahan pembuatan casing dan komponen lain HVAS No Bahan 1 Plat stainless steel 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Pipa stainless steel Ring plat Kawat nyamuk Pengunci filter Steker Acrilic Mur dan baud Kabel serabut Sambungan reducer pipa PVC Karet penyangga Kayu Filter penyaring TSP
Merk/Tipe/Spesifikasi Ketebalan 1 mm
Jumlah -
Diameter 3,5 inchi, tebal 5 mm
-
Diameter 2 inchi Bahan aluminium Ketebalan 5 mm Ukuran 12 mm Diameter 0.75 mm • Ukuran 4×2 inchi • Ukuran 2,5 x 2 inchi Diameter 2 cm, tinggi 1,2 cm Ukuran 10,5cm×29 cm×1,5 cm Diameter lubang 0,3~0,45 µm, ukuran: • diameter 5 cm • 8×10 inchi
1 buah 1m 3 buah 4 buah 1 m2 20 buah 15 meter 1 buah 1 buah 8 buah 1 buah 4 lembar 6 lembar
3.3. PROSEDUR Tahapan pembuatan unit High Volume Air Sampler dibagi menjadi 3 bagian, yaitu: 1. Perancangan unit HVAS 2. Pembuatan unit HVAS 3. Uji performansi Secara garis besar prosedur pelaksanaan penelitian ini diilustrasikan dalam diagram alir berikut (Gambar 6).
14
Gambar 6. Diagram alir penelitian 3.3.1. Pendekatan Rancangan Pendekatan rancangan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu terdiri dari perancangan fungsional dan struktural. Rancangan fungsional mengacu pada kegunaan dari setiap komponen penyusun alat tersebut, sedangkan rancangan struktural menyangkut bentuk serta bahan komponen yang akan dipilih dengan memperhitungkan besaran-besaran yang berlaku seperti faktor gaya, suhu lingkungan dan sebagainya. 3.3.1.1. Perancangan fungsional Penentuan kriteria perancangan didasarkan atas prinsip kerja alat yaitu menghisap udara dengan kecepatan volumetrik sangat tinggi atau sebesar 1,131,70 m3/menit dan menyaring partikel berukuran lebih dari 0,3 - 0,45 µm dari
15
udara ambien. Secara umum, high volume air sampler (HVAS) memiliki beberapa komponen utama, yaitu kipas, motor listrik, casing, pengunci filter, filter dan tombol pengatur on/off. Masing-masing komponen tersebut memiliki fungsi sebagai berikut: Tabel 7. Perancangan fungsional HVAS No 1 2 3 4
Komponen Utama Kipas/pompa udara Motor listrik Casing Pengunci filter
5
Filter
6
Tombol on/off
Fungsi Menghisap udara dari lingkungan. Memutar kipas. Melindungi kipas dan komponen di dalamnya. Mengunci filter atau mempertahankan posisi filter. Menyaring partikel berukuran lebih besar dari 0,45 µm. Menyalakan dan mematikan motor listrik.
3.3.1.2. Perancangan struktural HVAS memiliki enam komponen utama yang kemudian dirancang dengan mempertimbangkan bahan dan ukuran untuk mencapai fungsi yang diharapkan. Berdasarkan tujuan dari penelitian ini, maka dirancang empat buah HVAS dengan rancangan yang berbeda-beda untuk kemudian dibandingkan satu sama lain. 1) Kipas/pompa Pada penelitian ini dibuat empat buah rancangan HVAS dengan jenis kipas/pompa yang berbeda-beda, antara lain sentrifugal, aksial, vakum kapasitas sedang dan vakum kapasitas besar. Kipas/pompa yang digunakan sudah memiliki motor listrik yang terangkai langsung sebagai tenaga penggeraknya. Adapun spesifikasi dari masing-masing kipas beserta motor listriknya dapat dilihat pada Tabel 8.
16
Tabel 8. Spesifikasi kipas dan motor listrik yang digunakan
1
Sentrifugal
3 inchi
Jumlah bilah (buah) 25
2
Aksial
8 inchi
9
3 4
Vakum 1 Vakum 2
4 inchi 5 inchi
7 6
No.
