UNIVERSITAS INDONESIA ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS SKRIPSI

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS

SKRIPSI

NURROHMAN 0806454872

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN DEPOK JULI 2012

Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS

SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

NURROHMAN 0806454872

FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN DEPOK JULI 2012 i Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS

Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar.

Nama

: Nurrohman

NPM

: 0806454872

Tanda Tangan

:

Tanggal

: Juli 2012

ii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini diajukan oleh

:

Nama

: Nurrohman

NPM

: 0806454872

Program Studi

: Teknik Mesin

Judul Skripsi

: Analisis Karakteristik Small Bubble Pada Larutan Tawas

Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.

DEWAN PENGUJI Pembimbing

: Ir. Warjito, M.Sc., Ph.D

(.................................)

Penguji

: Prof. Dr. Ir. Harinaldi, M.Eng.

(.................................)

Penguji

: Dr. Ir. Engkos A. Kosasih, M.T.

(.................................)

Penguji

: Dr. Ir. Imansyah Ibnu H, M.Eng.

(.................................)

Ditetapkan di : Depok (Universitas Indonesia) Tanggal

: Juli 2012

iii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur saya panjatkan kepada Allah Subhanahu wata’ala karena berkat rahmat dan karunia-Nya, saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dalam penulisan skripsi ini, saya sangat berterima kasih kepada berbagai pihak atas bantuan dan bimbingannya karena sangatlah sulit bagi saya untuk menyelesaikan skripsi ini tanpa bantuan dan bimbingan tersebut. Oleh karena itu saya mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ibuku tercinta Sutinah, ayahku tersayang Dion Hardana, dan saudarasaudaraku di rumah Nurrohim dan Nur’alim serta keluarga yang telah memberikan doa, dana dan dukungannya kepada penulis untuk tetap semangat menyelesaikan skripsi ini 2. Ir. Warjito, M.Sc., Ph.D, atas segala waktu, tenaga dan kesabaran dalam membimbing dan mengarahkan dari awal sampai akhir pembuatan skripsi ini 3. Ir. Hadi Tresno Wibowo, atas DC Power Supply yang telah dipinjamkan untuk penelitian ini serta motivasi yang telah diberikan kepada penulis 4. Dr. Ir. Engkos Kosasih, M.T., atas lensa yang dipinjamkan kepada penulis 5. Dr. Ir. Gandjar Kiswanto, M.Eng., selaku pembimbing akademik yang telah banyak memberikan motivasi 6. Shahreza Muhammad, sebagai rekan yang selalu bersemangat, kreatif dan aktif untuk membantu penulis membeli alat-alat percobaan 7. Indra Pranata A yang telah menjadi rekan diskusi tentang teori serta alat uji 8. Bapak Udiono, yang telah membantu menunjukkan tempat-tempat membeli peralatan percobaan 9. Fajardo Yoshia, yang telah membantu penulis membubut baut untuk 10. Teman – teman Laboratorium Mekanika Fluida dan Laboratorium Pendingin yang banyak memberikan bantuan, saran dan motivasinya dalam mengerjakan skripsi

iv Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

11. Teman – teman Departemen Teknik Mesin 2008 yang telah berkontribusi membantu dan mendukung skripsi ini 12. Serta pihak-pihak yang tidak bisa saya sebutkan satu-persatu

Akhir kata, saya berharap Allah subhanahu wata’ala membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga skripsi ini dapat membawa manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi.

Depok, Juli 2012

Nurrohman

v Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di bawah ini: Nama

: Nurrohman

NPM

: 0806454872

Program Studi : Teknik Mesin Departemen

: Teknik Mesin

Fakultas

: Teknik

Jenis karya

: Skripsi

demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive RoyaltyFree Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul : ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif

ini

Universitas

Indonesia

berhak

menyimpan,

mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.

Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya. Dibuat di

: Depok (Universitas Indonesia)

Pada tanggal : Juli 2012 Yang menyatakan

(Nurrohman)

vi Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

ABSTRAK

Nama : Nurrohman Program Studi : Teknik Mesin Judul : Analisis Karakteristik Small Bubble Pada Larutan Tawas

Limbah batik dapat menaikkan Total Suspended Solid (TSS) air sehingga melebihi baku mutu. Salah satu teknik yang dapat digunakan untuk mengurangi Total Suspended Solid adalah dengan flotasi gelembung. Efektifitas flotasi gelembung tergantung dari tiga hal, yaitu probabilitas tumbukan antara gelembung dengan partikel, proses partikel menempel pada permukaan gelembung dan proses partikel dibawa oleh gelembung. Probabilitas-probabilitas ini sangat dipengaruhi oleh karakteristik gelembung, yaitu diameter, kecepatan naik sepanjang kolom, dan terminal velocity gelembung. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari karakteristik small bubble (gelembung dengan diameter 0,2 mm sampai 1 mm) yang naik dalam kolom cairan. Penelitian tentang small bubble telah dilakukan terhadap gelembung yang bergerak naik dalam kolom setinggi 2 m yang berisi laturan tawas 100 g/L. Gelembung dihasilkan dengan elektrolisis kemudian di-tracing menggunakan kamera yang ditempatkan pada guideways. Video diolah dengan menggunakan software imageJ. Hasil menunjukkan bahwa pada ketinggian 50 cm dari ujung katoda rata-rata gelembung telah mencapai terminal velocity-nya. Pengaruh surfaktan tawas terbukti mampu menurunkan terminal velocity gelembung. Kata kunci: gelembung, limbah batik, flotasi, kecepatan, terminal velocity, tawas

vii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

ABSTRACT

Name Major Title

: Nurrohman : Mechanical Engineering : Analysis of Small Bubble Characteristics In Alum Solution

