APLIKASI REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA UNTUK MENURUNKAN KADAR LIMBAH CAIR INDUSTRI MINUMAN RINGAN

Prosiding SENTIA 2009 – Politeknik Negeri Malang

APLIKASI REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA UNTUK MENURUNKAN KADAR LIMBAH CAIR INDUSTRI MINUMAN RINGAN Agung Warsito1, Abdul Syakur1, Fajar Arifin1, Tutuk D. Kusworo2, Syafrudin3 1

Jurusan Teknik Elektro, 2Jurusan Teknik Kimia, 3Jurusan Teknik Lingkungan Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto SH Tembalang Semarang email : [email protected], [email protected], [email protected] ABSTRAK Pencemaran lingkungan akibat polusi di tanah, air dan udara semakin bertambah kompleks. Dan tidak sedikit akibat dari polusi ini sudah mulai dirasakan. Selama ini teknologi pengolahan polusi kurang mendapatkan perhatian serius di Indonesia. Dengan semakin berkembangnya perindustrian di Indonesia, sudah selayaknya pemilihan serta penggunaan teknologi yang tepat dalam mengatasi masalah polusi segera diterapkan. Pemanfaatan teknologi yang tepat guna untuk mengatasi masalah pencemaran di lingkungan dirasakan kurang dalam pengimplementasiaan terutama untuk mengatasi pencemaran limbah cair. Selama ini teknologi yang digunakan adalah dengan proses kimia dan membran. Untuk mengatasi polusi ada tiga hal yang menjadi perhatian utama, yaitu kebijakan serta manajemen lingkungan, kesadaran lingkungan dari segenap unsur masyarakat, dan yang terakhir adalah pemanfaatan teknologi yang tepat dalam mengatasi berbagai macam polusi. Untuk menanggulangi masalah pencemaran air atau polusi air dapat dilakukan salah satu caranya dengan memanfaatkan teknologi plasma. Pada penelitian ini akan dilakukan aplikasi teknologi plasma untuk menyisihkan warna dan COD (Chemical Oxygen Demand)pada limbah cair industri minuman ringan. Pembentukan plasma dilakukan dengan reaktor plasma lucutan korona (Corona Discharge) tegangan tinggi impuls dan menggunakan oksigen murni (O2) sebagai bahan yang terionisasi untuk memproduksi gas ozon. Reaktor plasma lucutan korona ini dapat dibangun dengan konfigurasi geometri elektroda jarum-bidang yang dikenakan pada sumber tegangan tinggi impuls, serta memberikan celah gas untuk aliran gas oksigen dan air limbah cair. Hasil pengujian menunjukkan pengolahan limbah cair industri minuman ringan menggunakan teknologi plasma lucutan korona sangat efektif. Perubahan tegangan dan jumlah sirkulasi mempengaruhi prosentase penurunan kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan. Prosentase penurunan terbesar kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan diperoleh pada tegangan 18 kilo Volt setelah sirkulasi keenam. Nilainya secara berturut – turut adalah 98,72 % dan 99,05 %. Kata kunci : plasma, lucutan korona, Ozon, limbah cair industri minuman ringan I. PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang Teknologi pengolahan polusi kurang mendapatkan perhatian serius di Indonesia. Dengan semakin berkembangnya perindustrian di Indonesia, sudah selayaknya pemilihan serta penggunaan teknologi yang tepat dalam mengatasi masalah polusi segera diterapkan. Dalam proses produksi sebuah industri pada umumnya digunakan berbagai bahan material dari berbagai jenis dan bentuk. Pencemaran air di bidang industri, pertanian, perkotaan dan rumah tangga selain mengandung logam berat (Cd, Cu, Hg, Zn, dll), juga mengandung berbagai macam senyawa organik, seperti dioksin, phenol, benzene, PCB, dan DDT. Telah banyak usaha yang dilakukan untuk mengurangi pencemaran air, diantaranya pada sistem pengolahan limbah cair industri yang ada sekarang pada umumnya mempergunakan cara

G-1

kombinasi antara pemakaian klor serta sistem kondensasi, sedimentasi dan filtrasi. Sedangkan untuk pengolahan limbah organik yang dapat membahayakan keselamatan makhluk hidup, meskipun dalam kandungan konsentrasi yang sangat kecil (ppm/ppb) seperti, senyawa dioksin, furan, dan atrazin banyak mempergunakan teknik mikrobiologi, karbon aktif atau membran filtrasi. Sistem pengolahan limbah cair yang ada sekarang ini tidaklah cukup digunakan untuk mengurangi pencemaran air di lingkungan. Apabila hal ini dibiarkan, tanpa disadari, air minum yang dipergunakan akan banyak mengandung senyawa organik, yang selain dapat membahayakan kesehatan manusia juga dapat merusak ekosistem makhluk hidup lainnya. Untuk menanggulangi masalah pencemaran air atau polusi air dapat dilakukan salah satu caranya dengan memanfaatkan teknologi plasma. Pada penelitian ini akan dilakukan aplikasi teknologi


