Teknologi Pengeringan
SORPTION ISOTHERM Dr.-Ing. Dr Ing Suherman Teknik Kimia UNDIP Edisi : Juni 2009 1
Konsep Pengeringan • P Pengeringan: i pemisahan i h cairan i volatile l til ((air i atau t pelarut) dari material padatan dengan cara diuapkan melalui penambahan panas panas. – Produk: padatan – Zat pengering: udara udara, gas inert inert, superheated steam – Suplai panas: konveksi, konduksi, radiasi, microwave
• Dua proses terjadi secara simultan: – Perpindahan energy (panas) dari lingkungan untuk menguapkan surface moisture – Perpindahan uap internal ke permukaan padatan 2
Penerapan Pengeringan Bid Bidang
P d k Produk
Pertambangan
NaCl, CaCO3
Kontruksi
Pasir Sement Pasir, Sement, Batu Bata
Keramik
Bahan baku dan komponen produk
Kimia
Plastik, pigmen, insektisida, herbisida, fungisida, pupuk, detergen, bahan pembantu tekstil
Obat-obatan
Obat-obatan, enzim, tanaman dan buah
Tekstil
Fiber tekstil Fiber,
Pertanian dan kehutanan Kayu, jerami, cereal, biji-bijian Makanan
Buah, kentang, sayuran, kopi, teh, makanan isntant, susu, makanan bayi
Kertas dan kayu
Kertas, paperboard, wall paper, kayu, abu kayu
Elektronik
Resistor komponen Resistor,
Mobil
Komponen mesin, lembaran logam, cat
3
Pengeringan di Industri Polimer
4
Sorption Isotherm - Kandungan Uap Air - Klasifikasi Padatan - Kurva Sorption Isotherm - Bagaimana air terikat ? - Langmuir & BET - Capillary condensation - Klasifikasi f Model BET - Theori Dissolution - Fenomena Hyteresis - Pengaruh P hS Suhu h - Jenis Moisture - Adsorbent Teknis - Eksperimen Sorption Isotherm
5
Kandungan Uap Air • Kandungan uap air (moisture content) di padatan X=
M H 2O M dry solid
• Kandungan uap air kesetimbangan tergantung kondisi jumlah air di udara yang mengelilingi padatan Y=
M H 2O M dry air
pv ϕ = sat p v (T )
6
Brakel, 1980) Klasifikasi padatan (Van Brakel
Nonhygroscopic o yg oscop c capillary-porous cap a y po ous media, ed a, Misal: pasir, mineral, nonhygroscopic p yg p kristal, p partikel p polimer, dan keramik. Ciri: (1) Terdapat ruang pori yang jelas; ruang pori akan terisi dengan cairan jika media kapiler-porous sepenuhnya jenuh dan akan terisi dengan udara bila berada pada udara kering. (2) Jumlah physically bound moisture dapat diabaikan (nonhygroscopic). (3) Media tidak mengalami penyusutan selama pengeringan
7
Brakel, 1980) Klasifikasi padatan (Van Brakel
Hygroscopic-porous media, Seperti: p tanah liat,, molekular sieves,, kayu, y , dan tekstil. Ciri. (1) Terdapat jelas ruang pori yang dikenali (2) Terdapat sejumlah besar physically bound liquid. (3) Material sering terjadi penyusutan pada tahap awal pengeringan. Klasifikasi lebih lanjut: (a) hygroscopic capillary-porous media (micropores dan macropores, termasuk bidisperse media), seperti kayu, clays, l d dan ttekstil) k til) (b) strictly hygroscopic media (hanya micropores), seperti silika gel, alumina, dan zeolites) 8
Brakel, 1980) Klasifikasi padatan (Van Brakel
Colloidal ((nonporous) p ) media seperti sabun, lem, beberapa polimer (mis, nilon), dan berbagai produk makanan Ciri: (1) tidak ada ruang pori (penguapan hanya terjadi pada permukaan); (2) semua cairan adalah physically bound.
9
Contoh Kurva Sorption Isotherm Molekular sieves sangat g higroskopis, g p tetapi serbuk polyvinyl chloride (PVC) adalah kurang higroskopis.