Waste batik can raise Total Suspended Solid (TSS) that exceed the water quality standard. One technique that can be used to reduce Total Suspended Solid is bubbles flotation. The effectiveness of the bubbles flotation depends on three things, namely the probability of collision between bubbles with particles, the particles stick to the surface of the bubbles and the particles carried by the bubbles. These probabilities are greatly influenced by the characteristics of the bubble, i.e. diameter, rise velocity along the column, and terminal velocity of the bubbles. The purpose of this research was to study the characteristics of small bubbles (bubbles with a diameter of 0,2 mm to 1 mm), which rise in a liquid column. Research have been made to bubbles rise within 2 m high column that contains 100 g/L alum solution. Bubbles were produced by electrolysis and then traced using a camera placed on a guideways. Videos were processed using imageJ software. The results showed that at a height of 50 cm from the cathode tip bubbles in average have reached its terminal velocity. It has been proven that effect of alum surfactant can reduce the bubbles terminal velocity. Key words: bubbles, batik waste, flotation, velocity, terminal velocity, alum

viii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL................................................................................................ i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS .................................................... ii HALAMAN PENGESAHAN................................................................................ iii UCAPAN TERIMA KASIH .................................................................................. iv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS .............................................................. vi ABSTRAK ............................................................................................................ vii ABSTRACT ......................................................................................................... viii DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xii DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv DAFTAR NOTASI ............................................................................................... xv DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xvii BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ............................................................................................... 1 1.2 Pembatasan Masalah ...................................................................................... 2 1.3 Tujuan Penelitian ........................................................................................... 3 1.4 Metode Penelitian........................................................................................... 3 1.5 Sistematika Penulisan .................................................................................... 3 BAB II DASAR TEORI ....................................................................................... 5 2.1 Gelembung ..................................................................................................... 5 2.1.1

Gelembung, Drop, dan Partikel ......................................................... 5

2.1.2

Bentuk-Bentuk Gelembung dan Drop............................................... 6

2.1.3

Gerak Gelembung ............................................................................. 7

ix Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

2.2 Tinjauan Mekanika Fluida ............................................................................. 9 2.2.1

Bilangan-Bilangan Tak Berdimensi .................................................. 9

2.2.2

Tegangan Permukaan Gelembung .................................................. 10

2.2.3

Gelembung dalam Aliran Creep ..................................................... 14

2.2.4

Kecepatan Gelembung dan Terminal Velocity................................ 15

2.2.5

Wall Effect ....................................................................................... 17

2.3 Pengaruh Surfaktan ...................................................................................... 18 2.4 Pembentukan Gelembung Hidrogen dengan Elektrolisis ............................ 19 2.5 Image Processing ......................................................................................... 20 2.6 Flotasi ........................................................................................................... 21 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 25 3.1 Alur Percobaan ............................................................................................. 25 3.2 Spesifikasi Peralatan Percobaan ................................................................... 25 3.2.1

Kolom Flotasi .................................................................................. 26

3.2.2

Mekanisme Video Kamera.............................................................. 26

3.2.3

Kamera ............................................................................................ 27

3.2.4

Lensa ............................................................................................... 28

3.2.5

Peralatan Elektrolisis ....................................................................... 29

3.3 Tahap Eksperimen........................................................................................ 30 3.3.1

Set up Peralatan ............................................................................... 30

3.3.2

Prosedur Pengambilan Data ............................................................ 31

3.4 Pengolahan Data Menggunakan Software ImageJ ....................................... 32 BAB IV PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS ......................................... 39 4.1 Distribusi Gelembung Hasil Elektrolisis...................................................... 39 4.2 Kecepatan Naik dan Diameter Gelembung .................................................. 40 4.2.1

Tegangan 3 Volt .............................................................................. 40

x Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

4.2.2

Tegangan 7,5 Volt ........................................................................... 42

4.3 Terminal Velocity ......................................................................................... 45 4.3.1

Tegangan 3 Volt .............................................................................. 45

4.3.2

Tegangan 7,5 Volt ........................................................................... 47

4.3.3

Perbandingan 3 Volt dan 7,5 Volt ................................................... 48

4.3.4

Pengaruh Surfaktan ......................................................................... 49

