BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Teori Dasar Desalinasi Desalinasi pada prinsipnya merupakan cara untuk mendapatkan air bersih melalui proses penyulingan air kotor. Secara umum terdapat berbagai cara yang sering digunakan untuk mendapatkan air bersih yaitu: perebusan, penyaringan, desalinasi dan lain-lainnya. Cara perebusan dilakukan hanya untuk mematikan kuman dan bakteri-bakteri yang merugikan, namun kotoran yang berupa padatanpadatan kecil tidak bisa terpisah dengan air. Penyaringan digunakan hanya untuk menyaring kotoran-kotoran yang berupa padatan kecil, namun kuman dan bakteri yang merugikan tidak bisa terpisah dari air. Cara desalinasi merupakan cara yang efektif digunakan untuk menghasilkan air bersih yang bebas dari kuman, bakteri, dan kotoran yang berupa padatan kecil, Proses desalinasi secara umum biasanya yang diambil hanyalah air kondensatnya, sedangkan konsentrat garam dibuang dan ini dapat berakibat buruk bagi kehidupan air laut (Ketut dkk, 2011). Prinsip kerja desalinasi secara umum sebenarnya sangat sederhana. Air laut dipanaskan hingga menguap, dan kemudian uap yang dihasilkan dikondensasikan kembali dan ditampung di sebuah wadah. Air kondensat tersebut adalah air bersih. Sedangkan air laut yang tidak mendidih selama pemanasan adalah konsentrat garam. Proses desalinasi yang akan penulis bahas pada penelitian ini adalah desalinasi sistem vakum. Konsep dari sistem ini adalah memanfaatkan ruang vakum yang dibentuk secara alami untuk dapat mengevaporasikan sejumlah air laut pada tekanan rendah sehingga dapat berevaporasi dengan suplai energi panas yang lebih sedikit dibanding dengan teknik konvensional. Suplai energi panas yang sedikit dapat diambil dari kolektor surya plat datar dan / atau panas yang dibuang. Keunikan dari sistem ini adalah cara gaya gravitasi dan tekanan atmosfer digunakan dalam pembentukan kondisi vakum. Pembentukan sistem vakum bertujuan untuk menurunkan tekanan ruang evaporator agar pemanasan dapat berlangsung dengan suplai panas yang rendah. Tekanan atmosfer akan sama dengan tekanan hidrostatis yang dibentuk dengan pipa air yang tingginya sekitar 10 meter. Jadi, jika ketinggian pipa lebih dari 10
5
meter dan ditutup dari bagian atas dengan air, dan air dibiarkan jatuh kebawah akibat gravitasi, air akan jatuh pada ketinggian sekitar 10 meter, dan membentuk ruang vakum diatasnya. Komponen-komponen yang terdapat pada desalinasi sistem vakum adalah evaporator, kondensor, dan alat penukar kalor berupa tube-in-Tube. Evaporator berfungsi sebagai ruang pemanasan air laut dengan suplai panas berasal dari kolektor surya plat datar yang pada penelitian ini akan digantikan oleh pemanas listrik berdaya rendah untuk menjaga kestabilan suplai panas. Kondensor berfungsi untuk mengumpulkan uap yang dihasilkan oleh pemanasan air laut di evaporator untuk dikondensasikan kembali sehingga air kondensat dapat ditampung dan didapat air bersih sebagai produk sistem. Sedangkan tube in tube heat exchanger berfungsi sebagai heat recovery (pemulih panas), dimana air laut yang tidak mendidih akibat pemanasan di ruang evaporator akan jatuh melalui pipa luar dari tube in tube untuk memanaskan pipa dalam yang sedang dialiri air laut dari tangki pengumpan. Gambar 2.1 menunjukkan desalinasi sistem vakum. Kelebihan menggunakan Desalinasi Vakum Natural : 1. Tidak membutuhkan pompa vakum untuk penyuplaian air laut 2. Biaya konstruksi termurah diantara semua jenis desalinasi tenaga surya 3. Pemanasan dapat menggunakan suplai panas rendah karena sistem dalam keadaan vakum Kelemahan menggunakan Desalinasi Vakum Natural : 1. Konstruksi cukup sulit karena proses instalasi berhubungan dengan ketinggian 2. Hanya cocok untuk pemakaian skala besar (untuk luas alas evaporator yang besar) 3. Pemilihan bahan konstruksi sangat mempengaruhi lifetime sistem Selain desalinasi sistem vakum, masih banyak jenis lain sistem desalinasi bertenaga surya. Pembahasan mengenai sistem desalinasi jenis lain beserta prinsip kerja, kelebihan dan kelemahannya dibahas pada subbab berikutnya.