plasma untuk menyisihkan warna dan COD (Chemical Oxygen Demand) pada limbah cair industri minuman ringan. Pembentukan plasma dilakukan dengan reaktor plasma lucutan korona (Corona Discharge) tegangan tinggi impuls dan menggunakan oksigen murni (O2) sebagai bahan yang terionisasi untuk memproduksi gas ozon. Reaktor plasma lucutan korona ini dapat dibangun dengan konfigurasi geometri elektroda jarum-bidang yang dikenakan pada sumber tegangan tinggi impuls, serta memberikan celah gas untuk aliran gas oksigen dan air limbah cair. II. DASAR TEORI 2.1 Plasma Konsep tentang plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmunir dan Tonks pada tahun 1928. Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam lucutan listrik. Plasma dapat juga didefinisikan sebagai percampuran antara elektron, radikal, ion positif dan ion negatif. Percampuran antara ion-ion yang bermuatan positif dengan elektron yang bermuatan negatif memiliki sifat-sifat yang sangat berbeda dengan gas pada umumnya dan materi pada fase ini disebut fase plasma. Maka secara sederhana, plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai fase materi keempat setelah fase padat, cair, dan gas.

Gambar 2.2. Ilustrasi dari (a) Plasma lucutan korona (b) Lucutan arc Pembentukan lucutan korona dipengaruhi oleh kondisi lingkungan seperti tekanan udara, temperatur, dan kelembaban. Pelucutan korona biasanya dilakukan pada tekanan atmosfer. Sedangkan efek yang ditimbulkan oleh korona seperti cahaya tampak, suara bising, arus listrik, interferensi gelombang radio, dan reaksi kimia, dapat diobservasi. Bidang (plane) (+) Tegangan, V

Garis alir ion dan medan

Jarak, d

Daerah ionisasi

Daerah aliran muatan

(a)

Titik (point) (-)

Bidang (plane) (-) Tegangan, V Jarak, d

Garis alir ion dan medan Daerah aliran muatan

Daerah ionisasi

Titik (point) (+) (b)

Gambar 2.1. Ilustrasi Fase Materi Keempat Setelah Padat, Cair dan Gas

Gambar 2.3. Ilustrasi daerah antara dua elektroda pada lucutan korona titik bidang: (a) polaritas negatif pada elektroda titik (b) polaritas positif pada elektroda titik

Pelucutan korona ditandai dengan fenomena-fenomena kelistrikan secara bersama yang terjadi dalam medium gas di bawah pengaruh medan listrik yang tidak homogen akibat dari konfigurasi geometri elektroda. Dan kuat medan listrik tersebut cukup tinggi sehingga mampu mengionisasi partikelpartikel gas. Lucutan korona bisa terjadi dalam medan listrik tak seragam yang intensitas medannya cukup besar tetapi belum mampu mengakibatkan terjadinya keadaan arc (arc discharge) pada gas. Pijaran korona bisa terjadi pada ujung elektroda aktif. Lucutan pijar korona dapat terjadi diawali oleh lucutan Townsend kemudian diikuti oleh lucutan pijar (glow discharge) dan berakhir dengan lucutan arc.

Suatu korona akan bersifat positif atau negatif bergantung kepada pemberian polaritas tegangan elektroda aktif. Korona positif terjadi ketika elektroda aktif (elektroda dimana proses ionisasi terjadi) dihubungkan dengan terminal positif sumber tegangan. Sedangkan korona negatif terjadi ketika elektroda aktif dihubungkan dengan terminal negatif sumber tegangan. Pada gambar 2.3 ditunjukkkan daerah dalam lucutan pijar korona antara dua elektroda dengan konfigurasi geometri hyperboloid-bidang yang merupakan pendekatan terhadap geometri titik-bidang. Penerapan lucutan korona di bidang komersial dan industri adalah : a. Pembuatan ozon, sterilisasi air kolam, menghilangkan berbagai organik teruap yang

G-2


b. c.

d. e.

f.

g.

tak diinginkan, seperti pestisida kimia, pelarut atau bahan kimia dari atmosfer. Pengion udara yang baik buat kesehatan. Fotografi Kirlian menggunakan foton yang dihasilkan oleh lucutan untuk mengekspos film fotografik. Laser nitrogen. Ionisasinya cuplikan gas untuk analisa subsekuen dalam sebuah spektrometer massa maupun spektrometer mobilitas ion. Korona bisa digunakan untuk menghasilkan permukaan bermutan, yang merupakan sebuah efek yang digunakan dalam pengopian elektrostatik (membuat fotokopi). Korona juga dapat digunakan untuk menghilangkan materi kepartikelan dari aliran udara dengan terlebih dahulu mengisi udara dengan muatan listrik, lalu melewatkan aliran udara bermuatan melalui sisir polaritas bolakbalik, untuk mengendapkan partikel-partikel bermuatan ke lempengan dengan muatan yang berlawanan.