4.3.5

Perbandingan Hasil Penelitian dengan Persamaan ......................... 50

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................. 54 5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 54 5.2 Saran............................................................................................................. 54 DAFTAR REFERENSI ...................................................................................... 56

xi Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

1

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Tekanan gelembung gas statik pada suatu cairan.............................. 11 Gambar 2.2 Sebuah potongan imajiner gelembung, mengilustrasikan efek dan tekanan berkaitan dengan tegangan permukaan ............................. 12 Gambar 2.3 Gambar anuli pada setengah bola gelembung yang dipotong imajiner (tampak atas) .................................................................................... 12 Gambar 2.4 Gambar geometri anuli. ..................................................................... 13 Gambar 2.5 Kecepatan W dari sebuah partikel yang dilepaskan dari t = 0 pada fluida diam dan pendekatan ke kecepatan terminal ......................... 16 Gambar 2.6 Gelembung pada cairan bebas surfaktan (kiri) dan gelembung pada cairan dengan surfaktan (kanan) . .................................................... 19 Gambar 2.7 Skema Proses Elektrolisis ................................................................. 20 Gambar 3.1 Flow chart jalannya eksperimen ....................................................... 25 Gambar 3.2 Guideways Kamera Video................................................................. 26 Gambar 3.3 Nikon D5000 ..................................................................................... 27 Gambar 3.4 Lensa Nikorr 60mm f/28D AF .......................................................... 28 Gambar 3.5 DC Power Supply KPS3030DA. ....................................................... 29 Gambar 3.6 Gambar skema peralatan ................................................................... 32 Gambar 3.7 Langkah Membuka Gambar dengan imageJ ..................................... 33 Gambar 3.8 Langkah Menentukan Skala Gambar ................................................ 34 Gambar 3.9 Langkah Mengubah format gambar .................................................. 34 Gambar 3.10 Contoh Gambar dalam format 8-Bit................................................ 35 Gambar 3.11 Langkah Menghaluskan Gambar dan Menajamkan Gambar .......... 35 Gambar 3.12 Gambar langkah men-threshold gambar ......................................... 36 Gambar 3.13 Contoh gambar yang telah di-thrasehold ........................................ 37 Gambar 3.14 Langkah Menghitung Luas.............................................................. 37 Gambar 3.15 Contoh Hasil Perhitungan Luasan ................................................... 38 Gambar 4.1 Perbandingan diameter overall dan ketinggian ................................. 39 Gambar 4.2 Grafik Kecepatan vs Waktu Gelembung Naik pada tegangan 3 Volt .............................................................................................................................. .42

xii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

Gambar 4.3 Gambar Kecepatan vs Waktu Gelembung Naik pada tegangan 7,5 volt ................................................................................................... 44 Gambar 4.4 Grafik Perbandingan terminal velocity dan gelembung tegangan 3 volt .................................................................................................. 46 Gambar 4.5 Grafik Perbandingan terminal velocity dan diameter gelembung tegangan 7,5 volt............................................................................. 48 Gambar 4.6 Perbandingan gelembung yang dihasilkan dengan tegangan 3 volt dan 7,5 volt ............................................................................................. 49 Gambar 4.7 Grafik hasil eksperimen gelembung dalam pure water . .................. 50 Gambar 4.8 Perbandingan CD dengan Re untuk solid sphere . ............................. 51 Gambar 4.9 Perbandingan hasil penelitian dengan beberapa persamaan tegangan 3 volt ................................................................................................... 52 Gambar 4.10 Perbandingan hasil penelitian dengan beberapa persamaan tegangan 7,5 volt ............................................................................................ 53

xiii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

2

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Hubungan Re, Eo, de, dan alur pergerakan gelembung. ......................... 8 Tabel 3.1 Spesifikasi DC Power Supply KPS3030DA. ........................................ 29 Tabel 4.1 Distribusi ukuran gelembung pada berbagai ketinggian ....................... 39 Tabel 4.2 Data Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 3 volt. ................ 40 Tabel 4.3 Tabel Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 7,5 Volt. .......... 42 Tabel 4.4 Nilai yang diambil untuk penentuan terminal velocity tegangan 3 volt.. ............................................................................................................................... 45 Tabel 4.5 Nilai yang diambil untuk penentuan terminal velocity tegangan 7,5 volt ............................................................................................................................... 47 Tabel 4.6 Nilai Re tegangan 3 volt........................................................................ 52 Tabel 4.7 Nilai Re tegangan 7,5 volt..................................................................... 52

xiv Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

3

DAFTAR NOTASI

Nomenclature Re

bilangan Reynolds

v

kecepatan benda (m/s)

g

percepatan gravitasi bumi (m/s2)

D

Diameter benda (m)

Eo

bilangan Eotvos

M

bilangan Morton, jumlah zat (mol)

We

bilangan Weber

pi

tekanan internal gelembung (Pa)

pg

tekanan gas (Pa)

pv

tekanan uap dalam gelembung (Pa)

pL

tekanan cairan di dinding gelembung bagian luar (Pa)

pσ

tekanan tegangan permukaan (Pa)

R

jari-jari gelembung (m)

CD

koefisien drag

UT

teminal velocity (m/s)

r

jari-jari gelembung (m)

Q

jumlah muatan listrik (coulomb)

A

massa atom

F

konstanta Faraday (1 Faraday = 96500 Coulomb)

n

perubahan elektron

Greek letters ߩ

massa jenis (kg/m3)

