Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012
ISSN: 1979-911X
KAJIAN PERGERAKAN DENSE NON-AQUEOUS PHASE LIQUID (DNAPL) DALAM BERBAGAI KEADAAN TANAH MENGGUNAKAN EMPARAN GEOTEKNIK Muchlis1, Wan Zuhairi Wan Yaacob2 Jurusan Teknik Geologi Fakultas Teknik Mineral Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta Jl. Kalisahak No. 28, Kompleks Balapan, Yogyakarta. E-mail:
[email protected] 2) Program Geologi, Pusat Pengajian Sains Sekitaran dan Sumber Alam, Fakulti Sains dan Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia 43600 Bangi, Selangor. E-mail:
[email protected] 1)
INTISARI Pencemaran tanah dan air tanah oleh DNAPL sudah semakin luas. Riset-riset masih terus harus dilakukan agar pemulihan tanah dan air tanah yang disebabkan oleh DNAPL dapat berjalan secara efektif. Kajian tentang pergerakan DNAPL dalam tanah adalah salah satu riset yang perlu dilakukan. Pergerakan DNAPL dalam tanah adalah sangat kompleks berbanding zat yang lain. Ke-kompleks-an pergerakan ini sebagian besar dipengaruhi oleh sifat fisik dan kimia tanah dan sifat-sifat fisik DNAPL. Objektif kajian ini ialah untuk mempelajari pergerakan DNAPL dalam keadaan tanah yang berbeda; dan untuk mengetahui hubungan antara pergerakan DNAPL dan sifatsifat fisik dan kimia tanah. Pada kajian ini, investigasi di laboratorium telah dilakukan dalam memvisualkan pergerakan DNAPL dengan menggunakan instrumen emparan geoteknik. Kotak sampel pada emparan geoteknik yang mempunyai dimensi panjang 29 cm, tinggi 20 cm dan lebar 4 cm diisi dengan pasir silika. Tanah lempung samudera dimasukkan dalam kotak sampel dengan membentuknya menjadi berbagai keadaan yang menggambarkan keadaan alami di alam yaitu perlapisan dan lensis. Semasa kecepatan emparan geoteknik adalah 25 graviti (210 RPM), DNAPL yang diberi pewarna merah disuntikkan pada kotak sampel bagian atas pasir dan pergerakan TCE tersebut dipantau secara visual dan diukur melawan waktu. Dari hasil percobaan diketahui bahwa dalam pasir dengan lensis lempung samudera keadaan jenuh, DNAPL akan bergerak secara cepat dalam pasir, setelah mencapai lensis maka DNAPL tidak dapat memasuki lensis dan bergerak disekelilingnya. Dalam pasir dengan perlapisan lempung samudera keadaan tidak jenuh, DNAPL akan bergerak secara vertikal dalam pasir. Setelah mencapai perlapisan, gerakan vertikal DNAPL akan terhambat dan mulai bergerak secara horizontal, setelah keluar dari perlapisan, gerakan secara vertikal lebih mendominasi. Penelitian pergerakan DNAPL dengan pemodelan pada berbagai keadaan tanah dapat menjadi pengetahuan yang penting untuk mengetahui keadaannya dalam kondisi sebenarnya. Kata kunci: pergerakan DNAPL, emparan geoteknik, tanah ABSTRACT Soil and ground water pollution caused by DNAPL is getting larger by day. More research is required to make sure that remediation running effectively. The study of DNAPL migration in soil will be very useful. The migration of these compounds in the subsurface is so complex compared to other soluble compounds. The complexity of the movement is said to be largely controlled by the physico-chemical characteristics of the subsurface and physical characteristics of DNAPL. The objectives of this study were to study the migration of DNAPL in various condition of soil; and to investigate the relationship between DNAPL migration and physico-chemical properties of soil. In this work, a laboratory investigation was conducted to visualize the complexity of the migration of DNAPL using geotechnical centrifuge experiment. Silica sand was put in bucket sample of geotechnical centrifuge with the dimension of 4 cm (width) x 29 cm (length) x 20 cm (height). Marine clay was filled up to bucket sample to simulate the real condition and its heterogeneities i.e. bedding plane and lenses. Upon reaching the speed of 25g (210 RPM), the dyed DNAPL was spilled on top of the bucket sample at and dyed DNAPL migration was observed and measured with time. The results of study revealed that DNAPL could not flow through the saturated lens and migrate surrounding the lens. The vertical migration of DNAPL will be retarded if DNAPL reached a fine fraction of unsaturated bedding plane. The visualization of the movement of DNAPL in various soil conditions may provide a vital knowledge on the behavior of DNAPL in soil. Key words: DNAPL, geotechnical centrifuge, soil