2.2.2

Reaktor Plasma Pengolah Limbah Reaktor plasma pengolah limbah merupakan suatu alat yang dapat digunakan untuk mengolah limbah cair yaitu dengan menurunkan kadar warna dan COD dari limbah cair tersebut. Untuk menghasilkan plasma digunakan tegangan tinggi impuls yang dikenakan pada elektroda jarum – bidang. Diagram bloknya dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut : PEMBANGKIT TEGANGAN TINGGI PULSA

HV

O2

GAS OKSIGEN

O3 REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA

LIMBAH SETELAH PROSES

LIMBAH SEBELUM PROSES SIRKULASI

Gambar 2.4. Reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair

2.2 2.2.1

Plasma Pengolah Limbah Cair Plasma Untuk Pengolahan Air A wa l n ya a pl i ka si pl a sm a l e bi h ba n ya k di l a kuka n un t uk pen gen da l i a n polusi udara. Diantaranya adalah, reduksi gas asam (SOx, NOx , d1l), komponen organik toksik yang mudah menguap (VOCs), serta mikroor ganisme berbahaya . Pemanfaatan non-thermal plasma dalam air untuk mengatasi pencemaran air, per tama ka li di perkena lkan ol eh Cl em ent s et .al (1987). Dalam l apor ann ya diperkenalkan pembuatan ozon untuk pengolahan air dengan mengkombinasikan pulsed streamer corona discharge dengan penambahan gas oksigen di dalam air. Ozon yang dihasilkan dapat menghilangkan zat warna yang terkandung dalam air . Keun t un ga n ya n g da pa t di per ol eh da r i pen ggun aa n t ekn ol ogi pl a sm a dalam air ini adalah : 1. Dapat beroperasi pada tekanan dan temperatur ambien. 2. Mampu mengolah dengan lebih efektif dan ekonomis hingga konsentrasi sangat rendah. 3. Spesies reaktif dapat dihasilkan secara langsung di tempat tersebut, sehingga menghilangkan kebutuhan akan katalis kimia dari luar. 4. Operasional sederhana dan pemeliharaannya mudah. 5. Ukuran reaktor dapat bervariasi. Dari keunt ungan t er sebut, pla sm a dikata kan seba gai gen erasi t ekn ol ogi ma sa depan untuk pengolahan air limbah, karena sifatnya yang ramah lingkungan dan lebih efektif dibanding oksidan dan disinfektan konvensional. G-3

Dari gambar 2.4 dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan plasma dibutuhkan pembangkit tegangan tinggi impuls. Tegangan tinggi impuls tersebut dikenakan pada elektroda jarum-bidang. Jarum terbuat dari kawat tembaga yang dipasang sebagai elektroda positif dan bidang dari lempengan berlapis tembaga sebagai elektroda negatif. Gas oksigen yang dipergunakan untuk menghasilkan ozon yang juga digunakan untuk mempercepat pengolahan limbah cair. Gas oksigen yang digunakan adalah oksigen murni yang memiliki kandungan 100% oksigen, dengan gas tersebut akan dihasilkan ozon yang lebih banyak. Untuk mengalirkan gas oksigen ke dalam reaktor digunakan flowmeter yang dapat diatur debitnya. 2.3

Ozon (O3) Ozon adalah molekul triatomik. Secara alamiah ozon terdapat di dalam lapisan stratosfer dan sebagian kecil dalam troposfer. Ozon terletak di stratosfer yaitu pada ketinggian antara 15 sampai 30 km dari permukaan air laut yang biasa dikenal dengan lapisan ozon. Ozon dihasilkan dari reaksi kimia. Ozon merupakan bahan beracun apabila dihirup dalam volume yang banyak. Ozon mempunyai bau menyengat. Ozon juga terbentuk pada kadar rendah dalam udara akibat arus eletrik seperti kilat, dan oleh tenaga tinggi seperti radiasi eletromagnetik. Ozon pada muka bumi terbentuk oleh cahaya lampu ungu yang menguraikan molekul O2 membentuk ion-ion oksigen (O*). Unsur oksigen ini bergabung dengan molekul yang tidak terurai dan membentuk ozon (O3). Ozon dapat terbentuk melalui dua proses yang berbeda, yaitu melalui proses tumbukan dan melalui proses penyerapan cahaya.


Pembentukan Ozon Melalui Proses Tumbukan Ozon dapat dibuat dengan melewatkan gas oksigen (O2) pada daerah yang dikenai tegangan tinggi. Molekul oksigen (O2) yang dikenai tegangan tinggi ini akan mengalami ionisasi yaitu proses terlepasnya suatu atom atau molekul dari ikatannya menjadi ion-ion oksigen (O*). Jenis-jenis dari ion oksigen (O*) adalah O+, O2+, O-, O2- dan O3-. Kombinasi dari kesemuanya dapat menghasilkan ozon. Pembentukan ozon dalam proses ini diawali dengan pembentukan oksigen radikal bebas dengan reaksi sebagai berikut : a. Disosiasi e + O2  2 O + e (2.1) b. Pengikatan Disosiatif e- + O2  O + O(2.2) c. Ionisasi Disosiatif e + O2  O + O + 2e (2.3) Kemudian radikal oksigen akan bereaksi dengan oksigen menghasilkan ozon. O + O2 + M  O3 + M (2.4) Dimana M adalah N2 atau O2 . Dibawah ini merupakan gambar dari perubahan bentuk susunan atom oksigen menjadi molekul ozon (O3) :

Tabel 2.1 Struktur alotropik ozon

a.