ߤ

viskositas dinamik fluida (kg/m.s)

σ

tegangan permukaan cairan (kg/s2)

κ

perbandingan kekentalan

λ

perbandingan diameter gelembung dengan diameter pipa

xv Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

Subscript i

internal gelembung

g

gas

v

uap gelembung

L

liquid

xvi Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

4

L1

DAFTAR LAMPIRAN

Contoh Gambar Small Bubble yang Bergerak Naik pada Ketinggian 12,5 cm Tegangan 3 Volt

xvii Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

5

BAB I

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang Air sangat menentukan kehidupan makhluk hidup. Tanpa air bisa dipastikan tidak akan ada kehidupan di bumi ini. Air dipakai manusia untuk memasak, makan, minum, mandi, membersihkan barang-barang, menyiram tanaman dan lain-lain. Air diperlukan oleh tumbuhan hijau untuk proses fotosintesis

sehingga

kelangsungan

dapat

hidupnya.

menghasilkan

Industri

yang

energi

untuk

berkembang

menjamin

dengan

pesat

menyebabkan ketersediaan air bersih berkurang. Pengurangan ini diakibatkan oleh polusi dari limbah-limbah industri. Limbah industri tersebut salah satunya adalah limbah batik. Batik adalah salah satu ciri khas bangsa Indonesia karena berasal dari warisan budaya bangsa. Selain itu, masyarakat dunia telah mengakui bahwa batik adalah berasal dari Indonesia. Hal ini dibuktikan dengan pengesahan oleh UNESCO. Industri batik semakin hari semakin berkembang. Perkembangan ini mengakibatkan limbah dari industri tersebut juga meningkat. Limbah batik menyebabkan peningkatan pada Total Suspended Solid (TSS) pada air sehingga melebihi baku mutu [1]. Diperlukan suatu teknik untuk mengurangi Total Suspended Solid tersebut sehingga tidak melebihi baku mutu. Salah satu teknik yang dapat digunakan adalah dengan flotasi gelembung. Gelembung mikro adalah gelembung dengan ukuran kurang dari 200 µm. Gelembung dengen diameter lebih dari 200 µm tetapi kurang dari 1 mm disebut small bubble. Sedangkan gelembung dengan diameter lebih dari 1 mm disebut large bubble. Flotasi gelembung adalah dengan menghasilkan gelembung dari bawah kolom cairan yang terkontaminasi partikel-partikel limbah. Gelembung kemudian akan naik karena gaya Bouyancy. Gelembung naik dan menumbuk partikel-partikel limbah. Partikel-partikel ini kemudian menempel pada gelembung dan dibawa naik sampai permukaan cairan.

1 Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012

Universitas Indonesia

2

Setelah berada di atas permukaan cairan, partikel-partikel (forth) ini akan mudah untuk dipisahkan dari cairan tersebut. Efektifitas flotasi gelembung tergantung dari tiga hal, yaitu probabilitas tumbukan antara gelembung dengan partikel, proses partikel menempel pada permukaan gelembung dan proses partikel dibawa oleh gelembung [2]. Semakin tinggi nilai probabilitas tersebut, semakin tinggi efektifitas flotasi. Gelembung mikro lebih dipakai karena dapat meningkatkan luas permukaan sehingga probabilitas tumbukan antara partikel dan gelembung dapat ditingkatkan. Selain itu, terminal velocity gelembung mikro lebih rendah daripada small dan large bubble. Terminal velocity yang rendah akan meningkatkan probabilitas

tumbukan dan menempelnya partikel-partikel

pada gelembung. Saat ini, aplikasi gelembung masih terkendala dalam pemahaman terhadap karakteristik dari gelembung itu sendiri. Oleh karena itu, dibutuhkan penelitian yang mengkaji tentang karatertistik dari gelembung yang bergerak naik dalam cairan. Karakteristik itu antara lain adalah diameter gelembung, kecepatan gelembung sepanjang kolom cairan dan terminal velocity dari gelembung. Penelitian ini akan mempelajari karakteristik small bubble dalam cairan yang ditambah surfaktan tawas. Penelitian tentang gelembung dalam cairan yang ditambah surfaktan membuktikan bahwa sifat dan perilaku gelembung akan berubah dengan signifikan pada fluida yang telah terkontaminasi surfaktan. Pengaruh surfaktan biasa dibandingkan dengan terminal velocity dari gelembung. Surfaktan cenderung untuk menghambat gerakan sirkulasi internal gelembung sehingga mengurangi terminal velocity. Sebagaimana dijelaskan sebelumnya dengan terminal velocity yang rendah akan meningkatkan probabilitas tumbukan dan menempelnya partikel-partikel pada gelembung. 1.2 Pembatasan Masalah Penelitian ini mempelajari karakteristik small bubble (200 µm < d < 1 mm) yaitu profil kecepatan, terminal velocity dan diameter di dalam kolom setinggi 2 m berisi air yang dicampur surfaktan tawas sebanyak 100 g/L.



