Penentuan Koefisien Difusi Gas SF 6 pada Tanah Sawah dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO 2

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

Volume 27, Mei 2010

Penentuan Koefisien Difusi Gas SF6 pada Tanah Sawah dengan Metode Spektroskopi Fotoakustik Laser CO2 ALI JOKO WASONO Lab. Fotoakustik – FMIPA Fisika UGM, Yogyakarta Indonesia IYON TITOK SUGIARTO Pusat Penelitian Fisika – LIPI Kawasan PUSPIPTEK, Tangsel Indonesia E-MAIL: [email protected]

INTISARI: Telah dilakukan penentuan koefisien difusi gas SF6 pada tanah sawah dengan metode spektroskopi fotoakustik laser CO2. Nilai koefisien difusi gas SF6 ditentukan pada saat terjadi penurunan konsentrasi gas SF6 yang dipancarkan dalam tanah sawah. Gas SF6 yang bersifat inert (mulia), mempunyai pita serapan yang kuat pada garis 10P16 radiasi laser CO2 dengan koefisien serapan α = (577 ± 8) cm-1 atm-1 digunakan sebagai gas pelacak. Konsentrasi gas SF6 yang dikeluarkan selama proses difusi adalah berorde ppb. Dari hasil perhitungan diperoleh nilai koefisien difusi (D) gas SF6 pada tanah sawah adalah (1,2 ± 0,4) x 10-3 cm2/s untuk tebal tanah 0,8 cm; (3,3 ± 1,5) x 10-3 cm2/s untuk tebal tanah 0,9 cm; (2,7 ± 1,1) x 10-3 cm2/s untuk tebal tanah 1,1 cm; dan (6,3 ± 2,6) x 10-3 cm2/s untuk tebal tanah 1,3 cm. Hasil ini menunjukkan bahwa metode spektroskopi fotoakustik laser CO2 dapat digunakan untuk mendeteksi konsentrasi gas SF6 yang berdifusi pada tanah sawah. KATA KUNCI : Spektroskopi fotoakustik laser CO2, SF6 , koefisien difusi gas SF6 ABSTRACT : The diffusion coefficient of SF6 gas determined when it decreases as it is emitted at the paddy soil. The SF6 gas which biologically inert, has a very strong absorption band at the line of 10P16 CO2 laser with an absorption coefficient α = (577 ± 8) cm-1 atm-1, was used as suitable tracer gas. The SF6 gas concentration resulted in the process of diffusion is at range of ppb. The result for calculation of the diffusion coefficient (D) SF6 gas in paddy soil were found to be (1,2 ± 0,4) x 10-3 cm2/s for the thickness of soil layer at 0,8 cm; (3,3 ± 1,5) x 10-3 cm2/s for the thickness of soil layer at 0,9 cm; (2,7 ± 1,1) x 10-3 cm2/s for the thickness of soil layer at 1,1 cm; and (6,3 ± 2,6) x 10-3 cm2/s for the thickness of soil layer at 1,3 cm. This result indicated that the method of CO2 laser photoacoustic spectroscopy could be used to detect the gas concentration of SF6, which diffused in paddy soil. KEYWORDS: CO2 laser photoacoustic spectroscopy, SF6, diffusion coefficient SF6 gas

1.

