Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Pergerakkan Partikel Angular di Permukaan Bubble Flotasi. Warjito1, a*, Harinaldi 2, b , Manus Setyantono3, c 1,2,3
Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424 Jawa Barat, Indonesia. a Email :
[email protected] , bEmail :
[email protected] , c Email :
[email protected]
Abstrak Flotasi adalah proses pemisahan partikel berharga dari partikel tidak berharga dalam industri. Pemisahan terjadi karena sifat fisik permukaan partikel yaitu hidrophobik (suka udara) dan hidrophilik (suka air). Bubble udara merupakan aktor utama untuk melakukan penangkapan partikel hidrophobik. Dengan memanfaatkan sifat bouyanci bubble dan massa gravitasi partikel, maka terjadi pemisahan partikel berharga dari pengotornya. Proses ini dinamakan flotasi mineral dimana diameter partikel jauh lebih kecil dari pada diameter bubble. Subproses flotasi dari partikel bergerak ke bawah dan bubble udara bergerak ke atas dipengaruhi oleh kecepatan partikel dan kecepatan bubble yang menghasilkan tumbukan (collision), pelekatan (attachment), bouncing, sliding, rolling dan pelepasan (detachment). Subproses ini menentukan efisiensi flotasi. Tujuan penelitian ini adalah memahami fenomena lintasan partikel, tumbukan (collision), pelekatan (attachment), laju perpindahan sudut pelengketan dan pelepasan (detachment) partikel angular di permukaan bubble. Pada Penelitian ini digunakan bubble berdiameter 0.9 mm yang dihasilkan oleh nozzle berdiameter 0.3 mm. Debit udara diatur oleh programeable syringe pump sebesar 15 ml/h. Diameter partikel angular dalam penelitian adalah 38 μm; 45 μm; 75 μm; 106 μm; 150 μm; 212 μm ; 300 μm dijatuhkan dalam kontainer kaca, berisikan cairan fluida melalui feedtube. Pergerakkan partikel direkam menggunakan high speed camera dengan kecepatan 1000 frame per second. Data yang berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan ImageJ. Hasil penelitian menunjukkan lintasan partikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106, 150µm adalah aliran Stokes (laminar). Hal ini disebabkan adanya hambatan permukaan bubble. Partikel berdiameter besar: 212, 300µm lintasannya dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Kecepatan terminal partikel dipengaruhi oleh ukurannya. Partikel berdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150µm ) mempunyai kecepatan terminal lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan terminal parikel berukuran besar. Hasil visualisasi partikel berukuran kecil ( 38, 45, 75, 106, 150µm ) tidak mengalami bouncing ketika bertumbukan dengan permukaan bubble. Sementara partikel berukuran besar sebagian mengalami bouncing. Kecepatan sliding dipengaruhi oleh posisi partikel pada permukaan bubble. Kecepatan sliding bertambah cepat saat partikel melalui daerah khatulistiwa bubble, dan melambat saat menuju bagian bawah bubble. Kata kunci : bubble, partikel, flotasi, collision , attachment, sliding, detachment
dibagi tiga yaitu tumbukan [collision], pelekatan [attachment], pelepasan [detachment] [1,2,3,4]. Tumbukan adalah pertemuan antara partikel dan bubble yang dikontrol atau diatur oleh aliran cairan hidrodinamika, dan pergerakan relatif partikel dan bubble [3, 6, 7]. Pelekatan adalah proses dimana partikel tetap berada secara permanen atau sementara (temporal) melekat pada
PENDAHULUAN Penangkapan partikel oleh bubble dalam proses flotasi merupakan peristiwa yang sangat penting pada industri pertambangan. Peristiwa ini sering disebut sebagai interaksi bubble-partikel, disini diharapkan terjadi efisiensi pemisahan pada proses flotasi [1,2]. Subproses dari interaksi bubble-partikel KE-64
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
bubble karena gaya permukaan. Saat attachment, gaya permukaan dan hidrodinamika mengontrol intervensi penipisan dan pecahnya lapisan tipis (film) cairan, antara partikel hidrophobik dan bubble. Pelepasan (detachment) terjadi ketika partikel yang melekat selanjutnya melepaskan diri dari bubble karena gaya gravitasi atau gaya hidrodinamik dengan adanya turbulensi. Stabilitas agregat bubble partikel ditentukan oleh keseimbangan antara gaya pelekatan (attachment = capiller) dan gaya pelepasan (detachment = gaya gravitasi) dan gaya geser hidrodinamik [6,8,9].