10
Kurva Sorption Isotherm Pada tekanan uap rendah, kenaikan X mengikuti garis lurus (Henry Law) Kenaikan Pv,v akan diikuti nilai X yyang g mencapai linear (batas maksimal) mengikuti teori adsorpsi monomolekular ke dalam permukaan dalam padatan (Langmuir) Selanjutnya, X akan naik drastis Pada pengeringan, sorption isotherm karena terbentuknya lapisan menunjukkan sisa kandungan uap air multimolekular molekul air (Brunauer, di padatan (residual moiture content) Emmet, Teller) sebagai fungsi dari relatif humidity (ϕ) Pada Pv tinggi, lapisan film kontinyu terbentuk di pori-pori karena adanya Kita tidak bisa mengeringkan bahan kondensasi kapiler (Kelvin (Kelvin, Thomson) dibawah nilai kesetimbangannya
11
Bagaimana air terikat ?? 1 IKATAN KIMIA 1. Misal Garam CuSO4 dapat membentuk beberapa hidrat dimana air terikat dalam bentuk kristal pada rasio stokiometrik yang tepat. Pada pv > 0 0.06 06 bar bar, akan mulai terbentuk larutan. Ikatan kimia sangat kuat, dan hanya dapat diputus dengan udara yang sangat kering atau temperature tinggi. Contoh lain: hidrasi kalsium oksida
12
1 Ikatan Kimia 1. Misal Garam CuSO4 dapat membentuk beberapa hidrat dimana air terikat dalam bentuk kristal pada rasio stokiometrik yang tepat. Pada pv > 0 0.06 06 bar bar, akan mulai terbentuk larutan. Ikatan kimia sangat kuat, dan hanya dapat diputus dengan udara yang sangat kering atau temperature tinggi. Contoh lain: hidrasi kalsium oksida
13
2 Ikatan Fisika 2. Fisika-Kimia Kimia Ikatan molekular: padatan yang melarut dengan terbentuknya hidrat, padatan menjadi plastik, pembentukan koloid. Pemisahan dengan evaporasi. Ikatan osmotik: tumbuhan (konsentrasi tinggi di sel), material mengalami pengembangan. b P Pemisahan i h d dengan menggunakan k llarutan yang llebih bih tinggi konsentrasinya, di luar material. Pembentukan P b t k gel: l air terintegrasi ke dalam struktur; pembentukan tipe baru material. Pemisahan dengan evaporasi atau gaya mekanik
14
3 Ikatan Fisika 3. Monomolecular adsorption molecules in gas phase adsorbed molecules solid surface
1
2
nm Number of places
(Langmuir, 1916):
cϕ X = Xm 1 + cϕ
~ ⎛ Mv ⎞ c ≈ exp⎜⎜ ~ ∆h s ⎝ RT ⎠
ϕ 1 ϕ = + X cX m X m
Xm : full monolayer Bagus untuk ϕ ≤ 0.2
15
3 Ikatan Fisika 3. Multimolecular adsorption
cϕ 1 − (N + 1)ϕ N + Nϕ N +1 X = Xm 1 + cϕ 1 + (c − 1)ϕ − cϕ N +1 Untuk N → ∞ (BET) ( )
cϕ X = Xm (1 − ϕ)(1 − ϕ + cϕ) ϕ 1 c −1 = + ϕ X(1 − ϕ) cX X m cX Xm Bagus untuk 0.2 02≤ϕ≤0 0.6 6 16
3 Ikatan Fisika 3. Capillary Condensation
pc =
~ ⎛ Mv ⎞ pv = exp⎜⎜ − ~ gh ⎟⎟ * pv ⎝ RT ⎠
2σ 2σ cos θ = R' R
ρ w gh = p c
⇒ h=
Kelvin equation
2σ cos θ gρ w R
gh: energi ikatan B Bagus untuk t k ϕ > 0.6 06 17
Kesimpulan Model SE
18
Klasifikasi BET
Tipe I : Monomolecular adsorption (Langmuir) Tipe II & II : Multimolecular adsorption Tipe II : hydrophylic Tipe II : hydrophobic 19
Klasifikasi BET Tipe IV & V : mendekati Tipe II & III
20
Klasifikasi BET Tipe IV & V : mendekati Tipe II & III
21
Teori Dissolution 0.10
Xeq (-)
0.08 0.06
Kawasaki, et al. (1964), 25°C Rudobashta, et al. (1979), 70-90°C Krischer, et al. (1992), 20°C this work, 25°C this hi work, k 40°C Flory-Huggins, χ=1.75
PA6
0 04 0.04 0.02
Flory-Huggins Model
0
0
0.2
0.4
ϕ (−)
0.6
0.8
1
l (ϕ) = ln ln l φ1 + (1 − φ1 ) + χ(1 − φ1 )
2
φ1 fraksi volume dissolved water χ F-H interaction parameter 22
Fenomena Hyteresis
Adsorpsi : sudut kontak positif, Desorpsi: sudut kontak: hilang. Sehingga, jari-jari curvature di pori, berbeda artinya penurunan tekanan uap berbeda. Pada ϕ yang sama, pori dengan radius l bih b lebih besar akan k tterisikan i ik cairan i pada d proses desorpsi dibandingkan adsorpsi.