PENDAHULUAN

Bermacam-macam gas telah diselidiki dengan menggunakan metode spektroskopi fotoakustik, diantaranya polusi udara, gas metana, amonia, dan gas etilen hasil keluaran berbagai macam buah-buahan seperti: apel, mangga, pisang, dan salak[1]. Deteksi fotoakustik didasarkan pada efek fotoakustik, yaitu timbulnya gelombang akustik bila dikenai radiasi yang dimodulasi pada frekuensi audio [2]. Efek fotoakustik ditemukan oleh Bell, A.G. (1880) sewaktu dia melewatkan sinar matahari yang dimodulasi pada frekuensi audio ke dalam zat padat. Efek fotoakustik juga dapat terjadi di dalam zat cair dan gas [3]. Bila serapan radiasi cukup lemah serta daya radiasi tidak terlalu tinggi maka sinyal fotoakustik berbanding lurus dengan daya tersebut dan konsentrasi gas yang menyerap radiasi. Panjang gelombang laser CO2 (9-11 µm) yang berada dalam daerah inframerah dan mempunyai banyak garis-garis laser yang dapat menyerap kebanyakan gas anorganik. Satu diantaranya adalah gas SF6 (Sulfur Heksafluorida). Secara fisika gas SF6 yang bersifat lembam, mempunyai serapan yang kuat dengan koefisien serapan 564 atm-1 cm-1 pada garis 10P16 radiasi laser CO2, dan bersifat inert, tidak beracun, tidak dapat terbakar, serta kestabilan kimia yang tinggi dapat dimanfaatkan untuk mengetahui transpor dan koefisien difusi gas SF6 dalam tanah [4,5]. Pengetahuan tentang transpor gas dalam tanah penting artinya untuk mengetahui seberapa cepat respirasi yang terjadi dari akar ke tanaman. Laser yang digunakan berkonfigurasi ekstrakavitas dengan sistem gas mengalir. Tujuan penelitian ini adalah menerapkan metode spektroskopi fotoakustik (SFA) laser CO2 yang mempunyai kepekaan tinggi [sub ppb = part per billion (bagian per miliyar)] untuk menentukan koefisien difusi gas SF6 pada tanah sawah (paddy soil).

8

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

2.

Volume 27, Mei 2010

METODOLOGI

2.1 Teori Besarnya sinyal fotoakustik berbanding langsung dengan intensitas radiasi yang diserap cuplikan dan daya tanggap mikrofon. Berdasarkan hukum Lambert-Beer, bila serapan yang terjadi sangat lemah maka diperoleh sinyal fotoakustik (S) berbanding lurus terhadap konstanta sel (F), daya tanggap mikrofon (R’), daya laser (Io), dan konsentrasi cuplikan (C) yang dinyatakan dengan persamaan : S = F R’ Io α C + B

(1)

dengan α adalah koefisien serapan molekul gas dalam (cm-1 atm-1) dan B merupakan sinyal latar. Berdasarkan persamaan tersebut yaitu berlakunya kesebandingan antara sinyal fotoakustik dengan konsentrasi molekul penyerap maka detektor dapat dipakai untuk melacak gas kelumit sekaligus menentukan konsentrasinya, bila koefisien serapan molekul α telah diketahui nilainya. Difusi muncul akibat pergerakan acak molekul bahan yang membiarkan molekul tersebut terpisah satu sama lainnya. Bila ditinjau gejala difusi molekul gas dalam suatu ukuran volume luas penampang A, maka menurut hukum Fick pertama bahwa rapat aliran (J) molekul berbanding langsung dengan gradien konsentrasi (misal ke arah x) dengan konstanta kesebandingan yang disebut koefisien difusi (D).

J  D

C x

(2)

C merupakan gradien konsentrasi. Arah difusi searah dengan pengurangan konsentrasi. Sedang laju x pertukaran gas (laju difusi) sebanding dengan rapat aliran dan luas penampang yang dilalui gas yang dapat dirumuskan menjadi[6]

dS C AC   DA  dt x R

(3)

dengan menggunakan D = ∆x/R; R dinamakan koefisien resistansi elemen volume terhadap difusi yang t

terjadi didalamnya (detik cm-1), C merupakan selisih konsentrasi diluar bahan (C e ) dengan konsentrasi t

gas di dalam bahan (C i ) yang kemudian masing-masing disebut sebagai konsentrasi eksternal dan internal. Jumlah gas yang berdifusi tiap satuan waktu dapat dinyatakan[7].

dC e dS  Ve dt dt

(4)

dengan Ve merupakan volume eksternal. Bila dipakai gas pelacak untuk mengukur laju difusi suatu gas yang dilakukan dengan cara meletakkan bahan ke dalam kuvet (sistem) tertutup dan volume gas yang diselidiki yang berada di dalam bahan tidak dapat diabaikan maka berlaku