Gambar 2.5. Pembentukan gas ozon melalui proses tumbukan yang terjadi di antara molekul dengan elektron. b.

Pembentukan Ozon Melalui Proses Penyerapan Cahaya Baik gas oksigen (O2) maupun ozon (O3) dapat menyerap radiasi sinar ultraviolet. Gas oksigen dapat menyerap radiasi sinar ultraviolet dengan panjang gelombang kurang dari 240 nanometer, sedangkan ozon dapat menyerap radiasi sinar ultraviolet dengan panjang gelombang antara 240 nanometer sampai 290 nanometer. Apabila gas oksigen menyerap radiasi sinar ultraviolet dengan panjang gelombang kurang dari 240 nanometer, maka gas oksigen tersebut akan terurai menjadi dua atom oksigen.

G-4

No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Keterangan Nama Sistematik Formula Molekul Penampakan Kepadatan Bentuk zat Daya larut dalam air Titik beku Titik didih Standar entalpi (ΔfH°)solid Standar entropi (S°)solid

Trioxygen O3 gas berwarna kebiru-biruan 2.144 g·L−1 (0 °C), gas 0.105 g·100mL−1 (0 °C) 80.7 K, −192.5 °C 161.3 K, −111.9 °C +142.3 kJ·mol−1 237.7 J·K−1.mol−1

c.

Kegunaan Ozon Pemanfaatan ozon untuk pengolahan limbah menghasilkan senyawa yang diterima oleh lingkungan. Penggunaan ozon sebagai desinfektan lebih efektif daripada penggunaan klor karena ketidakaktifan resistan bakteri dan virus. Selain dari pada itu, ozon masih mempunyai kegunaan yang sangat banyak terutama dalam bidang perindustrian. Dalam bidang perindustrian, ozon dapat digunakan untuk : - Membasmi kuman sebelum dikemas (antiseptik), - Menghilangkan pencemaran dalam air (sterilisasi). - Membantu kepada proses flocculation (proses pengabungan molekul dan membantu penapis menghilangkan besi dan arsenik). - Mencuci, dan memutihkan kain. - Membantu pewarnaan plastik. - Sebagai bahan pengawet makanan.

2.4

Industri Minuman Ringan Industri minuman ringan adalah industri yang menghasilkan minuman yang tidak mengandung alkohol, merupakan minuman olahan dalam bentuk bubuk atau cair yang mengandung bahan makanan dan / atau bahan tambahan lainnya baik alami maupun sintetik yang dikemas dalam kemasan siap untuk dikonsumsi. Minuman ringan terdiri dari dua jenis, yaitu: minuman ringan dengan karbonasi (carbonated soft drink) dan minuman ringan tanpa karbonasi. Proses Pembuatan minuman ringan dapat dilihat pada gambar berikut:


AIR

PEMBERIAN RASA, KONSENTRAT, TEH, KOPI

GULA

PENGOLAHAN AIR

Air Cucian

PENCAMPURAN

Filtrat (gula, kotoran) Air Cucian (BOD, TSS)

FILTRASI

Baku mutu limbah cair di Indonesia diatur oleh Kep. Men. Lingkungan Hidup No.51/MENLH/10/1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair bagi Kegiatan Industri. Di daerah Jawa Tengah, hal tersebut diatur oleh Peraturan Daerah Provinsi Jawa Tengah No 10 Tahun 2004 tentang Baku Mutu Air Limbah.

STERILISASI

Sirup dari luar (beli)

Tabel 2.2. Baku mutu limbah cair kegiatan industri berdasarkan KepMen LH No.51 Tahun 1995

SIRUP

CO2 (Untuk minuman berkarbonasi)

UNIT PENCAMPUR

Parameter

Air Cucian (BOD)

Botol

Kaleng Kostik Panas

PENCUCIAN BOTOL

PENGISIAN PADA TEMPAT LAIN

Limbah (alkalin, TSS)