flotasi, syringpump untuk menghasilkan debit udara, High Speed Camera digunakan untuk merekam interaksi bubble-partikel, microlens untuk memperbesar gambar, kertas filter untuk mendapatkan perataan pencahayaan, coldlight untuk melihat gambar dengan jelas, laptop untuk memonitor interaksi, nozzle penghasil bubble, feedtube yaitu jalan keluar partikel. Sedangkan partikel yang digunakan partikel angular dengan beberapa diameter. Partikel angular dengan kontur permukaan berbeda satu dengan lainnya, dapat dilihat seperti gambar berikut ini.
Tujuan penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memahami pergerakkan partikel mendekati bubble, bertumbukan, sliding, rolling, bouncing, dan pelepasan dari permukaan bubble. Proses perekaman menggunakan high speed camera. METODOLOGI Gambar 2. Partikel angular.
Metodologi penelitian ini dengan eksperimen menggunakan alat penelitian seperti pada gambar 1 dibawah ini.
Gambar 2 menunjukkan hasil SEM partikel diameter 45, 53, 75, 106, 150, 212, 300µm dengan pembesaran 2000 kali. Permukaan partikel terlihat berbeda dan mempunyai kontur yang tidak sama. HASIL Hasil penelitian menunjukkan lintasan partikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106, 150µm adalah aliran Stokes (laminar). Hal ini disebabkan adanya hambatan permukaan bubble. Partikel berdiameter besar: 212, 300µm lintasannya dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Kecepatan terminal partikel dipengaruhi oleh ukurannya. Partikel berdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150µm) mempunyai kecepatan terminal lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan terminal partikel berukuran besar. Hasil visualisasi
Gambar.1. Alat Eksperimen. Alat penelitian terdiri dari beberapa alat terdiri dari kontainer kaca merupakan wadah KE-64
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Gambar 4. lintasan partikel diameter 150µm, 212 µm, 150 µm, 300 µm.
partikel berukuran kecil ( 38, 45, 75, 106, 150µm ) tidak mengalami bouncing ketika bertumbukan dengan permukaan bubble. Sementara partikel berukuran besar sebagian mengalami bouncing. Kecepatan sliding dipengaruhi oleh posisi partikel pada permukaan bubble. Kecepatan sliding bertambah cepat saat partikel melalui daerah khatulistiwa bubble, dan melambat saat menuju bagian bawah bubble.
Gambar 4. diatas menunjukan perbandingan grafik interaksi perpindahan partikel setiap ukuran. Pada grafik tersebut menunjukan bahwa partikel yang berukuran 300 µm tidak mengalami pelekatan. Sedangkan partikel yang berukuran 212 µm, 150 µm, dan 106 µm mengalami pelekatan pada bubble. Selain itu untuk partikel yang berukuran 300 µm waktu tempuhnya lebih singkat akibat perpindahan dari partikel tersebut cukup besar. Sedangkan untuk partikel berukuran 212 µm, 150 µm dan 106 µm berturut – turut menunjukan semakin kecil ukuran partikel maka semakin lama waktu tempuh dan perpindahan di bubble tersebut. Partikel tersebut mengalami pelekatan di bawah bubble sehingga kecepatan atau perpindahan partikel tersebut mencapai nilai 0.
Gambar 3. Grafik time versus laju partikel.
Gambar 3 menunjukkan tiga jenis partikel dengan diameter berbeda, warna merah untuk diameter 75m, warna hijau 45m, warna biru 38m. awalnya partikel bergerak turun mendekati pemukaan partikel, bergerak pelan, selanjutnya dengan cepat bergerak mendekati khatulistiwa selanjutnya perlahan meninggalkan khatulistiwa permukaan bubble. Gambar 5. lintasan partikel pada permukaan bubble diam.