C

t  e

C it tVi  C et t Ve  Vi  Ve

(5)

Substitusi pers. (5) ke (4) dan (3) serta dipisahkan variabel konsentrasi dan waktu, kemudian diintegralkan maka akan diperoleh hubungan:

 C et t  C et   A  Vi  Ve ln  t 0   t   C  C e  e  R  ViVe

 t 

(6)

9

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

t t

dengan C e

Volume 27, Mei 2010

t 

adalah konsentrasi gas pelacak pada saat t, C e

kesetimbangan antara dalam dan luar bahan) dan C

t 0 e

konsentrasi gas pada t   (konsentrasi

konsentrasi internal gas pelacak pada t  0 .

2.2. Metode Penelitian Bahan yang diteliti adalah tanah sawah (paddy soil) yang diambil dari daerah Sentolo, Kulon Progo. Gas pelacak (Sulfur heksaafluorida, SF6) diperoleh dari PT. PLN (Persero) jl. Parangtritis km.5, Yogyakarta. Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah spektrometer fotoakustik laser CO2 yang komponen utamanya meliputi : Laser CO2 flowing system (sistem mengalir), sel fotoakustik, modulator (Chopper) SR 540; Encoder Mike Controller ORIEL 18011; penguat Lock-in SR 530;. recorder Kipp & Zonen BD41; meter daya OPHIR AN/2; CO2 Spectrum analyzer / penganalisis spektrum laser CO2. 2.2.1 Sistem Deteksi Fotoakustik (FA) Persyaratan gas yang dapat dideteksi dengan metode FA adalah bahwa gas tersebut mempunyai pola serapan yang berada dalam daerah panjang gelombang laser. Dalam penelitian ini dipakai laser CO2 flowing system, yang terdiri dari campuran gas He, N2 dan CO2 yang menghasilkan daya 0,3 – 0,4 watt. Molekul gas menyerap energi foton dan tereksitasi ke aras vibrasi-rotasi yang lebih tinggi, kemudian molekul melepas energi eksitasi tersebut dengan cara radiasi dan non-radiasi. Energi relaksasi non-radiasi yang merupakan tumbukan antar molekul diubah menjadi energi translasi molekul berupa pemanasan medium gas. Bila radiasi laser dimodulasi maka akan terbentuk modulasi panas atau suhu yang menyebabkan modulasi tekanan yang tidak lain merupakan gelombang akustik. Sinyal akustik yang dihasilkan ditangkap dengan mikrofon dan diperkuat oleh lock-in SR 530. Daya laser diukur dengan meter daya OPHIR AN/2. Rangkaian alat yang digunakan ditunjukkan pada Gb. 1.

Gambar 1. Rangkaian Alat Spektrometer Fotoakustik Laser CO2 2.2.2 Penentuan difusi gas SF6 dalam sampel tanah dengan spektrometer fotoakustik laser CO2. Sampel tanah sawah dengan tebal antara 0,8 – 1,3 cm ditempatkan ke dalam kuvet berbentuk silinder dengan diameter 2,4 cm dan tinggi 11 cm yang dilengkapi dengan dua saluran pada penutupnya, yaitu satu untuk udara masuk dan satu lagi untuk saluran gas ke sel FA. Kuvet yang digunakan ditunjukkan pada Gb 2.