3

Gelembung dihasilkan dengan metode elektrolisis. Elektroda yang digunakan adalah kawat tembaga dengan diameter 0,1 mm untuk katoda dan 0,2 mm untuk anoda. 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mempelajari karakter small bubble yang meliputi diameter, kecepatan sepanjang kolom cairan dan terminal velocity pada kolom cairan berisi surfaktan tawas. 1.4 Metode Penelitian Metode penelitian pada penilitain ini antara lain: 1. Studi Literatur dan Referensi Tahap ini dilakukan dengan mempelajari artikel, jurnal, karya tulis dan internet serta buku-buku yang terkait penelitian. 2. Konsultasi dan Diskusi Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data-data yang berkaitan dengan penelitian dan mendisuksikannya dengan dosen pembimbing dan pihak-pihak yang dapat dijadikan konsultan. 3. Pengumpulan Data Penelitian Pada tahap ini, gambar-gambar hasil eksperimen dikumpulkan untuk dianalisis dengan digital image processing menggunakan software ImageJ. 4. Analisis Hasil Penelitian Menganalisis

hasil

yang

diperoleh

dari

tahap

sebelumnya,

membandingkan dengan literatur dan menarik kesimpulan. 1.5 Sistematika Penulisan Penulisan hasil penelitian ini dibagi dalam beberapa bab yang saling berhubungan. Adapun urutan dalam penulisan laporan ini terlihat pada uraian dibawah ini : BAB 1 : Pada bab ini dijelaskan tentang latar belakang penelitian, tujuan, batasan masalah, dan sistematika penulisan peneletian. BAB 2 : Pada bab ini diuraikan tentang studi literatur yang berkaitan dengan penelitian skripsi ini.



4

BAB 3 : Pada bab ini berisi prosedur penelitian, daftar alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian. BAB 4 : Bab ini berisi data-data hasil penelitian dan analisa dari hasil penelitian tersebut yang dibandingkan dengan hasil dari studi literatur. BAB 5 : Bab ini berisikan kesimpulan akhir berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian ini.



BAB II DASAR TEORI 2.1 Gelembung 2.1.1

Gelembung, Drop, dan Partikel Gelembung, drop dan partikel sangat penting di dalam banyak proses fisik alami dan pada sebagian besar industri dan aktifitas yang berhubungan dengan manusia. Air hujan, polusi udara, flotasi, fermentasi, ekstraksi cair-cair, dan pengeringan spray adalah sebagian kecil fenomena dan operasi dimana partikel memerankan peran utama. Ahli meteorologi dan geofisika mempelajari kelakuan rintik hujan dan batu hujan es, dan dari partikel-partikel padat yang dibawa sungai. Ahli matematika terapan dan fisika terapan telah sejak lama mempertimbangkan aspek fundamental dari interaksi fluida-partikel. Insinyur kimia dan metalurgi mengandalkan gelembung dan drops untuk operasi-operasi seperti destilasi, absorpsi, flotasi, dan pengeringan spray, dan menggunakan partikel solid sebagai katalis atau reaktan kimia. Insinyur mesin telah mempelajari kelakuan droplet dalam hubungan dengan proses pembakaran, dan gelembung dalam permesinan listrik (electromachining) dan pendidihan. Dalam semua fenomena dan proses ini, terdapat pergerakan relatif antara gelembung, drop, atau partikel di satu sisi, dan fluida di sisi lainnya. Dalam banyak kasus, perpindahan masa dan/atau panas juga penting. Partikel adalah suatu benda berdiri sendiri dengan maksimum dimensi antara sekitar 0,5 µm dan 10 cm, terpisah dari medium disekitarnya oleh antarmuka yang dapat dikenali. Material yang membentuk partikel disebut sebagai “fase terdispersi”. Partikel-partikel yang fase terdispersinya tersusun dari benda padat sebagai “partikel padat”. Jika fase terdispersinya dalam keadaan cair, partikel tersebut disebut “drop”. Istilah “droplet” sering digunakan untuk mengacu pada drop yang kecil. Jika fase terdispersinya adalah gas, partikel disebut sebagai gelembung. Drop dan gelembung disebut sebagai “partikel fluida” [3].



6

2.1.2

Bentuk-Bentuk Gelembung dan Drop Partikel simetris dikelompokan ke dalam beberapa kelompok umum. Satu bentuk bisa jadi mempunyai lebih dari satu kelompok, dan hal ini biasanya lebih memudahkan dalam memprediksi sifat aliran, gerak jatuh bebas atau naik dan sebagainya. Berikut adalah bentuk-bentuk gelembung dan drop [3]. 1. Partikel-Partikel Axisymmetric Kelompok ini terdiri dari partikel yang bentuknya dihasilkan oleh rotasi sebuah kurva sekitar sumbu putarnya. Salah satu bentuk yang termasuk kelompok ini adalah spheroidal, yaitu bentuk yang didapatkan dengan memutar sebuah elips pada salah satu sumbunya. Jika dilakukan pada sumbu mayor disebut prolate, sementara jika dilakukan pada sumbu minor disebut oblate. Bentuk asimetrik secara tepat digambarkan oleh “aspek rasio” E, yang didefinisikan sebagai rasio dari panjang proyeksi sumbu putar terhadap diameter normal (tegak lurus terhadap sumbu putar) maksimum. Pada spheroid oblate berarti E < 1 dan prolate berarti E > 1. 2. Partikel Orthotropic Orthotropic adalah bentuk partikel yang memiliki tiga bidang simetri yang saling tegak lurus. Sebuah partikel disebut memiliki bidang simetri jika bentuknya tidak berubah ketika diproyeksikan kesebuah bidang. 3. Partikel-Partikel Isotropik Spheric Terdiri dari bentuk-bentuk yang didapatkan dari pemotongan bidang sebuah ruang. Silinder, piringan, dan bola termasuk kedalam bentuk axysimmetric dan

orthotropic.