Catatan: Histeresis hanya terjadi pada daerah capillary condensation 23
Pengaruh Suhu Untuk U t k kentang: k t Semakin tinggi suhu semakin rendah air yang di adsorpsi
24
Jenis Moisture
25
Jenis Moisture Unbound U b d moisture i t Moisture di padatan yang memiliki tekanan uap sama dengan tekanan uap ap cairan pada ssuhu h yang ang sama
Bound moisture Cairan yang terikat secara fisik/kimia pada matrik padatan sehingga memiliki tekanan uap lebih rendah dibandingkan tek uap murni pada suhu yang sama
Free moisture F i t Moisture content lebih besar dari equilibrium moisture content yang dapat diambil pada ssuhu h dan tekanan tertent tertentu
Equilibrium moisture content Pada suhu dan tekanan tertentu, moisture content padatan basah berada kesetimbangan dengan campuran gas-uap (nol untuk padatan non non-hygroscopic) hygroscopic)
26
Adsorbent Teknis Padatan P d t digunakan di k sebagai b i adsorbent d b td dalam l proses pemisahan i h jika mampu menyerap beberapa komponen dari fasa gas. Padatan ini harus har s memiliki lluas as perm permukaan kaan dalam yang ang besar sehingga mudah dicapai kompenen dari luar. Makropori untuk akses yang bagus bagus, sedang mikropori untuk adsorpsi yang bagus.
27
Arang Aktif
mikropori, d < 2 nm, makropori, d > 50 nm Spesific surface area av = 800 m2/cm3 Tersusun atas 95% karbon Proses aktivasi: dengan memanaskan pada 800-1000°C atau dengan reaksi kimia. 28
Alumina Aktif Alumina aktif (γ-Al2O3), Spesific surface area av = 400 m2/cm3 Porositas 60%, 60% d = 2 2-3 3 nm nm.
29
Silika Gel Tersusun atas T t 99% SiO2 Tipe I: Pori Lebar, Porositas 65%, av 300 m2/cm3, d 5-10 nm Tipe II II: Pori Kecil, Kecil Porositas 45% 45%, av 900 m2/cm3, d 2-2,5 nm
30
Zeolite Zeolite dalam bahasa Yunani artinya mendidih (akan melepaskan banyak air jika dipanaskan). Tersusun atas struktur dasar AlO4 dan tetrahedarl SiO4. 4 -Tipe A: terhubungkan permukaan segi empat, d 0,42 nm, (diamater kritis air 0,26 nm) -Tipe X, Y: terhubungkan permukaan heksagonal, d = 1 nm
Zeolite digunakan untuk mengeringkan udara. Untuk melepaskan uap air cukup dipanaskan saja. 31
Pengukuran Sorption Isotherm X=
M wet solid − M dry solid M dry solid
Mdry solid dioven 130°C (mungkin vakum) Selanjutnya sampel ditempatkan pada ruangan yang diketahui ϕ dan T T.
32
Metoda Statis
Metoda ini sangat mudah diterapkan, tetapi sangat memakan waktu. Misal untuk ϕ > 85%, kesetimbangan akan dicapai dalam beberapa minggu. 33
Metoda Dinamis Pengukuran bisa dilakukan dalam beberapa hari. Untuk diagram 2, dapat diatur pada berbagai suhu dan 0 ≤ ϕ 0 98 ≤0.98 Precisi alat sampai 1 µg dapat g sampel p dg g berat 10 mengukur 50 mg.
34
Alat Mengukur Sorption Isotherm
35