10

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

Volume 27, Mei 2010

Udara tekan

ke sel FA

Tanah sawah penyaring gas SF6 Gambar 2. Skema kuvet yang digunakan dalam penelitian Di bagian bawah kuvet diberi penyaring untuk mencegah agar tanah tidak jatuh ke bawah dan memberi ruang agar gas pelacak SF6 dapat mengalir ke bagian atas kuvet yang digunakan. Gas SF6 dengan konsentrasi 200 ppm disuntikkan ke dalam kuvet. Kemudian udara tekan dengan laju aliran 1 liter/jam dialirkan ke dalam kuvet (bagian atas) untuk mendorong gas SF6 yang telah diemisikan dari dalam tanah menuju ke sel FA untuk dideteksi laju keluaran SF6-nya. Gas dari udara tekan dilewatkan katalisator yang terbuat dari pellet (Al2O3 dicampur dengan platina) yang dipanasi pada suhu 350o C untuk memecah gas hidrokarbon menjadi CO2 dan H2O. Sebelum masuk ke sel FA, gas dilewatkan KOH scrubber untuk menangkap CO2 hasil respirasi maupun yang berasal dari udara tekan. Hal ini karena CO2 mempunyai serapan yang berdekatan dengan serapan SF6 pada garis laser 10P16 walaupun sangat lemah. SF6 yang berada dalam sel FA ditembak dengan radiasi laser yang dimodulasi intensitasnya pada frekuensi audio, sehingga menghasilkan sinyal akustik yang diperkuat oleh lock-in amplifier. Sinyal tersebut dikonversi ke nilai konsentrasi. Konsentrasi gas SF6 yang diemisikan dalam tanah dapat diperoleh dari persamaan (1), dengan mensubstitusikan konstanta sel F yang diperoleh dari eksperimen, konstanta mikrofon R’ = 11 mV/Pa dan koefisien serapan α SF6 yang diperoleh dari eksperimen. Transpor gas dalam sampel tanah dapat ditentukan dengan membuat grafik dari persamaan (6) selama terjadinya penurunan konsentrasi SF6, dari gradien grafik tersebut diperoleh nilai koefisien resistansi (R) sampel tanah terhadap difusi SF6. Besarnya koefisien difusi gas SF6 dapat diperoleh dari kaitan D = ∆x/R, dengan ∆x adalah tebal sampel tanah sawah.

3.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil deteksi gas SF6 dalam tanah sawah dengan variasi ketebalan antara 0,8-1,3 cm yang telah dimuati gas SF6 dengan konsentrasi 200 ppm di dalam kuvet, menunjukkan pola emisi gas SF6 naik kemudian menurun secara eksponensial menuju kesetimbangan. Karakteristik transpor gas SF6 dalam tanah sawah ditunjukkan pada Gb. 3.

18

l = 0,8 cm

16

l = 0,9 cm

konsentrasi (ppb )

14

l = 1,1 cm

12

l = 1,3 cm

10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40 50 60 w aktu (m enit)

70

80

90

100

Gambar 3. Karakteristik emisi gas SF6 selama berdifusi dalam tanah sawah dengan beberapa variasi ketebalan

11

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

Volume 27, Mei 2010

Pola kenaikan gas SF6 ini disebabkan karena kuvet yang mula-mula kosong kemudian terisi oleh gas SF6 yang disuntikkan ke dalam kuvet, sedangkan pola penurunan SF6 ini akibat konsentrasi gas SF6 yang berada dalam kuvet terus berkurang karena dialiri udara tekan menuju ke sel FA untuk dideteksi. Dari pola emisi pada gambar 3 tampak bahwa terjadi variasi pola kenaikan SF6 yang terjadi pada 5-10 menit pertama. Untuk tebal tanah 0,8 cm kenaikan konsentrasi terjadi pada menit ke-10 dengan konsentrasi sebesar 16,18 ppb, untuk tebal tanah 0,9 cm kenaikan terjadi pada menit ke-5 dengan konsentrasi 12,77 ppb, untuk tebal tanah 1,1 cm kenaikan terjadi pada menit ke-10 dengan konsentrasi 15,76 ppb dan untuk tebal tanah 1,3 cm kenaikan terjadi pada menit ke-5 dengan konsentrasi 6,81 ppb, kemudian menurun secara eksponensial menuju kesetimbangan dalam waktu yang berbeda-beda pada konsentrasi SF6 yang hampir konstan sebesar 2,55 ppb. Perbedaan pola difusi dan nilai konsentrasi gas SF6 yang diemisikan pada setiap ketebalan tanah tersebut kemungkinan disebabkan karena faktor pemuatan gas SF6 pada saat disuntikkan ke dalam kuvet, dimana sebelum disuntikkan konsentrasi gas SF6 mungkin telah berkurang tidak 200 ppm lagi konsentrasinya sehingga akan berpengaruh pada besarnya konsentrasi gas SF6 yang disuntikkan ke dalam kuvet untuk setiap variasi ketebalan tanah maupun yang diemisikan dalam tanah sawah. Semakin padat molekul dalam bahan maka semakin kecil jarak untuk bergerak, maka semakin sulit difusi dapat terjadi. Hal ini pulalah yang dapat mengakibatkan penundaan transpor/difusi gas SF6 pada tanah sawah untuk ketebalan tanah yang semakin besar, selain adanya serapan yang terjadi dalam tanah. Nilai koefisien difusi gas SF6 yang besar menunjukkan laju difusi yang cepat, karena koefisien difusi gas sebanding dengan laju difusi dan berbanding terbalik dengan luas permukaan bahan. Sedangkan koefisien difusi berbanding terbalik dengan koefisien resistansi. Nilai koefisien resistansi yang tinggi menunjukkan respirasi yang lambat.