B-236
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012
ISSN: 1979-911X
PENDAHULUAN Pencemaran tanah dan air tanah yang disebabkan oleh bahan berklorin sudah menjadi perhatian di dunia dewasa ini. Pelarut berklorin sudah ditemukan secara berkala pada tanah dan air tanah (Benker et al. 1998; Hellerich & Nikolaidis 2005; Schirmer & Butler 2004). Pelarut berklorin merupakan senyawa yang berbahaya kerana bersifat persisten dan bertoksik tinggi. Berdasarkan densitasnya, pelarut berklorin dapat dibedakan menjadi dua yaitu Light Non-Aqueous Phase Liquid (LNAPL) dan Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). LNAPL merupakan pelarut berklorin yang mempunyai nilai densitas lebih rendah dari densitas air sedangkan DNAPL lebih besar dari air. Contoh DNAPL yang digunakan pada kajian ini adalah trichloroethylene (TCE). TCE adalah senyawa yang dibuat oleh manusia, tidak terjadi secara alamiah. TCE biasanya dipakai sebagai pelarut pada industri logam dan industri kimia. Standar TCE yang dikeluarkan oleh US EPA untuk air minum adalah 0.005 mg/l. Pergerakan DNAPL dalam tanah adalah sangat komplek dan sebagian besar dipengaruhi oleh sifat fisik dan kimia tanah, dan sifat-sifat DNAPL (Emonet et al, 2002; Kumar 2006). Ada tiga fenomena penting yang perlu diperhatikan pada pergerakan TCE iaitu adveksi, dispersi hidrodinamik dan retardasi (Notodarmojo 2005; Boulding & Ginn 2004). Pergerakan karena adveksi merupakan proses fisik di mana air sebagai medium bergerak dengan membawa bahan pencemar yang berada didalamnya. Pergerakan karena proses dispersi hidrodinamik merupakan pergerakan yang diakibatkan oleh difusi bahan pencemar, karena perbedaan konsentrasi yang mengakibatkan gerak Brown serta mekanisme dispersi. Hal ini terjadi karena ketidakteraturan lintasan air melalui pori-pori tanah. Retardasi merupakan fenomena yang menunjukkan perubahan jumlah bahan pencemar selama terjadi proses pergerakan akibat reaksi antara bahan pencemar dengan medium, yang memberikan pengaruh gerakan bahan pencemar menjadi terhambat. Memahami mekanisma pergerakan DNAPL dalam tanah adalah penting agar proses pemulihan pencemaran yang disebabkan DNAPL dapat berjalan secara efektif dan efisien. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari pergerakan DNAPL dalam keadaan tanah yang berbeda; dan untuk mengetahui hubungan antara pergerakan DNAPL dan sifat-sifat tanah.
METODE Emparan geoteknik yang dimiliki oleh Universiti Kebangsaan Malaysia telah digunakan untuk penelitian ini (Gambar 1). Kotak sampel dengan ukuran 29 cm (panjang), 20 cm (tinggi) dan 4 cm (lebar) dilekatkan pada arm emparan geoteknik (Gambar 2). Pasir silika dimasukkan ke dalam kotak sampel, kemudian tanah lempung samudera diletakkan diatas pasir silika dengan membentuknya menjadi lensis dan perlapisan, dan pasir silika dimasukkan lagi di atas lensis atau perlapisan. Tanah lempung samudera yang digunakan untuk memodelkan lensis adalah dalam keadaan jenuh manakala yang digunakan untuk memodelkan perlapisan dalam keadaan kering. Sifat-sifat tanah dapat dilihat dalam Tabel 1 dan uji particle size distribution dari pasir silika dapat dilihat Gambar 3. Kotak sampel diputar sampai kecepatan 25 graviti (g) bersamaan dengan 210 RPM. Pada kecepatan tersebut, DNAPL yang sudah diberi pewarna merah disuntikkan dalam kotak sampel dan dibiarkan berputar selama 60 detik. Pergerakan DNAPL dalam kotak sampel secara otomatis direkam oleh kamera. Hasil rekaman tersebut kemudian dilukis dengan menggunakan perangkat lunak corel draw.