Jenis kipas
Diameter
Spesifikasi motor listrik 50 Hz, 28 W, 0,13 A 2680 rpm 2500/2700 rpm 50/60 Hz, 65/75 W, 0,29/0,33 A 230 V 240 V, 50 Hz, 600 Watt 1000 Watt, 50 Hz dan 230 V
2) Casing Casing atau pelindung alat dirancang sesuai dengan bentuk dan dimensi kipas yang digunakan. Bahan yang digunakan pun disesuaikan dengan kebutuhan yang ada (Lampiran 7 s.d. Lampiran 14). 3) Pengunci filter Pengunci filter yang digunakan pada setiap jenis HVAS yang dirancang berbeda-beda. Untuk HVAS yang menggunakan kipas sentrifugal dan vakum 600 W, pengunci filter yang digunakan berupa pengkait dinamis berukuran kecil yang terdapat di pasaran. Sedangkan untuk HVAS dengan menggunakan kipas aksial dan vakum 1000 W, pengunci filter dibuat khusus dengan mesin bubut dan dibuat sepasang ulir agar mudah untuk dibuka-tutup. 4) Filter Filter yang digunakan merupakan filter standar berbahan fiber glass yang biasa digunakan untuk pengambilan sampel debu/partikel. Ukuran pori pada filter yaitu berkisar antara 0,3-0,45 µm. Ukuran filter disesuaikan dengan ukuran inlet pada rancangan. 5) Tombol on/off Dari segi keamanan penggunaan alat, setiap alat diberi pemutus arus listrik berupa steker yang sudah memiliki pemutus arus on/off.
17
3.3.2. Uji Performansi 3.3.2.1. Pengukuran laju alir udara Kecepatan volumetrik atau laju alir adalah banyaknya volume udara yang dapat dipindahkan per satuan waktu. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan anemometer dengan merk dan tipe Extech 451104. Dari pengukuran tersebut hasil yang diperoleh yaitu berupa kecepatan aliran dengan satuan m/s. Oleh karena itu, digunakan persamaan (1) atau (2) untuk memperoleh laju alir yang dihasilkan. 𝑄𝑄 = 𝐴𝐴 × 𝑣𝑣 × 60………………………………………………………… (1)
dimana:
Q = Laju alir udara (m3/menit) A = luas penampang inlet (m2) v = kecepatan aliran udara (m/s) Karena inlet yang digunakan berbentuk lingkaran, maka persamaan (1) tersebut menjadi: 1
𝑄𝑄 = 𝜋𝜋 × 𝐷𝐷 2 × 𝑣𝑣 × 60……………………………………………….. (2) 4
dimana: Q = Laju alir udara (m3/menit) D = diameter inlet (m) v = kecepatan aliran udara (m/s) Pengukuran laju alir udara dilakukan sebanyak 5 kali bacaan pada anemometer dan 3 kali ulangan untuk setiap unit HVAS hasil rancangan. Perlakuan yang digunakan yaitu pengukuran tanpa filter dan pengukuran dengan pemasangan filter. Khusus untuk kipas vakum, pengukuran dilakukan pada tingkat kecepatan yang bebeda-beda dengan mengatur putaran motor menggunakan potensiometer.
18
3.3.2.2. Perhitungan penurunan laju alir akibat aplikasi filter Setelah diperoleh hasil pengukuran laju alir unit tanpa filter dan dengan pemasangan filter, maka dilakukan perhitungan besarnya drop atau penurunan laju alir udara setelah pemasangan filter pada alat. Persamaan yang digunakan untuk perhitungan penurunan aliran adalah sebagai berikut. 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 (%) =
𝑄𝑄1 −𝑄𝑄𝑜𝑜 𝑄𝑄𝑜𝑜
× 100% ……………………………………….(3)
dimana: Q1 = Laju alir udara setelah pemasangan filter (m3/menit) Q0 = Laju alir udara sebelum pemasangan filter (m3/menit) 3.3.2.3. Perhitungan rasio hasil pengukuran konsentrasi TSP Penentuan rasio hasil pengukuran konsentrasi TSP dilakukan dengan membandingan hasil performansi antara unit yang dirancang dengan alat High Volume Air Sampler buatan Amerika yang telah ada di pasaran. Besaran yang akan dibandingan yaitu berupa banyaknya partikel yang dapat disaring oleh filter. Untuk homogenisasi variabel, pengujian dilakukan di area lokasi titik sampel yang sama dengan waktu yang sama sebanyak 3 kali ulangan. Pertamatama dilakukan pengambilan sampel selama 45 menit dengan menggunakan unit hasil rancangan dengan hasil terbaik serta 1 buah HVAS buatan Amerika. Selama pengujian berlangsung, dilakukan pengukuran debit udara ketika memulai pengujian serta saat akhir pengujian. Selanjutnya, sampel dibawa ke laboratorium untuk dianalisis lebih lanjut. Prosedur pengukuran konsentrasi TSP digambarkan pada Gambar 7.