0

0,5

-0,5 0

0 -0,5 0

20

40

60

80

-1 -1,5

10

20

30

-1 -1,5 -2

-2

y = -0,0507x + 0,872

l = 0,8

-2,5

-2,5

y = -0,1262x + 0,571

l = 0,9

-3

t (menit)

t (menit)

(a)

(b)

0

0 0

20

40

60

-1

-0,5

0

10

20

30

-1

-2

-1,5 -3 y = -0,0918x + 0,5536 -4

l = 1,1

-2

y = -0,1032x + 0,586 l = 1,3

-2,5 t (m enit)

t (m enit)

(c)

(d)

Gambar 4. Hubungan antara ln EMBED Equation.3 dan t pada beberapa variasi ketebalan tanah (l). (a) tebal tanah 0,8 cm, (b) tebal tanah 0,9 cm, (c) tebal tanah 1,1 cm, (d) tebal tanah 1,3 cm. Penentuan nilai koefisien difusi gas SF6 pada tanah sawah dihitung pada saat terjadinya penurunan konsentrasi gas yang diemisikan. Untuk tebal tanah sawah 0,8 cm penentuan nilai koefisien difusi gas SF6 data diambil pada menit ke-10, untuk tebal tanah sawah 0,9 cm penentuan nilai koefisien difusi gas SF6 data 12

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

Volume 27, Mei 2010

diambil pada menit ke-5, untuk tebal tanah sawah 1,1 cm penentuan nilai koefisien difusi gas SF6 data diambil pada menit ke-10 dan untuk tebal tanah sawah 1,3 cm data penentuan nilai koefisien difusi gas SF6 diambil pada menit ke-5. Berdasarkan analisis pola penurunan konsentrasi gas SF6 yang terjadi dan memasukkan variabel-variabel yang terdapat pada persamaan (6), diperoleh grafik seperti yang ditunjukkan pada gambar 4, untuk menghitung besarnya nilai koefisien difusi gas SF6 selama berdifusi dalam tanah sawah untuk setiap variasi ketebalan tanah sawah mulai dari ketebalan 0,8 cm sampai dengan ketebalan 1,3 cm. Dari gradien grafik yang diperoleh pada Gb. 4, yang merupakan gradien dari grafik persamaan (6) diperoleh nilai koefisien resistansi (R) sampel tanah terhadap difusi SF6 untuk penentuan koefisien difusi SF6 yang dihitung dengan kaitan D = ∆x/R. Nilai koefisien difusi SF6 dalam tanah ditunjukkan pada Tab.1. Tabel 1. Nilai koefisien difusi gas SF6 dalam tanah sawah No 1 2 3 4