Sementara

kerucut

termasuk

kedalam

bentuk

axysimmetric tetapi tidak orthotropic. Bentuk ruang dengan dasar jajar genjang termasuk kedalam isotropik spheric, begitu pula kubus. Sementara itu, khusus partikel fluida (gelembung dan drop), yang bergerak di dalam sebuah fase kontinu dapat dikelompokan ke dalam 3 kategori, yaitu [3]:



7

1. Spherical Pada umumnya, gelembung atau drop digolongkan ke dalam bentuk spherical jika tegangan permukaan dan atau viskositas (kekentalan) lebih penting dibandingkan dengan inersianya. Sebuah gelembung atau drop dapat disebut spherical jika perbedaan anatara sumbu minor dan mayor tidak lebih dari 10%. 2. Ellipsoidal Gelembung dan drop yang masuk ke dalam kategori ini adalah partikel oblate dengan permukaan yang berbentuk cembung. 3. Spherical-cap dan Ellipsoidal-cap Bentuk ini biasanya dimiliki oleh gelembung atau drop berukuran besar. Berbentuk topi, dimana salah satu sisi dari gelembung atau drop tersebut adalah bidang datar. Gelembung atau drop akan cenderung berbentuk spheroidal jika tidak ada gaya luar yang mempengaruhinya [4]. Selain itu, bentuk gelembung dan drop yang bergerak di dalam sebuah media tertutup akan dipengaruhi oleh dinding media tersebut. Pembagian bentuk-bentuk partikel ini bertujuan untuk memudahkan dalam menentukan sifat-sifat aliran serta gerak partikel di dalam fase kontinu. 2.1.3

Gerak Gelembung Pada umumnya, gerakan ke atas dari sebuah gelembung bebas terdiri dari mengayun-ayun (rocking), zig-zag, dan spiral [5]. Olakannya (wake) sangat rumit dan zig-zag adalah gerakan yang paling mendekati struktur vorteks olakan ini. Terlihat jelas bahwa gelembung naik secara rektillinear dan mempengaruhi bidang symmetric vorticity, yang memiliki kemiripan dengan vortex shedding di belakang sebuah bola diam oleh aliran masuk. Membandingkan lintasan dengan shed vortices, satu putaran gerak zig-zag menghasilkan setengah periode vortex shedding. Jadi, periode gerak zigzag sama dengan vortex shedding. Bagaimanapun juga, panjang gelombang dari gerak menurun, yang artinya ada satu interaksi yang kuat antara gerak gelembung dengan vortex shedding dari gelembung.



8

Lintasan gerak gelembung naik secara rektilinear (seperti garis lurus) pada mula dekat nossel. Akan tetapi, selanjutnya akan berbentuk spiral ketika semakin menjauh dari nosel. Lintasan gelembung pada medan yang jauh menunjukkan bahwa periode putar bersinkronisasi dengan vortex shedding tetapi panjang gelombang dari gerakan spiral menurun seiring gelembung bergerak ke atas [6]. Lintasan naik gelembung di dalam air di sepanjang yang dilalui mulai dari nosel sampai ke permukaan air berbeda untuk setiap besar Re dan Eo yang berbeda, yang juga mempengaruhi besarnya diameter gelembung tersebut. Lima tipe pergerakan yang telah diamati pada bilangan Re dan Eo, yaitu [3]:

Tabel 2.1 Hubungan Re, Eo, de, dan alur pergerakan gelembung [3].

de (mm)

Re

Eo

Lintasan

<1,3

<565

>0,8

Rektilinear

1,3-2,0

565-880

0,8-0,5

Spiral

2,0-3,6

880-1350

0,5-0,36

3,6-4,2

1350-1510

0,36-0,28

4,2-17

1510-4700

0,28-0,23

Plane (zig-zag) lalu spiral Plane (zig-zag) Rektilinear

dengan

rocking

Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Ristanto dan Sugeng di Laboratorium Mekanik Fluida telah membahas tentang transisi pergerakan dari lintasan lurus menjadi zig-zag diperoleh bahwa bentuk gelembung yang terjadi pada saat keluar nossel cenderung lurus dan pada saat jauh dari nossel akan berbentuk spiral. Pada bilangan Re yang rendah, lintasan gelembung berbentuk rektilinear. Lintasan gelembung pada penelitian tersebut cenderung berbentuk rektilinear lalu spiral. Hal ini bersesuaian dengan Tabel 2. di atas [7].