B-237
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012
ISSN: 1979-911X
Gambar 1. Emparan geoteknik di UKM Gambar 2. Kotak sampel emparan geoteknik
Tabel 1. Hasil ujian sifat fisik dan kimia tanah lempung samudera Sifat-sifat Lempung(%) Lodak(%) Pasir(%) LL(%) PL(%) PI(%) W opt(%) k (m2) pH Kand Organik(%) KPK(meq/100g) LPS(m2/g) Mineralogi Lempung
Nilai 33 - 52 46 - 60 2-8 50 - 67.5 18.2 - 28.7 26.8 - 44.5 29 - 32 1.5 - 7.9 x 10-9 7.8 - 7.9 5.2 - 13.5 219.2 - 229.4 137.1 - 201.7 I,M
Keterangan: LL= Liquid Limit, PL=Plastik Limit, PI=Indek Keplastikan, W=Kandungan air, k= Permeabilitas, I = ilit, M= Montmorilonit, KPK=Kapasitas Pertukaran Kation, LPS=Luas Permukaan Spesifik.
Gambar 3. Hasil uji particle size distribution dari pasir silika
B-238
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012
ISSN: 1979-911X
PEMBAHASAN Pengaruh kewujudan perlapisan pada pergerakan DNAPL Pergerakan dan kecepatan DNAPL dalam perlapisan tanah lempung samudera dapat dilihat pada gambar 4 dan 5. DNAPL akan bergerak secara vertikal dan horizontal setelah disuntikan pada bagian atas pasir silika dimana pergerakannya didominasi oleh pergerakan secara vertikal yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan gaya centripetal. Setelah mencapai perlapisan lempung samudera, ukuran butiran tanah yang kecil dan nilai permeabilitas yang rendah dari tanah lempung memperlambat pergerakan vertikalnya sehingga DNAPL mencari pori yang kosong di sebelahnya. Ini menyebabkan pergerakan secara horizontal mulai besar dimana pada detik pertama kecepatan vertikal dan horizontal berturut-turut adalah 5 dan 2,2 cm/detik. DNAPL bergerak secara vertikal dan horizontal dalam perlapisan lempung samudera dimana pada detik ke-60 kelajuan vertikal dan horizontal berturut-turut adalah 0,13 dan 0,09 cm/detik. Sampai 60 detik dari waktu pelepasan DNAPL belum mencapai ujung perlapisan tetapi sudah mencapai bagian bawah dari perlapisan. Perbedaan tekstur antara pasir silika dan lempung samudera menyebabkan terjadinya penghalang kapilari. Penghalang kapilari terjadi secara alami pada sistem yang disebabkan perbedaan tekstur tanah (Essaid et al. 1993; Dekker & Abriola 2000). Ujian seperti ini juga dilakukan oleh Soga et al. (2003) iaitu dengan menggunakan lapisan pasir halus diantara pasir kasar. Ujian memperlihatkan bahwa setelah memasuki pasir halus maka pergerakan NAPL secara mendatar akan lebih besar berbanding pada pasir kasar. Hal ini disebabkan karana gaya kapilari antara NAPL dan udara dalam pasir halus adalah lebih besar berbanding pasir kasar sehingga lebih banyak pergerakan secara mendatar dalam pasir halus.
Gambar 4. Pergerakan DNAPL dalam perlapisan
Gambar 5. Kecepatan pergerakan DNAPL
Pengaruh kewujudan lensis pada pergerakan DNAPL Pergerakan DNAPL pada lensis dapat dilihat pada Gambar 6. Pada awal suntikan, DNAPL akan bergerak dengan cepat secara vertikal dan horizontal dalam pasir silika, setelah mencapai lensis lempung samudera keadaan jenuh maka DNAPL tidak dapat masuk kedalamnya dan akan mencari pori yang kosong disekitar lensis. Hal ini menyebabkan DNAPL bergerak di sekitar lensis secara horizontal. Setelah
B-239
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012
ISSN: 1979-911X
melewati lensis, DNAPL bergerak secara vertikal lagi disebabkan oleh gaya gravitasi. Ketika, mencapai lensis lempung samudera keadaan jenuh dibawahnya, DNAPL akan mencari pori yang kosong disekeliling lensis dan bergerak secara horizontal. Hal ini terjadi berterusan hingga DNAPL mencapai dasar pasir silika. SeandainyaDNAPL tidak menyentuh lensis, maka DNAPL akan bergerak secara vertikal dengan cepat hingga mencapai dasar pasir silika.