Tebal Tanah (cm) 0,8 0,9 1,1 1,3

DSF6 x 10-3 cm2/detik 1,2 ± 0,4 3,3 ± 1,5 2,7 ± 1,1 6,3 ± 2,6

Sebagai perbandingan, dari hasil penelitian Groot (2002) diperoleh koefisien difusi gas SF6 pada tanah sawah sebesar (1,2 ± 0,2)x10-5 cm2/detik[5]. Hal yang menyebabkan perbedaan nilai tersebut adalah pada metode pemuatan gas SF6 yang digunakan. Pada penelitian yang dilakukan Groot, gas SF6 dialirkan secara kontinyu ke dalam kuvet, namun dalam penelitian ini gas SF6 tidak dialirkan secara kontinyu melainkan menyuntikkannya dengan konsentrasi tertentu ke dalam kuvet. Dari hasil penelitian ini dapat dilihat adanya perbedaan yang sangat besar sekali nilai koefisien difusi gas SF6 yang diperoleh dan besarnya toleransi yang hampir setengahnya. Selain faktor pemuatan gas kemungkinan ada faktor penyebab lainnya yaitu faktor perlakuan sampel tanah yang berbeda sehingga akan berpengaruh pada laju difusi gas SF6 dalam tanah. Disamping itu transpor gas SF6 (laju difusi) yang terjadi dalam sampel tanah sawah juga dipengaruhi oleh ukuran kuvet yang dipakai pada saat pemuatan gas SF6. Volume kuvet mempengaruhi besarnya nilai konsentrasi gas SF6 yang diemisikan baik konsentrasi eksternal maupun konsentrasi internal. 4.

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian dan analisa perhitungan diperoleh nilai koefisien difusi (D) gas SF6 pada tanah sawah sebesar (1,2 ± 0,4)x 10-3 cm2/detik untuk tebal tanah 0,8 cm; (3,3 ± 1,5)x 10-3 cm2/detik untuk tebal tanah 0,9 cm; (2,7 ± 1,1)x 10-3 cm2/detik untuk tebal tanah 1,1 cm; dan (6,3 ± 2,6)x 10-3 cm2/detik untuk tebal tanah 1,3 cm. Koefisien difusi merupakan suatu parameter yang menyatakan besarnya gradien konsentrasi pembawa muatan. Berdasarkan penelitian ini dapat disimpulkan bahwa metode spektroskopi fotoakustik laser CO2 dapat digunakan untuk mendeteksi gas-gas dalam orde yang sangat kecil (sub ppb).

UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada Dirut PT. PLN (Persero) Jl. Parangtritis km 5 Yogyakarta yang telah menyediakan gas SF6 sehingga penelitian ini dapat terwujud , Dr. Moh. Ali Joko Wasono dan Mitrayana S.Si, M.Si yang telah memberikan masukan, bimbingan dan mengajarkan penggunaan peralatan spektrometer FA, serta Syamsi Harsono dan Ria Ulfah Rahmawati yang telah membantu dalam pengambilan data.

DAFTAR PUSTAKA [1] Wasono, M.A.J.,dkk, 2002. Penerapan Spektrometer Fotoakustik Laser C02 Semi Sealed-Off Pada Penentuan Koefisien Resistansi Buah Terhadap Difusi C2H4 Menggunakan Gas SF6 Sebagai Pelacak. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir, Yogyakarta, 27 Juni BUKUI.

13

Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH

Volume 27, Mei 2010

[2] Harren, F., 1988, The Photoacoustic Effect, Refined and Applied to Biological Problems, Disertasi Doctor, Chatolic University, Nijmegen, Belanda. [3] Rosencwaig, A., 1980, Photoacoustic and Photoacoustic Spectroscopy, John Willey&Sons, New York. [4] Henningsen. J., Olafsson, A., and Hammerich, M., 1990, Trace Gas Detection with InfraRed Gas Lasers, Physics Laboratory, University of Copenhagen, Denmark. [5] Groot T.T., 2002, Trace Gas Exchange by Rice, Soil and Pears, Ph.D Thesis, University of Nijmegen, The Netherlands pp 47 [6] Banks, N.H., 1985, Estimating Skin Resistance to Gas Diffusion in Apples and Potatoes, Journal of Exp. Botany, Vol. 36, No. 173, hal 1842-1850 [7] Cameron, A. C., and Yang S.F.,1982, A Simple Method for the Determination of Resistance to Gas Diffusion in Plant Organs, Plant Physiology.

14