6
Condenser
Evaporator
Heater 10,34 m
Saline Water Brine
Condensate
Saline Water Tank
Gambar 2.1. Desalinasi Sistem Vakum Natural 2.2 Pengertian Air Air adalah zat atau materi atau unsur yang penting bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di bumi. Air dapat berubah wujud: dapat berupa zat cair atau sebutannya “air”, dapat berupa benda padat disebut “es”, dan dapat pula berupa gas yang dikenal dengan nama “uap air”. Perubahan fisik bentuk air ini tergantung dari lokasi dan kondisi alam. Ketika dipanaskan sampai 1000C maka air berubah menjadi uap dan pada suhu tertentu uap air berubah kembali menjadi air. Pada suhu yang dingin di bawah 00C air berubah menjadi benda padat yang disebut es atau salju. Air dapat juga berupa air tawar(fresh water) dan dapat pula berupa air asin(air laut) yang merupakan bagian terbesar di bumi ini. Di dalam lingkungan alam proses, perubahan wujud, gerakan aliran air(di permukaan tanah, di dalam tanah, dan di udara) dan jenis air mengikuti suatu siklus keseimbangan dan dikenal dengan istilah siklus hidrologi (Kodoatie dan Sjarief, 2010). Air laut merupakan air yang berasal dari laut, memiliki rasa asin, dan memiliki kadar garam (salinitas) yang tinggi. Rata-rata air laut di lautan dunia memiliki salinitas sebesar 35, hal ini berarti untuk setiap satu liter air laut terdapat 35 gram garam yang terlarut di dalamnya. Kandungan garam-garaman utama yang terdapat dalam air laut antara lain klorida(55%), natrium(31%), sulfat(8%),
7
magnesium(4%), kalsium(1%), potasium(1%), dan sisanya (kurang dari 1%) terdiri dari bikarbonat, bromida, asam borak, strontium, dan florida. Keberadan garam-garaman
ini
mempengaruhi
sifat
fisi
air
laut
seperti
densitas,
kompresibilitas, dan titik beku (Homig, 1978). Air dengan salinitas tersebut tentunya tidak dapat dikonsumsi. Air tawar adalah air dengan kadar garam dibawah 0,5 ppt (Nanawi, 2001). Menurut Peraturan Pemerintah Republik Indonesia Nomor 82 Tahun 2001 Tentang Pengendalian Kualitas Air dan Pengendalian Kualitas Pencemaran, Bab I Ketentuan Umum pasal 1, menyatakan bahwa:“Air tawar adalah semua air yang terdapat di atas dan di bawah permukaan tanah, kecuali air laut dan air fosil.”, sedangkan menurut Undang–Undang RI No. 7 Tahun 2004 tentang Sumber Daya Air (Bab I, Pasal1), butir dua di sebutkan bahwa “Air adalah semua air yang terdapat di atas, ataupun di bawah permukaan tanah, termasuk dalam pengertian ini air permukaan, air tanah, air hujan, dan air laut yang berada di darat”. Butir 3 menyebutkan “Air tanah adalah air yang terdapat dalam lapisan atau batuan di bawah permukaan tanah.”. karakteristik kandungan dan sifat fisis air tawar sangat bergantung pada tempat sumber mata air itu berasal dan juga teknik pengolahan air tersebut. Menurut Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia Nomor 492/MENKES/PER/IV/2010 Tentang Persyaratan Kualitas Air Minum, Pasal 1 menyatakan bahwa: “Air minum adalah air yang melalui proses pengolahan yang memenuhi syarat kesehatan dan dapat langsung diminum”.
2.3 Kebutuhan Air Air merupakan salah satu kebutuhan pokok mahkluk hidup termasuk manusia. Dalam kehidupan sehari-hari keberadaan air sangatlah penting. Karena keberadaannya yang sangat penting, maka keberadaan dan penggunaannya perlu dijaga dengan baik. Irianto(2004) mengemukakan bahwa kebutuhan air yang dimasukkan dalam tubuh tergantung dari jumlah air yang dikeluarkan tubuh. Air yang dimasukkan dalam tubuh dapat berupa air minum, makanan, dan buahbuahan. Pengeluaran air dari tubuh sebagai bentuk sisa metabolism atau karena penyakit tertentu. Penderita penyakit muntah berak (Cholera) akan mengeluarkan
8
banyak cairan dari dalam tubuh. Kekurangan cairan dari dalam tubuh dapat menyebabkan dehidrasi yang dapat mengakibatkan kematian. Air di dalam tubuh memiliki fungsi (a) membantu proses pencernaan yang memungkinkan terjadinya reaksi biokimia dalam tubuh, (b) menjaga kerja alat tubuh tidak terganggu, dan (c) membuang zat sisa dari dalam tubuh serta menjaga suhu tubuh agar tetap normal. Menurut dokter dan ahli kesehatan manusia wajib minum air putih delapan gelas per hari. Tumbuhan dan binatang juga mutlak membutuhkan air. Semua organisme yang hidup tersusun dari sel-sel yang berisi air sedikitnya 60% dan aktivitas metaboliknya mengambil tempat di larutan air (Enger dan Smith, 2009). Tanpa air keduanya akan mati. Sehingga dapat dikatakan air merupakan salah satu sumber kehidupan. Dengan kata lain air merupakan zat yang paling esensial dibutuhkan oleh mahkluk hidup. Dapat disimpulkan bahwa untuk kepentingan manusia dan kepentingan komersial lainnya, ketersediaan air dari segi kualitas maupun kuantitas mutlak diperlukan. Di Amerika Serikat ditentukan 600 liter per kapita per hari (Linsley dan Franzini, 1985). Di Indonesia diperlukan air berkisar 100-150 liter/orang/hari. Kebutuhan air minimal untuk daerah pedesaan menurut standar WHO adalah sebesar 60 liter/orang/hari(Sanropie, 1984). Menurut Irianto(2004) setiap hari selama 24 jam manusia membutuhkan asupan air sekitar 2,5 liter.