PENGALENGAN

PENGISIAN BOTOL

PRODUK DALAM BOTOL

PRODUK DALAM KALENG

PRODUK LAIN

Gambar 2.6. Proses produksi minuman ringan Secara garis besar, proses produksi Industri minuman ringan dapat dibagi menjadi beberapa tahapan, yaitu: a. Pengolahan Air Air merupakan salah satu bahan baku utama yang digunakan dalam proses produksi. Sebelum air tersebut dipakai, terlebih dahulu dilakukan pengolahan yang menghasilkan raw water, treated water, softened water, dan softened treated water. b. Pembuatan Sirup Bahan dasar pembuatan syrup adalah air, concentrate dan gula murni. Pembuatan syrup melalui dua proses yaitu pembuatan simple syrup dan pembuatan finishing syrup. c. Pencucian Botol Semua botol yang akan digunakan untuk proses produksi dan krat harus dalam keadaan bersih dan saniter terutama untuk botol dan krat yang berasal dari konsumen, sehingga perlu dilakukan pencucian botol sebelum botol tersebut diisi kembali. d. Proses Karbonasi dan Pengisian. Karbonasi merupakan proses penambahan CO2 ke dalam beverage sedangkan Proses pengisian adalah proses penuangan beverage ke dalam botol. Limbah cair merupakan limbah yang paling banyak dihasilkan dalam industri dan paling berpotensi menimbulkan pencemaran lingkungan. Dari proses-proses yang terjadi pada industri, air limbahnya banyak mengandung substansi yang berpengaruh besar pada kadar BOD, COD, TSS dan kandungan minyak dan lemak. Setiap proses dalam industri menghasilkan tingkat pencemaran yang berbeda. Tingkat pencemaran yang ditimbulkan bergantung kepada macam bahan yang dikerjakan dan proses pengerjaannya. G-5

BOD5 COD TSS Fenol Total Krom Total (Cr) Minyak dan Lemak PH Debit limbah maksimum

Kadar maksimum (mg/l)

Beban pencemaran maksimum (kg/ton) 85 12,75 250 37,5 60 9,0 1,0 0,15 2,0 0,75 5,0 0,75 6–9 150 m³/ton produk tekstil

2.5

Pembangkit Tegangan Tinggi Pembangkitan tegangan tinggi dalam proses pembentukan plasma lucutan korona diperlukan sebagai proses ionisasi. Tegangan tinggi yang diperlukan bisa menggunakan tegangan tinggi bolak-balik (AC), tegangan tinggi searah (DC) maupun tegangan tinggi impuls.

Gambar 2.7. Flyback Converter

Gambar 2.8. Output Flyback Converter

Sebuah Flyback Converter dapat dilihat seperti pada gambar 2.7. Rangkaian tersebut terdiri atas sebuah transistor frekuensi tinggi, transformator, sumber tegangan searah, dan sumber tegangan gelombang kotak.


Pensaklaran transistor dengan menggunakan Flyback Converter harus memperhatikan tegangan puncak kolektor pada saat mati dan arus puncak kolektor pada saat hidup. Tegangan puncak kolektor pada transistor pada saat mati dapat dirumuskan dengan rumus 2.5 sebagai berikut :

bahan tembaga dengan panjang 160 mm dan lebar 110 mm. Antara elektroda jarum dan bidang diberikan sela udara dengan jarak 15 mm yang berfungsi sebagai daerah lucutan korona, aliran gas oksigen dan limbah cair. 140 mm 100 mm

VCE ,maks

8 mm

85 mm

110 mm

(2.5) Dengan

Vin  1   maks

Vin = Tegangan Input DC maks = Duty Cycle maksimum

10 mm

(a)

Yang kedua adalah transistor harus mempunyai arus kolektor pada saat keadaan hidup dapat dirumuskan dengan :

m 0

m

IL  IP n

11

IC 

160 mm

LAPISAN TEMBAGA

2 mm FIBER

(2.6) Dengan Ip = Arus maksimum belitan primer transformator N = Rasio belitan primer dan sekunder IL = Arus beban

25 mm

SUMBER TEGANGAN JALA - JALA PLN

100 mm

40 mm

III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT Untuk mengalirkan gas oksigen dan limbah cair yang akan diolah digunakan selang plastik dengan diameter 5 mm. Untuk mengalirkan hasil keluaran ruang reaktor plasma lucutan korona berupa ozon dan limbah hasil pengolahan juga menggunakan selang plastik dengan diameter 5 mm. Selanjutnya limbah hasil pengolahan yang telah dikenai plasma lucutan korona tegangan tinggi impuls ditampung dalam erlenmeyer dan direaksikan dengan ozon yang dihasilkan dari reaktor plasma lucutan korona tadi.

(b)

(c) Gambar 3.2. Konfigurasi elektroda reaktor plasma lucutan korona (a). Elektroda positif / jarum (b). Elektroda negatif / bidang (c) Bentuk elektroda tampak samping Reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair dibuat dengan memodifikasi elektroda yang sudah jadi dengan memberikan dinding dari bahan polymer dengan ketebalan 5 mm. Skematik reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair ditunjukan gambar 3.3