Gambar 5. menunjukkan diameter partikel 106µm bergerak mendekati permukaan bubble, pada awalnya bergerak pelan dan cepat, mendekati permukaan bubble yang mengembang, partikel bergerak perlahan oleh desakan air diatas bubble, partikel kembali bergerak dengan sangat cepat ketika mendekati khatulistiwa bubble, diprediksi KE-64
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
karena besarnya gaya gravitasi mempengaruhi partikel pada sudut mendekati khatulistiwa.
waktu partikel melekat pada permukaan bubble seperti ditunjukkan dengan titik hitam. Beberapa titik hitam dibawah garis permukaan menunjukkan sebagian ujung partikel berada didalam bubble. osilasi partikel seperti pada gambar 7 disebabkan partikel bergerak roling dan sliding menghasilkan mikrodinamika sekitar daerah permukaan bubble-partikel.
Gambar 6. Pergerakkan partikel dipermukaan bubble stagnan.
Gambar 6 menunjukkan visualisasi partikel bergerak mendekati permukaan bubble diam diujung nozzle, pada awalnya partikel bergerak mendekati sampai dengan frame ke 5, dan pada frame ke 6 partikel menumbuk permukaan bubble sehingga mempengaruhi lapisan tipis cairan dan pecah ini menjadikan partikel melekat dan sliding pada permukaan bubble.
Gambar 8. Grafik antara sudut partikel-bubble terhadap jarak permukaan buble- partikel.
Gambar 8 menunjukkan partikel mulai bergerak pada sudut 30 mendekati permukaan bubble dan bertumbukan pada sudut 40. Ujung partikel berada pada permukaan bubble dan sliding sampai dengan sudut 80 selanjutnya ujung partikel masuk kedalam bubble sampai dengan sudut 113 bubble bergerak meninggalkan ujung nozzle. Dari gambar 8 terlihat partikel bergerak turun naik sepanjang permukaan bubble, disebabkan saat meluncur dipermukaan bubble, partikel mengalami osilasi dipengaruhi oleh mikrohidrodinamika disekitar permukaan bubble-partikel.
Gambar 7 Grafik hubungan antara waktu dan jarak antar permukaan bubble-partikel.
Gambar 7 menunjukkan titik putih adalah partikel bergerak mendekati permukaan bubble, selanjutnya dengan pertambahan KE-64
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
dipengaruhi dengan bubble diam dan bubble bergerak. Referensi [1]. Nguyen A.V, Evans G.M., Attachment interaction between air bubbles and particles in froth flotation, Experimental Thermal and Fluid Science 28, (2004), 381–385. [2]. Nguyen A.V, Evans G.M., Nalaskowski J, Miller.J.D, Hydrodynamic interaction between an air bubble and a particle: atomic force microscopy measurements, Experimental Thermal and Fluid Science 28, (2004), 387–394
Gambar 9. Grafik antara waktu dan sudut bubble-partikel.
Gambar 9 menunjukkan dengan pertambahan waktu maka sudut pelengketan bubble-partikel bertambah seperti titik warna hitam, sedangkan titik warna biru adalah sudut bule-partikel saat partikel belum melekat pada permukaan bubble.