2.4 Standar Kualitas Air Bersih Standar kualitas air adalah ketentuan-ketentuan yang biasa dituangkan dalam bentuk pernyataan atau angaka yang menunjukkan persyaratan yang harus dipenuhi agar air tersebut tidak menimbulkan gangguan kesehatan, penyakit, gangguan teknis dan gangguan dalam segi estetika (Sanropie, 1984). Secara kimia standar kualitas air bersih dibagi ke dalam lima bagian, yaitu (a) di dalam air minum tidak boleh terdapat zat-zat yang beracun, (b) tidak ada zat yang menimbulkan gangguan kesehatan, (c) tidak mengandung zat-zat kimia yang melebihi batas tertentu sehingga bisa menimbulkan gangguan teknis, dan (d) tidak boleh mengandung zat-zat kimia yang melebihi batas tertentu sehingga bisa menimbulkan gangguan ekonomi. Dengan mengacu pada persyaratan di atas, maka keberadaan zat-zat kimia masih diperbolehkan dalam air minum asalkan
9
jumlahnya tidak melebihi batas yang telah ditentukan oleh Baku Mutu Air Minum. Secara biologis, air minum tidak boleh mengandung kuman parasit, kuman pathogen, dan bakteri coli. Persyaratan bakteriologis air bersih berdasarkan kandungan jumlah total bakteri Coliform dalam air bersih setiap 100 ml air contoh menurut
Peraturan
Menteri
Kesehatan
Republik
Indonesia
Nomor
416/MENKES/PER/IX/1990 adalah (a) air bersih yang berasal dari selain perpipaan, kadar maksimum yang diperbolehkan untuk jumlah total bakteri Coliform setiap 100 ml air contoh jumlahnya tidak boleh melebihi 50. (b) Air bersih yang berasal dari perpipaan, kadar maksimum total bakteri Coliform tidak diperbolehkan melebihi10 per 100 ml air contoh, sedangkan secara fisik,air bersih haruslah jernih, tidak berbau,dan tidak berwarna. Adapun Parameter wajib persyaratan kualitas air minum dapat dilihat pada Peraturan Menteri Kesehatan Indonesia Nomor 492/Menkes/Per/IV/2010, (*terlampir).
2.5 Klasifikasi Sistem Desalinasi 2.5.1. Solar Still Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak melalui kaca untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang berada tepat dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Gambar 2.2 menunjukkan sistem solar still sederhana. Kelebihan menggunakan Solar Still : 1. Konstruksi yang sederhana 2. Kondensasi tidak memerlukan kondensor, proses kondensasi terjadi pada kaca 3. Mudah dalam perawatannya Kelemahan menggunakan Solar Still :
10
1. Laju produksi air bersih per hari rendah 2. Sebagian uap air yang terkondensasi pada kaca dapat langsung jatuh kembali dan bercampur dengan air laut yang belum berevaporasi 3. Proses evaporasi lambat karena air laut dipanaskan pada tekanan atmosfer
SUN
Glass
Solar Radiation
Sea Water Tank
Basin
Fresh Water Tank
Brine Tank
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana
2.5.2. Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah uap saturasi dapat membawa udara dengan kapasitas yang semakin banyak dengan meningkatnya temperatur. Air laut akan melalui pemanasan awal sebelum disemprotkan ke dalam evaporator. Pemanasan terjadi pada dua fluida, yakni air laut dan angin. Pemanasan pada angin bertujuan untuk disirkulasikan ke dalam ruang evaporator - kondensor. Sesuai dengan ide utama sistem ini, udara panas membawa uap dari pemanasan air laut ke ruang kondensor yang berada tepat di sebelah ruang evaporator untuk dikondensasikan. Air laut yang tidak berevaporasi akan langsung jatuh ke tempat penampungan konsentrat garam (Parekh dkk, 2004). Gambar 2.3 menunjukkan sistem desalinasi surya humidifikasi – dehumidifikasi. Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi : 1. Efektif dalam memproduksi air bersih 2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah 3. Konsentrat garam yang masih mengandung air dapat diproses ulang
11
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi : 1. Konstruksi yang kompleks 2. Air laut yang tidak berevaporasi dibiarkan jatuh bebas ke tempat penampungan dapat menimbulkan percikan air sehingga memungkinkan terkontaminasi konsentrat garam ke air bersih jika isolasi tidak baik 3. Meskipun menggunakan energi surya sebagai sumber pemanas, sistem masih menggunakan energi listrik untuk mensirkulasikan udara dan air laut
Solar Water Heater
Preheated Sea Water
Hot Sea Water
Hot Air
Condenser
Evaporator
Saline Water Tank Solar Air Heater Sea Water In Air in Dehumidified Air Outlet
Hot Air Inlet Blower Brine Out
Distillate Tank Brine Storage Tank
Brine Recycle
Pump
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi
2.5.3. Solar Chimney Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbogenerator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah diameter kolektor surya yang besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang tinggi. Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai rumah kaca akan menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada ruang dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara udara lingkungan
12
dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir melalui cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan turbin yang dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi, 2012) Kelebihan sistem desalinasi solar chimney : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih 3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah Kelemahan sistem desalinasi solar chimney : 1. Konstruksi sistem kompleks 2. Biaya turbin dan kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat besar 3. Perawatan sistem sangat sulit dan mahal
SUN
Chimney Condensate
Condenser Pump
Condensate Tank Humid Hot Air
Solar Radiation
Solar Radiation
Wind Turbine Transparent Plastic or Glass Cover
Sea Water Air In
Sea Water Air In
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut
2.5.4. Solar Multi Stage Flash Desalination Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air laut pengumpan dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan mengalami perubahan fasa secara cepat dalam bak tekanan rendah yang dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diperbolehkan untuk berubah fasa pada tingkat berikutnya dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan 13
menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu (Manjarrez dkk, 1979). Kelebihan solar multi stage flash desalination : 1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi 2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari kolektor surya 3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi panas selama 24 jam Kelemahan solar multi stage flash desalination : 1. Konstruksi sistem yang kompleks 2. Tangki penyimpan kalor (Thermal Energy Storage) dan pompa vakum mahal 3. Perawatan sulit dan mahal Heat Transfer Field Vacum Pump
Thermal Energy Storage
Preheated Feed Water Boiler
Thermic Fluid Condenser
Brine Destilate Tank
Pump
Saline Water
Solar Field
Saline Water Tank
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash
2.5.5. Solar Multi Effect Distillation Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disebut efek yang dipertahankan pada tekanan rendah dengan pompa vakum. Panas yang dibutuhkan untuk mengevaporasi air laut pada efek pertama disuplai dari kumpulan kolektor surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil
14
dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air laut pengumpan pada efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED (Mezher dkk, 2011) Kelebihan solar multi effect distillation : 1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada konsentrat garam yang terkandung dalam air bersih 2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah efek 3. Laju produksi air bersih tinggi Kelemahan solar multi effect distillation : 1. Proses pemvakuman menggunakan pompa vakum dimana pada pasaran pompa vakum sangat mahal 2. Masih menggunakan energi listrik pada sistem 3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Preheated Feed Water To Vacuum
To Vacuum
To Vacuum
Hot Thermic Fluid Condenser Pump
Destillate Brine Destillste Tank Solar Cell
Saline Water Tank
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation
2.5.6. Desalinasi Kompresi Uap Dalam Desalinasi Kompresi Uap, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas eksternal dan berubah fasa menjadi uap, sehingga uap yang diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC) atau Thermo Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan kondensasi
15
dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006) Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap : 1. Pemanasan menggunakan pemanas air listrik sehingga perawatannya lebih mudah 2. Konstruksi sistem yang sederhana 3. Air bersih tidak akan terkontaminasi dengan air laut di kondensor Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap : 1. Komponen sistem yakni pompa dan kompresor mahal 2. Masih menggunakan enegi listrik yang tidak sedikit 3. Tidak cocok dalam memproduksi air bersih untuk skala kecil
Heated Vapor
Vapor Hot Saline Water
External power Source
Electic Heater
Compressor
Condenser Brine Out
Pump
Destillate Tank
Saline Water Tank
Brine Tank
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik
2.5.7. Freeze Desalination Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut dibiarkan untuk didinginkan di bawah titik beku, sehingga kristal es dari air bersih yang terbentuk di permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung, desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku operasi vakum (Rane
16
dkk, 2011). Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan refrigeran (biasanya n-butana) dicampur langsung dengan air laut pengumpan dalam pembeku sehingga panas dari air laut akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air bersih dalam bentuk kristal es. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konvensional tidak ekonomis, sehingga dewasa ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas karena dapat mengkontaminasi kristal es. Ukuran dari alat pencairan dan pembersihan dapat diperkecil dengan memperkecil jumlah dalam air sehingga biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung, pendingin dan air laut yang tidak dicampur satu sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk kristal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam sistem desalinasi beku vakum, air laut umpan didinginkan di bawah three point dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensasi di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination. Kelebihan Freeze Desalination : 1. Efisiensi sistem desalinasi sangat tinggi 2. Konstruksi mudah 3. Laju Produksi air bersih tinggi Kelemahan Freeze Desalination : 1. Sistem masih menggunakan energi listrik 2. Perawatan sistem sulit 3. Membutuhkan kompresor yang besar sehingga biaya konstruksi sistem mahal