FASA

NETRAL

GAS OKSIGEN OZON

MASUKAN LIMBAH

m 0

KELUARAN LIMBAH

11

40 mm

PEMBANGKIT TEGANGAN TINGGI IMPULS

m

TEGANGAN TINGGI IMPULS

2 mm 5 mm

LIMBAH AWAL

LIMBAH SEBELUM DI OLAH

Pompa air

REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA PENGOLAH LIMBAH CAIR

OZON

HASIL LIMBAH

140 mm

LIMBAH HASIL PENGOLAHAN

160 mm DAERAH LUCUTAN DAN PENGOLAHAN LIMBAH CAIR

ELEKTRODA BIDANG

OKSIGEN

OKSIGEN

Gambar 3.3. Reaktor plasma lucutan korona elektroda jarum - bidang

Gambar 3.1. Blok diagram alat 3.2

Reaktor Plasma Pengolah Limbah Bentuk dan gambar elektroda pada reaktor plasma lucutan korona ini dapat dilihat pada gambar 3.2. Jarum yang digunakan sebagai elektroda positif terbuat dari kawat tembaga dengan diameter 15 mm dan panjang 25 mm yang masing-masing dipisahkan dengan jarak 8 mm dam 10 mm. Sedangkan untuk elektroda negatif yang berupa bidang terbuat dari G-6

Prinsip kerja dari reaktor di atas adalah elektroda jarum dihubungkan ke sumber positif pembangkit tegangan tinggi impuls, sedang elektroda bidang dihubungkang dengan ground. Diantara dua elektroda yang diberi jarak sela tadi akan timbul lucutan korona positif. Lucutan korona ini dimanfaatkan untuk mengionisasi limbah cair dan gas oksigen yang dialirkan melalui selang plastik ke dalam reaktor. Sehingga dihasilkan limbah


cair yang telah terkena plasma lucutan korona dan gas ozon pada keluaran reaktor. Selanjutnya limbah tersebut direaksikan lagi dengan gas ozon yang dihasilkan dalam tabung erlemeyer. PEMBANGKIT TEGANGAN TINGGI PULSA

HV

O2

GAS OKSIGEN

O3 REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA

LIMBAH SETELAH PROSES

LIMBAH SEBELUM PROSES SIRKULASI

Gambar 3.4. Skema reaktor plasma lucutan korona pengolah limbah cair 3.3

Pembangkit Tegangan Tinggi Impuls Pembangkit tegangan tinggi impuls yang dibuat secara umum terbagi menjadi tiga bagian yaitu penyearah (rectifier), regulator tegangan dan driver pembangkit tegangan tinggi impuls. Di dalam driver pembangkit tegangan tinggi sendiri terdapat dua rangkaian utama yaitu rangkaian osilator pulsa dan flyback converter.

Gambar 4.1. Tegangan keluaran trafo flyback pada pengukuran pertama, Probe X1000, 5 Volt/div Dari gambar 4.1 dapat dilihat bahwa besarnya tegangan puncak keluaran dari trafo adalah sebesar 3,2 div. Maka besarnya tegangannya dapat dihitung sebagai berikut : V = 3,2 div x 5 volt/div x 1000 = 16.000 Volt = 16 kVolt Dari hasil pengukuran pertama didapat bahwa tegangan keluaran dari pembangkit tegangan tinggi impuls adalah sebesar 16 kVolt. 2. Pengukuran kedua pada keluaran trafo flyback dapat dilihat pada gambar 4.2 di bawah ini :

Driver Pembangkit Tegangan Tinggi

Penyearah

Osilator Pulsa

Gambar 4.2. Tegangan keluaran trafo flyback pada pengukuran kedua, Probe X1000, 5 Volt/div

Sumber Tegangan AC 1 Fasa

Regulator

Flyback Converter

Tegangan Tinggi

Dari gambar 4.2 dapat dilihat bahwa besarnya tegangan puncak keluaran dari trafo adalah sebesar 3,4 div. Maka besarnya tegangannya dapat dihitung sebagai berikut :

Gambar 3.5. Blok diagram pembangkit tegangan tinggi Penyearah yang dibuat digunakan untuk menyuplai rangkaian osilator pulsa pada driver pembangkit tegangan tinggi dan untuk menyuplai kipas angin sebagai pendingin rangkaian. Regulator tegangan berfungsi untuk memvariasikan tegangan masukan ke flyback converter, sehingga dihasilkan keluaran tegangan tinggi yang dapat bervariasi juga.

V

= 3,4 div x 5 volt/div x 1000 = 17.000 Volt = 17 kVolt Dari hasil pengukuran pertama didapat bahwa tegangan keluaran dari pembangkit tegangan tinggi impuls adalah sebesar 17 kVolt. 3. Pengukuran ketiga pada keluaran trafo flyback dapat dilihat pada gambar 4.3 di bawah ini :

IV. PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1

Pengukuran dan Pengujian Peralatan Pengukuran yang dilakukan sebanyak tiga kali dengan tegangan keluaran yang berbeda yaitu : 1.