9

2.2 Tinjauan Mekanika Fluida 2.2.1

Bilangan-Bilangan Tak Berdimensi Untuk analisis diameter gelembung atau pergerakannya dalam hubungannya dengan beberapa parameter fisik lain maka ada beberapa bilangan tak berdimensi yang sering dipergunakan, yaitu [3]: 1. Bilangan Reynolds Bilangan

Reynolds

adalah

bilangan

yang

menunjukkan

perbandingan antara gaya inersia dengan gaya viskos di dalam fluida. Re =

୴.ఘ.஽

(2.1)

µ

dimana Re, v, ρ, D dan µ adalah bilangan Reynolds (non-dimensional), kecepatan gelembung (m/s), massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), diameter gelembung (m), dan viskositas dinamik fluida tempat gelembung bergerak (kg/m.s). 2. Bilangan Eotvos Bilangan Eotvos adalah bilangan yang menunjukkan perbandingan anata gaya lift dengan tegangan permukaan. Eo =

௚.௱ఘ.஽

(2.2)

ఙ

dimana Eo, g, ∆ρ, D, dan σ adalah bilangan Eotvos (non-dimensional), percepatan gravitasi (m/s2), perbedaan massa jenis fluida dalam gelembung dan fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), diameter gelembung (m) dan tegangan permukaan gelembung (N/m). Surfaktan tidak mempengaruhi terminal velocity pada gelembung dengan bilangan Eotvos tinggi karena gelembung dengan bilangan Eotvos tinggi bergantung pada tegangan permukaan [8]. 3. Bilangan Morton Bilangan

Morton

adalah

bilangan

yang

menunjukkan

perbandingan antara gaya viskos dengan tegangan permukaan. M = g.µ 4.∆ρ/ρ2.σ

(2.3)

dimana M, g, µ, ∆ρ, ρ, dan σ adalah bilangan Morton (nondimensional), percepatan gravitasi (m/s2), viskositas dinamik cairan



10

(kg/m.s), perbedaan massa jenis fluida dalam gelembung dan fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), dan tegangan permukaan gelembung (N/s). 4. Bilangan Weber Bilangan Weber adalah bilangan yang berguna untuk menganalisis aliran-aliran fluida dimana ada pertemuan antara dua fluida yang berbeda. Bilangan Weber menyatakan indeks dari gaya-gaya dalam yang terjadi pada gaya yang bekerja pada tegangan permukaan pada elemen

fluida.

Aplikasi

dari

bilangan

Weber

adalah

untuk

menganalisis aliran fluida yang tipis, tetes (droplet), dan gelembung. Bilangan Weber dapat dirumuskan sebagai berikut: We = ρ.v2.D/σ

(2.4)

dimana We, ρ, v, D dan σ adalah bilangan Weber (non-dimensional), massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), kecepatan gelembung (m/s), diameter gelembung (m) dan tegangan permukaan gelembung (N/m). 2.2.2

Tegangan Permukaan Gelembung Tinjau sebuah gelembung dangan jari-jari R yang terlihat seperti pada gambar 2.1. Di dalam gelembung terdapat tekanan internal (pi) sebagai hasil penjumlahan dari tekanan gas (pg) dan tekanan uap air (pv) di dalam gelembung, sehingga pi = pg + pv

(2.5)

Tekanan yang ada di dalam sebuah gelembung pada keadaan diam lebih besar daripada tekanan di cairan sesaat di luar gelembung sebagai hasil dari gaya tegangan permukaan. Jika tekanan pada cairan di luar gelembung, di dinding gelembung, adalah pL, maka tekanan dalam gelembung adalah pi = p L + p σ

(2.6)



11

Cairan pi = pg + pv

pL, tekanan cairan pada dinding

tekanan gas dan uap di dalam gelembung (arah ke luar)

po, tekanan hidrostatik pada badan cairan Gambar 2.1 Tekanan gelembung gas statik pada suatu cairan [9].

Jika sebuah potongan imajiner dibuat dimana potongan tersebut membelah gelembung menjadi dua buah bagian yang sama besar, tekanan berlebih pσ akan cenderung mendorong kedua bagian gelembung menjauhi satu sama lain. Gaya yang menyeimbangkan tekanan berlebihan tersebut dan dengan demikian menjaga agar gelembung statik tetap utuh adalah tegangan permukaan. Energi yang berkaitan dengan permukaan di dalam suatu cairan diberikan oleh hasil dari tegangan permukaan dengan area permukaan. Tegangan permukaan σ secara numerik sama dengan gaya per satuan panjang yang bekerja secara tegak lurus pada satu sisi dari sebuah garis lurus di dalam suatu permukaan cairan. Gaya pada potongan imajiner itu adalah 2πRσ. Gaya yang diseimbangkan gaya ini adalah πR2pσ, yaitu tekanan berlebih dikali dengan luas efektif dari area yang terlihat dari arah dorongan, (Gambar 2.2).