17
Sea Water Tank
Saline Water
A Evaporator or Condenser
Throttling Valve Reversing Unit
B Evaporator or Condenser
Solar PV or Thermal Powered Compressor Unit
Fresh Water Brine Washing Water Line
Solenoid Controlled Valve Waste
Brine Water
Fresh Water
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump
2.5.8. Desalinasi Adsorpsi Sistem utama desalinasi adsorpsi terdiri dari evaporator, dudukan adsorpsi (silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan adsorpsi disuplai dengan air panas atau pendingin sesuai kebutuhan. Air laut yang menguap di evaporator diserap oleh dudukan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh sirkulasi air pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air terjebak di dalam dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air yang telah dipulihkan dikondensasikan dalam kondensor dan hasil kondensasi berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua dudukan, adsorpsi berlangsung di satu dudukan dan Desorpsi berlangsung di dudukan lain secara bersamaan (Wu dkk, 2010). Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Air bersih yang dihasilkan berkualitas tinggi karena melalui distilasi ganda
18
3. Air bersih tidak mungkin terkontaminasi oleh konsentrat garam Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi : 1. Konstruksi yang kompleks dan mahal karena memerlukan distilasi ganda 2. Perawatan sistem sulit 3. Masih menggunakan energi listrik (pompa) untuk mensirkulasikan air dingin dan air panas
Warm Water
Condenser
Chilled Water
Desalinated Water V4
V3
Cold water In
Hot water In BED 2
BED 1
Desorption Process
Adsorption Process Warm Water Out
Warm Water Out V1
Saline Water
Ambient Temperatur Water
Destillate Tank
V2
Chilled Water Evaporator
Brine Tank
Pump
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi
2.5.9. Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Dalam desalinasi RO (Reverse Osmosis) tenaga surya, energi mekanik yang dihasilkan oleh aliran fluida organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO dan pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat
19
memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012) Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal : 1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal selama 24 jam 2. Proses pemanasan sangat cepat karena dibantu oleh boiler 3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai baik energi termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal : 1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua pompa bertekanan tinggi 2. Perawatan sistem yang sulit 3. Konstruksi kompleks dan mahal
Heat Transfer Fluid RO Module Thermal Energy Storage
High Pressure Pump
Organic Fluid Boiler
Turbine
Solar Organic Rankine Cycle Thermic Fluid Condenser Brine
Fresh Water
Saline Water
Solar Field
Brine Tank Saline Water Tank
Fresh Water Tank
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya
2.5.10. Elektrodialisis Tenaga Surya (ED) Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air laut dan unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air laut dan dipisahkan oleh membran pertukaran kation dan anion. Ketika polaritas DC diterapkan melalui katoda dan anoda, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion positif melewati membran pertukaran kation dan ion-ion ini akan terakumulasi
20
dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai konsentrat garam. Pembalikan polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran (Charcosset dkk, 2009) Kelebihan Elektrodialisis : 1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC 2. Tidak ada kemungkinan kontaminasi konsentrat garam ke air bersih karena melalui banyak membran 3. Laju produksi air bersih tinggi Kelemahan Elektrodialisis : 1. Membran sangat mahal 2. Membutuhkan energi listrik yang besar untuk disuplai pada pompa dan unti elektrodialisis 3. Perawatan sistem sulit dan mahal
Saline Water
Anode
Cathode
CEM
CEM
- Cation Exchange Membrane
AEM
- Anion Exchange Membrane
AEM
CEM
AEM
Pump Brine Tank
Fresh Water Tank
Saline Water Tank
Gambar 2.11. Prinsip Kerja Unit Elektrodialisis
21
2.5.11. Distilasi Membran Tenaga Surya (MD) Distilasi membran adalah proses pemisahan yang mana hanya uap yang diperbolehkan untuk melewati poros membran hidrofobik. Pemisahan ini dapat terjadi karena perbedaan tekanan uap antara permukaan membran. Ada empat jenis proses distilasi membran yaitu membran distilasi celah udara, sweeping gas distillation, membran distilasi kontak langsung dan membran distilasi vakum. Di semua proses ini larutan panas umpan berkontak langsung dengan permukaan membran (Qtaishat dkk, 2012). Penjelasan tentang keempat jenis proses distilasi membran dapat dilihat pada diagram berikut.