Pengukuran pertama pada keluaran trafo flyback dapat dilihat pada gambar 4.1 di bawah ini :

Gambar 4.3. Tegangan keluaran trafo flyback pada pengukuran ketiga, Probe X1000, 5 Volt/div Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa besarnya tegangan puncak keluaran dari trafo adalah sebesar 3,6 div. Maka besarnya tegangannya dapat dihitung sebagai berikut :

G-7


V

= 3,6 div x 5 volt/div x 1000 = 18.000 Volt = 18 kVolt Dari hasil pengukuran pertama didapat bahwa tegangan keluaran dari pembangkit tegangan tinggi impuls adalah sebesar 18 kVolt. Karakteristik Plasma Lucutan Korona terhadap Tegangan Plasma yang dihasilkan pada reaktor ini adalah lucutan korona berbentuk streamer atau glow. karakteristiknya adalah memiliki banyak plasma channel namun energi pada masing – masing channel relatif kecil. Plasma dengan bentuk seperti ini dicapai pada kondisi dimana perbedaan potensial antara kedua elektroda pada fase gas mencapai nilai yang lebih besar dari nilai ambang batas namun lebih kecil dari potensial breakdown. Bentuk lucutan korona streamer/glow dipilih karena lebih efektif dalam memungkinkan kontak antara spesies aktif dengan seluruh permukaan sampel limbah cair pada waktu yang bersamaan.

Dalam penelitian ini bentuk tersebut tidak efektif karena plasma lucutan korona akan terfokus pada satu titik saja, sedangkan sampel limbah cair mengalir diseluruh bidang yang berbentuk kotak. Kondisi ini akan membuat kontak plasma lucutan korona dengan seluruh sampel limbah cair pada waktu yang bersamaan menjadi sulit terjadi.

4.2

a

4.3

Analisa Karakteristik Awal Limbah Cair Industri Minuman Ringan Analisa karakteristik awal sampel limbah cair industri minuman ringan dilakukan sebelum sampel limbah diolah. Parameter yang dianalisa mengacu pada Peraturan Daerah Propinsi Jawa Tengah No. 10 tahun 2004 tentang Baku Mutu Air Limbah Industri Minuman Ringan (Softdrink). Uji karakteristik awal limbah dilakukan dengan menganalisis beberapa parameter yang menjadi bahasan penelitian ini, yaitu warna, COD, minyak dan lemak serta pH. Berdasarkan data hasil uji karakteristik awal sampel limbah pada tabel 4.1 diketahui bahwa parameter COD dan pH belum memenuhi baku mutu. Sedangkan parameter minyak dan lemak mememiliki nilai yang kecil dan sudah memenuhi baku mutu. Pada penelitian ini parameter yang menjadi fokus pembahsan adalah warna dan COD. Tabel 4.1. Hasil analisa karakteristik awal sampel limbah cair industri minuman ringan

b

No

c

1

pH

2

COD

3 Ket : Warna hijau kekuningan menunjukkan filamen lucutan korona yang sebenarnya berwarna ungu

4

Gambar 4.4. Plasma lucutan korona yang terbentuk pada (a) tegangan 16 kV, (b) tegangan 17 kV, (c) tegangan 18 kV Dari gambar 4.4, dilihat dari bentuk lucutan korona, semakin besar energi yang dimiliki, maka bentuk lucutan koronanya terlihat semakin panjang dan filamennya semakin besar. Tegangan maksimum yang digunakan pada penelitian ini adalah 18 kVolt. Penggunaan tegangan lebih dari 18 kVolt pada reaktor yang telah dialiri limbah akan menyebabkan terbentuknya fase breakdown atau sparck discharge. Fenomena ini terjadi karena energi yang diberikan terlalu besar, sehingga lucutan korona glow berubah menjadi lucutan arc yang dapat mencapai elektroda berlawanan (ground). Bentuk arc dapat menghasilkan intensitas UV yang lebih tinggi dibanding dengan glow, namun seluruh energi yang ada terfokus pada satu titik (channel). G-8

Parameter Analisa

4.4

Minyak dan Lemak Warna

Baku Mutu

Hasil Analisa Awal

Perlu Pengolahan

6,09,0

8,00

Tidak

mg/L

300

6715,60

Ya

mg/L

9

3,44

Tidak

PtCo

−

10025,00

Ya

Satuan

Analisa Karakteristik Akhir Limbah Cair Industri Minuman Ringan Data hasil uji karakteristik akhir sampel limbah cair indutri minuman ringan setelah diolah menggunakan teknologi plasma lucutan korona dengan variabel tegangan (16, 17 dan 18 kVolt) dan banyaknya sirkulasi (sirkulasi ke-1, ke-2, ke-3, ke-4, ke-5 dan ke-6), dengan menggunakan flowrate gas oksigen murni 0,5 L/menit serta kecepatan aliran limbah pada reaktor 20 ml/menit.