[3]. Nguyen A.V., Schulze H.J., Stechemesser H, Zobel G, Contact time during impact of a spherical particle against a plane gas-liquid interface: experiment, Int. J. Miner. Process. 150, (1997) 113-125 [4]. Nguyen A.V., Schulze H.J, Ralston J, Elementary Steps In Particle-bubble attachment, Int.J.Miner. Process, 51, (1997) 183-195
Kesimpulan Hasil penelitian menunjukkan lintasan partikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106, 150µm adalah aliran Stokes (laminar). Hal ini disebabkan adanya hambatan permukaan bubble. Partikel berdiameter besar: 212, 300µm lintasannya dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Kecepatan terminal partikel dipengaruhi oleh ukurannya. Partikel berdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150µm) mempunyai kecepatan terminal lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan terminal partikel berukuran besar. Hasil visualisasi partikel berukuran kecil (38, 45, 75, 106, 150µm) tidak mengalami bouncing ketika bertumbukan dengan permukaan bubble. Sementara partikel berukuran besar sebagian mengalami bouncing. Kecepatan sliding dipengaruhi oleh posisi partikel pada permukaan bubble. Kecepatan sliding bertambah cepat saat partikel melalui daerah khatulistiwa bubble, dan melambat saat menuju bagian bawah bubble. lamanya waktu untuk pelekatan partikel pada permukaan bubble dipengaruhi oleh kontur permukaan dan diameter partikel, selain itu juga
[5]. Nguyen Anh V and Evans G.M, Movement of fine particles on an air bubble surface studied using high-speed video microscopy, Journal of Colloid and Interface Science 273, (2004), 271–277 [6]. Nguyen Anh V and Evans G.M, Movement of fine particles on an air bubble surface studied using high-speed video microscopy, Journal of Colloid and Interface Science 273 (2004), 271–277 [7]. Nguyen Anh V., Hydrodynamics of liquid flows around air bubbles in flotation: a review, Int. J. Miner. Process. 56, (1999) ,165–205 [8]. Nguyen Anh V., Phan Chi M, Evans G.M, Effect of the bubble size on the dynamic adsorption of frothers and collectors in flotation, Int. J. Miner. Process. 79, (2006), 18– 26 KE-64
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
[9]. Nguyen Anh V., Jameson G.J, Sliding of fine particles on the slip surface of rising gas bubbles: Resistance of liquid shear flows, International Journal of Multiphase Flow 31, (2005), 492–513
flotation, Chemical Engineering Science. 1 December 2011, volume 66, issue 23, pages 5910-5921. [18]. Wang G, Gao Y, Mitra S, Li Y, Zhou S, Evans G., Instanteneous bond number for a particle detaching from a bubble, International journal of mineral processing 142 (2015) 22-29.
[10]. Nguyen Anh V., Hydrodynamics of liquid flows around air bubbles in flotation: a review, Int. J. Miner. Process. 56 (1999). 165–205
[19]. Lecrivain G, Petrucci G, Rudolph M, Hampel U, Yamamoto R., Attachment of solid elongated particles on the surface of a stationary gas bubble., International Journaal of multiphase flow 71( 2015 ) 83-93.
[11]. Nguyen Anh V., Ralston J, Schulze Hans J.,. On modelling of bubble–particle attachment probability in flotation, Int. J. Miner. Process. 53, (1998), 225–249 [12]. Nguyen Anh V., Particle–bubble encounter probability with mobile bubble surfaces, Int. J. Miner. Process. 55 (1998) 73– 86
[20]. Verrelli D.I, Bruckard W.J, Koh P.T.L, Philip M.S, Follink B., Particle shape effects in flotation. Part 1 : microscale experimental observations., Minerals Engineering, volume 58, April 2014, pages 80-89.
[13]. Shahbazi B, Rezai B, Koleini S.M.J, Bubble–particle collision and attachment probability on fine particles flotation,
[21]. Brabcova Z, Karapantsios T, Kostoglou M, Basarova P, Matis K., BubbleParticle Collision Interaction In Flotation Systems., Volume 473, 20 May 2015, pp 95103.
Chemical Engineering and Processing 49, (2010), 622–627 [14]. Shahbazi B, Rezai B, Koleini S.M.J, The effect of hydrodynamic parameters on probability of bubble–particle collision and attachment, Minerals Engineering 22 (2009), 57–63
[22]. Firouzi M, Nguyen Anh V, Hashemabadi S H ,., The effect of microhydrodynamics on bubble – particle collision interaction., minerals Engineering, Volume 24, issue 9, August 2011, pages 973986.
[15]. Albijanic B, Amini E, Wightman E, Ozdemir O, Nguyen Anh V.,. Bradshaw Dee J, A relationship between the bubble– particle attachment time and the mineralogy of a copper–sulphide ore, Minerals Engineering 24, (2011), 1335–1339
[23]. Ireland PM, Jameson GJ., Collision of a rising bubble-particle aggregate with a gasliquid interface., volume 130 (2014) pp 1-7.
[16]. Albijanic B, Amini E, Wightman E, Ozdemir O, Nguyen Anh V.,. Bradshaw Dee J, A review of induction and attachment times of wetting thin films between air bubbles and particles and its relevance in the separation of particles by flotation, Advances in Colloid and Interface Science 159, (2010), 1–21. [17]. Verrelli. D.I, Koh P.T.L, Nguyen A.V, Particle-bubble interaction and attachment in KE-64