Destilasi Membran Kontak Langsung
larutan umpan panas dan permeat dingin akan berada dalam kontak langsung dengan membrane kondensasi uap terjadi dalam modul membran
panas hilang secara konduksi
Destilasi Membran Celah Udara
Kehadiran celah udara antara membran dan permukaan kondensat kondensasi uap terjadi di dalam sel membran setelah melintasi celah Pengurangan panas hilang secara konduksi adanya udara meningkatkan resistensi perpindahan massa
Proses Destilasi Membran
Destilasi Membran gas Menyapu
gas menyapu digunakan untuk menyapu uap di sisi membran permeat kondensasi terjadi di luar modul membrane Pengurangan panas hilang secara konduksi perpindahan massa ditingkatkan
Destilasi Membran Vakum
vakum dibuat dalam sisi membran permeat kondensasi terjadi di luar modul membran kehilangan panas oleh konduksi diabaikan
Gambar 2.12. Tipe Proses Distilasi Membran
22
Hot Saline Water
Solar Collector Field
Condensate Membrane
Brine Distillate Pump
Saline Water Tank
Gambar 2.13. Unit distilasi membran bertenaga surya
2.5.12. Forward Osmosis (FO) Forward Osmosis adalah sebuah proses di mana molekul air dari air laut bergerak melalui membran semi permeabel terhadap larutan seimbang yang mana umumnya pada konsentrasi yang lebih tinggi daripada larutan umpan. Utamanya FO menggunakan gradien tekanan osmotik dan bukan gradien tekanan hidrolik (Cath dkk, 2006). Kelebihan Forward Osmosis : 1. Konstruksi sederhana 2. Perawatan mudah yaitu cukup dengan mengganti membran semi permeabel 3. Laju produksi air bersih yang tinggi Kelemahan Forward Osmosis : 1. Membran semi permeabel yang mahal 2. Kontaminasi konsentrat garam ke air bersih bergantung pada efektivitas membran semi permeabel 3. Usia membran semi permeabel singkat
23
Sea Water
Semi Permeable Membrane
Sea Water Tank
Solar Radiation
Fresh Water
Draw Solution
Brine Tank
Fresh Water Tank
Gambar 2.14. Unit Forward Osmosis
2.5.13. Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya Dalam sistem desalinasi, uap air bersih dapat diproduksi dari air laut pada tekanan operasi yang rendah jika vakum telah disediakan oleh pompa vakum, akan tetapi hal ini akan mengkonsumsi lebih banyak daya. Konsumsi energi listrik dapat dikurangi atau ditiadakan dengan memvakumkan ruangan secara alami, artinya dengan menggunakan gaya gravitasi yang diikuti oleh jatuhnya air dibawah gravitasi sehingga membentuk vakum pada ketinggian 10,34 meter.
Condenser
Evaporator Solar Heating System
10 m
Saline Water Brine
Condensate
Saline Water Tank
Gambar 2.15. Sistem Desalinasi Vakum Natural Tenaga Surya
24
2.6 Material bahan Stainless Steel Baja tahan karat / Stainless Steel dikenal juga sebagai Inox Steel dan juga sebagai CRES (corrosion resistan steel) merupakan baja paduan yang mengandung 10,5 % kromium (Cr) untuk mencegah proses korosi (perkaratan logam). Kemampuan tahan karat diperoleh dari reaksi kromium dengan oksigen di udara / air untuk membentuk suatu lapisan permukaan oksida kromium (Cr2O3), dimana lapisan permukaan ini berkarakter kuat, sangat tipis dan tidak terlihat secara kasat mata, menghalangi proses oksidasi besi (iron oxide / Fe2O3). Kandungan unsur lainnya pada stainless steel adalah karbon (C), nikel (Ni), molybdenum (Mo), Niobium (Nb) dan lain lain. Setiap jenis stainless steel memiliki
karakteristik
khusus
tergantung
dari
penambahan
unsur-unsur
pemadunya:
Penambahan molibdenum (Mo) bertujuan untuk memperbaiki ketahanan korosi pitting dan korosi celah
Unsur karbon rendah dan penambahan unsur penstabil karbida (titanium atau niobium) bertujuan menekan korosi batas butir pada material yang mengalami proses sensitasi.
Penambahan kromium (Cr) bertujuan meningkatkan ketahanan korosi dengan membentuk lapisan oksida kromium (Cr2O3) dan ketahanan terhadap oksidasi temperatur tinggi.
Penambahan nikel (Ni) bertujuan untuk meningkatkan ketahanan korosi dalam media pengkorosi netral atau lemah. Nikel juga meningkatkan keuletan dan kemampuan bentuk logam. Penambahan nikel meningkatkan ketahanan korosi tegangan (resistance to stress-corrosion cracking).
Penambahan unsur molybdenum (Mo) juga untuk meningkatkan ketahanan korosi pitting di lingkungan klorida.
Penambahan unsur aluminium (Al) meningkatkan pembentukan lapisan oksida pada temperatur tinggi. Pemilihan penggunaan bahan stainless steel yang tepat dan efisien
haruslah mempertimbangkan sifat-sifat materialnya (ketahanan korosi, fabrikasi, mekanik) dan biaya produk agar sesuai dengan kebutuhan / tujuan yang dimaksud. Beberapa alasan penggunaan Stainless Steel (SS) dalam perancangan alat
25
desalinasi vakum (sumber: http://aldis-asia.blogspot.co.id/2013/09/stainless-steelfood-grade_11.html) adalah 1. Fabrikasinya yang umum, sehingga mudah diperoleh dipasaran. 2. Mudah dibersihkan, anti korosif, dan tahan terhadap bakteri. 3. Sifat mekanik yang cukup baik secara keseluruhan Pilihan stainless Austenitic type 304.