Gambar 6. Pergerakan DNAPL pada lensis DNAPL tidak dapat masuk dalam lensis lempung samudera keadaan jenuh disebabkan karena pori pada lensis lempung samudera sudah penuh terisi oleh air sehingga tidak ada pori yang kosong bagi DNAPL untuk masuk. Disebabkan tidak dapat masuk, maka DNAPL akan mencari pori yang kosong disekeliling lensis. Pernyataan ini didukung oleh pendapat Testa (2000) yang menyatakan bahwa pada medium berpori kecil yang sudah terisi air akan membuat NAPL tidak dapat masuk karena tidak ada pori yang tersedia.
KESIMPULAN Kajian ini menunjukkan bahwa arah dan kecepatan pergerakan DNAPL dalam tanah adalah berbeda-beda tergantung pada keadaan tanahnya. Jika pada tanah tersebut terdapat perlapisan yang mempunyai ukuran tanah yang kecil dan dalam keadaan kering maka setelah mencapai perlapisan, pergerakan vertikal DNAPL akan terhambat dan DNAPL banyak bergerak secara horizontal.
Sementara itu, jika di dalam tanah terdapat lensis dalam keadaan jenuh, maka DNAPL tidak dapat memasuki lensis dan akan bergerak mencari pori-pori tanah yang kosong disekitar lensis. Penghargaan Penelitian ini adalah bagian dari projek penelitian yang dibiayai oleh Kementerian Sains, Teknologi dan Inovasi Malaysia (MOSTI) E- Science Fund (04-01-02-SF0153). DAFTAR PUSTAKA
Benker, E., Davis, G.B. & Barry, D.A, 1998, Estimating retardation coefficient of Trichloroethylene for a sand aquifer low in sediment organo carbon- a comparison of methods. Journal Contaminant Hydrology,30, 157-178.
B-240
Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III Yogyakarta, 3 November 2012
ISSN: 1979-911X
Boulding, J.R & Ginn, J.S, 2004, Practical handbook of soil, vadose zone and ground water contamination, Lewis Publisher. Dekker, T.J. & Abriola, L.M, 2000, The influence of field-scale heterogeneity on the infiltration and entrapment ofdense nonaqueous phase liquids in saturated formations. Journal of Contaminant Hydrology, 42, 187–218. Emonet, M.A., Brues, C., Oltean, O. Bour & P. Le Thief, 2002, Migration of trichloroethylene in a homogeneus porous media, 2D numerical study, Development in water science,47, 209216. Essaid, H.I., Herkelrath, W.N. & Hess, K.M, 1993, Simulation of fluid distributions observed at a crude oil spillsite incorporating hysteresis, oil entrapment, and spatial variability of hydraulic properties, Water Resources Research, 29, 1753– 1770. Hellerich, L.A. & Nikolaidis, N.P, 2005,Sorption studies of mixed chromium and chlorinated ethenes at the field and laboratory scales,Journal. Environment Management, 75, 77-88. Kumar, P.R, 2006, An experimental methodology for monitoring contaminant transport through geotechnical centrifuge test. Environmental Monitoring and Assessment. 117, 215-233. Notodarmojo, S, 2005, Pencemaran tanah dan air tanah, Penerbit ITB, Bandung. Schirmer, M & Butler, B.J, 2004, transport behavior and natural attenuation of organic contaminant at spill sites, Toxicology,205, 173-179. Soga, K., Kawabarata, J., Kechavarzi, C., Coumoulos, H. & Waduga, W.A.P. 2003. Centrifuge modelling of nonaqueous phase liquid movement and entrapment in unsaturated layered soils,Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 129 (2), 173-182. Testa, S. M, 2000,Restoration of contaminated aquifer Petroleum Hydrocarbon Compounds, Ed. Kedua, CRC Press.
B-241