19
Udara Ambien
Udara Bebas
Massa awal filter;mi (g) Massa filter+TSP; mf (g)
Laju alir; Q (m3/menit)
Durasi sampling; t (menit)
Volume udara;V (m3)
Mf – Mi
Konsentrasi TSP; C (µg/Nm3)
Gambar 7. Skema prosedur pengukuran konsentrasi TSP Perhitungan-perhitungan yang digunakan pada pengujian unit HVAS antara lain: 1) Koreksi laju alir pada kondisi standar (SNI 19-7119.3-2005) 𝑄𝑄𝑠𝑠 = 𝑄𝑄𝑜𝑜 × dimana:
1
𝑇𝑇 ×𝑃𝑃 2 � 𝑠𝑠 𝑜𝑜 � ……………………………………………..(4) 𝑇𝑇𝑜𝑜 ×𝑃𝑃𝑠𝑠
Qs = laju alir volume dikoreksi pada kondisi standar (m3/menit) Qo = laju alir volume uji (m3/menit) Ts = temperatur standar (298 K) To = temperatur absolut (273 + t ukur) dimana QooC ditentukan Ps = tekanan baromatik standar, 101,3 kPa (760 mmHg) Po = tekanan baromatik dimana Qo ditentukan
20
2) Volume udara yang diambil (SNI 19-7119.3-2005) 𝑉𝑉 = �
𝑄𝑄𝑖𝑖 +𝑄𝑄𝑓𝑓 2
dimana:
� × 𝑡𝑡…………………………………………………(5)
V = volume udara yang diambil (m3) Qi = laju alir awal terkoreksi pada pengukuran pertama (m3/min) Qf = laju alir akhir terkoreksi pada pengukuran kedua (m3/min) t
= durasi pengambilan contoh uji (menit)
3) Konsentrasi partikel dalam udara ambien 𝐶𝐶 = �
𝑀𝑀 𝑓𝑓 −𝑀𝑀𝑖𝑖
dimana:
𝑉𝑉
� × 106 …………………………………………….(6)
C = konsentrasi partikel tersuspensi (TSP) dalam udara ambien (µg/m3) Mf = massa filter setelah pengambilan sampel (g) Mi = massa filter sebelum pengambilan sampel (g) V = volume udara yang diambil 3.3.2.4. Pengukuran intensitas bunyi HVAS hasil rancangan Dalam mengukur intensitas bunyi yang dihasilkan oleh HVAS hasil rancangan, digunakan sound level meter sebagai alat pengukurnya. Pengukuran dilakukan di ruangan terbuka. Jarak antara alat ukur intensitas bunyi dengan sumber suara yaitu 5 meter dan dianggap sebagai (r1). Pembacaan angka dilakukan setiap 10 detik selama 5 menit. Setelah itu, keseluruhan nilai yang telah terbaca dirata-ratakan kemudian ditentukan intensitas bunyi pada jarak 10 meter, 15 meter, 20 meter, dan seterusnya hingga 100 meter dengan menggunakan persamaan (7). 𝑟𝑟
𝑆𝑆𝑆𝑆2 = 𝑆𝑆𝑆𝑆1 − 20 log 𝑟𝑟2 ……………………………………….. (7) dimana:
1
SL1 = intensitas bunyi sumbu 1 pada jarak r1 SL2 = intensitas suara sumbu 2 pada jarak r2 r1 = jarak ke sumber bising yang pertama r2 = jarak ke sumber bising yang kedua
21