Grade 304 adalah standar 18/8 stainless steel yang mengandung 18% chromium, 8% nickel dengan maximum 0.08% carbon. 18/10 SS yang mengandung 18 chromium & 10% nickel juga dikenal sebagai grade 304.
Grade 304 memiliki karakteristik pembentukan dan pengelasan yang sangat baik dan daya tahan karat yang baik. SS-304 adalah stainless steel yang paling umum digunakan, misalnya pada bak cuci piring (sinks), teko kopi (coffe pot), dispenser, thermos, panci (pans), perlengkapan makan (flatware, dishware), alat-alat masak, perabot rumah tangga (utensil).
Grade 304 juga banyak digunakan untuk pipa uap panas (steam pipes), system pembuangan uap/gas (exhaust systems), tangki penyimpanan (storage tank), ketel uap (steam-heated boilers).
Grade 304 SS mampu tahan terhadap air garam (salt water), artinya daya tahan korosinya kurang jika bersentuhan dengan air garam untuk beberapa waktu (cukup lama).
2.7. Fenomena Evaporative Cooling Fenomena yang terjadi pada evaporator untuk mengevaporasikan sejumlah fluida kerja bukan hanya bergantung pada pemanas air listrik, namun lebih bergantung pada fenomena evaporative cooling. Untuk lebih memahami mekanisme evaporative cooling, bayangkan evaporasi air dari kolam renang ke udara. Asumsikan air dan udara bertemperatur sama pada kondisi awal. Jika udara bersaturasi (humiditas relatif 100%), maka tidak akan ada perpindahan panas atau massa selama kondisi isotermal terjadi. Namun apabila udara tidak bersaturasi (humiditas relatif < 100%), maka akan ada perbedaan diantara konsentrasi uap air pada lapisan antara uap air dan udara (yang mana selalu tersaturasi) dan posisi di atas lapisan tersebut (lapisan batas
26
konsentrasi). Perbedaan konsentrasi adalah gaya penggerak untuk perpindahan massa, dan oleh karena itu perbedaan konsentrasi ini akan menggerakkan air ke udara. Akan tetapi air harus berevaporasi terlebih dahulu, dan untuk berevaporasi air membutuhkan panas laten evaporasi. Pada kondisi awal, seluruh panas penguapan berasal dari air di dekat lapisan uap air – udara karena tidak ada perbedaan temperatur diantara air dan sekitarnya sehingga tidak mungkin ada perpindahan panas. Temperatur air yang dekat dengan permukaan harus turun sebagai akibat kehilangan panas sensibel, dimana juga menurunkan tekanan saturasi sehingga terbentuk uap air pada lapisan air – udara. Penurunan temperatur ini membentuk perbedaan temperatur pada bagian atas air dan juga diantara air dan udara sekitarnya. Perbedaan temperatur ini akan menyebabkan perpindahan panas ke permukaan air dari udara dan bagian lebih dalam dari air, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.16. Jika laju evaporasi tinggi dan kebutuhan panas penguapan lebih tinggi daripada jumlah panas yang dapat disuplai dari bagian bawah air dan sekitarnya, kekurangan panas akan disuplai oleh panas sensibel air pada permukaan, yang menyebabkan temperatur air pada permukaan akan jatuh lebih jauh. Fenomena ini akan berlangsung secara kontinu hingga panas laten penguapan sama dengan laju perpindahan panas ke air pada permukaan. Saat kondisi tetap tercapai dan temperatur lapisan telah stabil, keseimbangan energi pada lapisan tipis cairan pada permukaan dapat diberikan dengan rumus sebagai berikut.
atau ............................................................................................. (2.1)
Gambar 2.16. Mekanisme Evaporative Cooling (Yunus A. Cengel, 2002)
27
2.8 Analisis di Evaporator Air laut akan masuk ke evaporator dari pipa pengumpan pada laju aliran massa yang disimbolkan m i [kg/s]. Kemudian akan terjadi penguapan dengan laju
m e [kg/s] yang akan mengalir dalam bentuk uap dan masuk ke kondensor. Sebagai sisanya akan terbentur air garam yang akan keluar dari evaporator dengan laju m w [kg/s]. Pada saat terjadi penguapan diperlukan panas untuk menyuplai panas laten penguapan. Panas ini akan diambil dari solar kolektor dan diantar oleh fluida kerja yang laju alirannya disimbolkan dengan m sc . Diagram aliran pada evaporator ditampilkan pada Gambar 2.17.