Tabel 4.2 Hasil Pengujian Nilai pH, COD (mg/L) dan Warna (PtCo) Tegangan

Parameter Sirlulasi ke-0

Sirlulasi ke-1

Sirlulasi ke-2

Sirlulasi ke-3

Sirlulasi ke-4

Sirlulasi ke-5

Sirlulasi ke-6

8,00

7,60

7,40

7,00

7,20

7,00

7,00

6715,60

4690,12

3930,90

2113,15

1079,67

678,90

226,89

10025,00

8135,00

5070,00

2725,00

1105,00

855,00

390,00

8,00

7,00

7,80

7,70

7,00

7,00

7,20

6715,60

4413,30

3128,85

2010,43

1097,37

442,78

145,89

10025,00

7805,00

5605,00

2140,00

1005,00

740,00

215,00

8,00

7,00

7,20

7,00

7,40

7,00

7,00

6715,60

4007,55

2960,90

1800,85

987,80

220,13

85,80

10025,00

3080,00

2245,00

1580,00

990,00

385,00

95,00

pH 16 kVolt COD Warna pH 17 kVolt COD Warna pH 18 kVolt COD Warna

Gambar 4.6 menunjukkan kecenderungan peningkatan prosentase penurunan warna limbah cair industri minuman ringan seiring dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Prosentase penurunan warna terbesar terlihat pada tegangan 18 kVolt. Hasil akhir prosentase penurunan warna terbesar dicapai pada tegangan 18 kVolt setelah sirkulasi keenam yaitu sebesar 99,05 % (dari 10025 menjadi 95). Prosentase penurunan warna ini seiring dengan prosentase penurunan kadar COD, hal ini karena penyebab warna pada sampel limbah cair industri minuman ringan adalah materi organik yang terlacak dari pengukuran COD. Secara visual perubahan warna yang terjadi dari perbedaan tegangan yang diterapkan setelah sirkulasi keenam dapat dilihat pada gambar 4.8 di bawah ini :

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 4.8. Perubahan warna limbah cair industri minuman ringan (a) Awal (b) 16kVolt (c) 17 kVolt (d) 18 kVolt

Gambar 4.5. Hubungan tegangan terhadap prosentase penurunan kadar COD Gambar 4.5 menunjukkan kecenderungan peningkatan prosentase penurunan kadar COD limbah cair industri minuman ringan seiring dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Prosentase penurunan kadar COD terbesar terlihat pada tegangan 18 kVolt. Hasil akhir prosentase penurunan kadar COD terbesar dicapai pada tegangan 18 kVolt setelah sirkulasi keenam yaitu sebesar 98,72 % (dari 7320,23 mg/l menjadi 85,80 mg/l).

V. PENUTUP Berdasarkan perancangan, pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada penelitian ini, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Tegangan keluaran berupa tegangan tinggi impuls dengan tegangan puncak bervariasi antara 0 Volt sampai dengan 20 kilo Volt. 2. Lucutan korona pada reaktor yang dibuat semakin panjang dan besar filamen lucutannya sebanding dengan besar tegangan yang diterapkan pada reaktor. 3. Perubahan tegangan dan jumlah sirkulasi mempengaruhi prosentase penurunan kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan. 4. Prosentase penurunan terbesar kadar COD dan warna sampel limbah cair industri minuman ringan diperoleh pada tegangan 18 kilo Volt setelah sirkulasi keenam. Nilainya secara berturut – turut adalah 98,72 % dan 99,05 %. DAFTAR PUSTAKA [1] Abduh, S,. Teknik Tegangan Tinggi Dasar Pembangkitan dan Pengukuran, Salemba Teknika, Jakarta, 2003. [2] Rashid, M. H., Power Electronics: Circuits and Application, Edisi kedua, Prentice International, New Delhi, India, 1996. [4] Chryssis, G, High-Frequency Switching Power supplies: Theory and Design, second edition,

Gambar 4.6. Hubungan tegangan terhadap prosentase penurunan warna

G-9


McGraw-Hill Publishing Company, New York, 1989. [6] Mohan Ned, Tore M. Undeland, William P Robbins, Power Electronics: Converter, Applications, and Design, John Wiley and Sons Inc, Canada, 1995. [7] Rashid Muhammad H., Power Electronics: Circuits, Devices and Application, Prentice-Hall International Inc, Second Edition, New Jersey, 1993. [8] Eckenfelder, W. Wesley, 2000. Industrial Water Pollution Control. New York: McGraw Hills Companies. [9] Kuraica, M. M., et al, 1996. Application of Coaxial Dielectric Barrier Discharge for Portable and Waste Water Treatment. Serbia: Faculty of Physics.

G-10

[10] Sugiharto, 1987. Dasar-Dasar Pengelolaan Air Limbah. Jakarta: Universitas Indonesia. [11] Korzekwa, R., et al, 1998. Experimental Results Comparing Pulsed Corona and Dielectric Barrier Discharges for Pollution Control. California: Los Alamos National Laboratory. [12] Chen, J., dan Davidson, J.H., 2002. Electron Density and Energy Distributions in the Positive DC Corona: Interpretation for CoronaEnhanced Chemical Reactions. Plasma Chemistry and Plasma Processing. Vol. 22. pp 199-224. [13] Aryanto, Imam. Septana, 2007. Penurunan Kadar Fenol dan COD Pada Limbah Cair Industri Cat dengan Teknologi Plasma dalam Permukaan Air. Semarang: Universitas Diponegoro.

APLIKASI REAKTOR PLASMA LUCUTAN KORONA UNTUK MENURUNKAN KADAR LIMBAH CAIR INDUSTRI MINUMAN RINGAN

Recommend Documents