Gambar 2.17. Diagram aliran massa pada Evaporator Penerapan hukum kekekalan massa memberikan persamaan berikut:
d V s iVi wVw eVe ................................................................ (2.2) dt Dimana V [m3] adalah volume air laut di evaporator, dan V [m3/s] laju aliran volume pada masing-masing sisi masuk dan sisi keluar evaporator. Akibat adanya penguapan, maka konsentrasi garam di dalam evaporator akan bertambah. Jika konsentrasi dinyatakan dengan C [%], maka perubahan konsentrasi garam di dalam tabung evaporator dapat dinyatakan dengan:
d CV s C i Vi C s Vw ............................................................. (2.3) dt Dimana huruf s menyatakan sea water yang ada di evaporator.
28
Hukum kekekalan energi pada evaporator dapat didefenisikan sebagai banyaknya panas yang masuk dikurangi dengan panas yang keluar akan digunakan untuk menaikkan temperatur fluida di evaporator. Dalam bentuk persamaan menjadi:
d C pVT s Qin C pT i Vi C pT s Vw Qe Qloss ...................... (2.4) dt Pada persamaan ini C p [J/kg.K] adalah panas jenis. Laju penguapan (evaporasi) dari air laut di dalam evaporator (dinyatakan dengan huruf "s") ke dalam air murni di kondensor (dinyatakan dengan huruf "f") dapat dirumuskan dengan menggunakan persamaan berikut: P(T f ) P(Ts ) Ve As m f (C s ) ................................... (2.5) f Ts 2730,5 T f 2730,5
Dimana As adalah luas permukaan air yang ada di evaporator. Parameter m adalah koefisien empirik yang diperoleh dengan cara eksperimen, nilainya
107 m 106 [kg/m2.Pa.s.K0,5] (Bemporad, 1995). Tekanan uap sebagai fungsi temperatur dapat dirumuskan dengan persamaan:
P(T ) 100 e63,042 7139,6 (T 273) 6,2558ln(T 273) Pada persamaan (4),
[Pa] ................. (2.6)
f (C ) adalah faktor koreksi yang dihitung dengan
menggunakan persamaan: f (C ) 1 1C ..................................................................................... (2.7)
Dimana 1 0,0054 [tanpa dimensi] adalah koefisien empirik. Pada persamaan (2.4), laju penguapan juga dipengaruhi oleh massa jenis fluida. Sementara massa jenis juga dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur fluida, yang dirumuskan dengan
(T , C ) 0 1 T T0 C C0 ............................................................ (2.8)
29
Dimana T 5 104 /oC
adalah koefisien ekspansi thermal volumetrik dan
C 8 103 /% adalah koefisien ekspansi larutan (Al-Kharabsheh dan Goswami, 2004). Panas jenis air laut juga merupakan fungsi dari temperatur dan konsentrasi dan dapat dirumuskan dengan persamaan (Mamayev, 1975):
C p (T , C ) 4186 1,0049 0,0162C 3,5261 104 C 2 AT BT 2 ...... (2.9) Konstanta A dan B dirumuskan dengan
A (3,2506 1,4795C 0,07765C 2 ) 104 dan, B (3,8013 1,2084C 0,0612C 2 ) 106 .............................................. (2.10) Laju panas penguapan di evaporator pada persamaan (2.4), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Qe f h fg (Ts )Ve ..................................................................................... (2.11) Dimana h fg (Ts ) adalah panas laten penguapan air laut, yang dapat dihitung dengan persamaan (Incropera dan DeWitt, 1996):
h fg (Ts ) 1000 [3146 2,36(Ts 273)]
................................................ (2.12)
Untuk pengujian dengan suplai panas konstan, panas hilang dari evaporator dapat diasumsikan sebagai konveksi natural. Dalam perhitungan ini radiasi diabaikan, dan panas hilang diasumsikan dari tiga bagian, yaitu kerucut (atas), dinding, dan alas evaporator. Setiap bagian memiliki koefisien konveksi yang berbeda-beda. Panas hilang dari konduksi antara pipa outlet uap ke pipa kondensor diabaikan karena terdapat insulasi panas berbahan karet. Panas hilang dari alas evaporator ke lingkungan dapat dihitung dengan persamaan: ................. (2.13)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural diberikan dengan persamaan :
30
) .................................. (2.14)
dengan (
dengan RaL adalah bilangan tanpa dimensi Rayleigh diberikan dengan : ..................................................................... (2.15) l adalah panjang karakteristik yang dirumuskan dengan : ..................................................................................................... (2.16) dimana As dan p masing-masing adalah luas alas evaporator dan keliling evaporator. Panas hilang dari sisi dinding diberikan dengan persamaan : ........... (2.17)
dimana rins,o dan ls masing-masing merupakan radius dari pusat evaporator ke permukaan luar dari insulasi dan tinggi dinding evaporator. Maka Koefisien perpindahan panas konveksi natural dari sisi dinding evaporator diberikan oleh : ........................................................ (2.18)
Bagian atas dari evaporator dibentuk seperti kerucut terpotong dimana dapat dianggap sebagai plat miring dengan sudut kemiringan θ. Panas hilang dari bagian tersebut dapat dihitung dengan rumus : ............................... (2.19)
Koefisien perpindahan panas konveksi natural pada bagian atas evaporator dihitung dengan : dengan
........... (2.20)
31