12

Tekanan berlebih pσ mendorong bagian

dua

gelembung

Area yang “terlihat” oleh pressure = πR2

menjauh

2

πR2pσ

πR pσ 2πRσ Gambar 2.2 Sebuah potongan imajiner gelembung, mengilustrasikan efek dan tekanan berkaitan dengan tegangan permukaan [9].

Gaya pada potongan imajiner di atas adalah 2πRσ, sedangkan gaya yang diseimbangkan gaya ini adalah πR2pσ, sehingga menghasilkan pσ = 2σ/R

(2.7)

Hal ini dapat dibuktikan lebih jauh dengan mengintegrasikan gaya pada anuli seperti yang terlihat pada gambar 2.3.

Anuli

Gambar 2.3 Gambar anuli pada setengah bola gelembung yang dipotong imajiner (tampak atas). Sumbu x ke arah pembaca

Untuk menurunkan persamaan akan digunakan Gambar 2.4.



13

pσ θ pσcosθ R x

F

θ

dθ

Gambar 2.4 Gambar geometri anuli [9].

Keliling dari anuli sesuai gambar 2.4 adalah 2πRsinθ. Hanya komponen gaya (F) pada sumbu x yang nilainya tidak nol, sehingga gaya pada anuli tersebut adalah dFx = (2πRsinθ)( pσcosθ)(Rdθ)

(2.8)

Dengan mengintegrasikan persamaan (2.8) dari θ = 0 sampai θ = π/2, akan memberikan gaya bersih sebesar πR2pσ. Dengan menyamakan ini dengan persamaan gaya tegangan permukaan, akan didapat pσ = 2σ/R [9]. Jika permukaan sebuah gelembung gas di dalam suatu cairan tidak uniform (contohnya gelembung non-spherical), terdapat tekanan tegangan permukaan lokal yang berkaitan dengan setiap bagian dari permukaan. Dengan mengabaikan gaya yang lain (seperti gravitasi/Bouyancy, adhesi pada dinding dan sebagainya), ketidakseimbangan dari tekanan-tekanan ini akan cenderung mengembalikan gelembung pada bentuk spherical. Kelebihan inersia dari cairan akan menyebabkan osilasi dari bentuk gelembung di sekitar ekulibrium spherical. Jika gelembung spherical, jarijari kelengkungan akan sama di semua titik pada dinding gelembung dan di setiap titik pada dinding adalah sama dipandang dari semua arah gelembung tersebut diukur [9].



14

Pada dasarnya molekul-molekul dalam zat cair mempunyai gerakangerakan konstan, mereka saling tarik-menarik dengan gaya yang sama dalam semua arah. Namun pada permukaan antara cairan dan udara atau lapisan dari dua fluida yang berbeda, gaya tarik-menarik tersebut akan tidak seimbang. Gaya tarik-menarik tersebut mempunyai arah ke atas dan ke bawah. Misalkan antara cairan dan udara, dimana molekul-molekul cairan akan menciptakan gaya tarikan yang lebih kuat ke bawah. Akibatnya permukaan cairan bersifat seperti membran elastis saat mengalami tegangan. Tegangan permukaan bekerja pada bidang permukaan, normal atau tegak lurus pada setiap garis yang bekerja pada permukaan dan sama besarnya pada setiap titik. Tegangan permukaan akan turun pada temperatur tertentu pada permukaan dua buah zat dan akan turun apabila terjadi kenaikan temperatur. Efek

dari

adanya

suatu

cairan

bebas

adalah

memperkecil

permukaannya untuk membentuk suatu bentuk minimum. Oleh karena pembesaran suatu luas permukaan, mengakibatkan tersebarnya molekulmolekul pada permukaannya. Sehingga gaya-gaya (tarik) yang timbul menjadi banyak yang mengarah ke dalam. Oleh karena itu, suatu cairan bebas yang dijatuhkan akan cenderung membentuk suatu bola agar dapat meminimumkan luas permukaannya [10]. 2.2.3

Gelembung dalam Aliran Creep Aliran creep termasuk ke dalam intertialess flow, yaitu aliran yang menekankan viskositas (kekentalan) sebagai faktor terpenting dalam analisisnya [11]. Aliran creep adalah aliran dengan nilai bilangan Reynolds (Re) yang rendah. Bilangan Reynolds didefinisikan sebagai perbandingan antara inertial force dan viscous force, Re = ρ.v.d/µ. Nilai bilangan Reynolds rendah, didapat jika pembilang (ρ, v, d) bernilai kecil atau jika penyebut (µ) bernilai besar, yaitu: •

Nilai massa jenis (ρ) yang kecil,



15

•

Nialai panjang karakteristik (d) yang kecil,

•

Nilai kecepatan (v) yang kecil, atau

•

Nilai viskositas (µ) yang kecil Besarnya nilai bilangan Reynolds untuk aliran creep terentang antara

0,1 < Re < 1. Aliran creep dan aplikasinya ditemukan di dalam bidangbidang seperti pada pelumasan, injection molding, dan aliran melalui media berpori. 2.2.4

Kecepatan Gelembung dan Terminal Velocity Kecepatan gelembung pertama-tama akan mengalami percepatan setelah keluar dari permukaan kawat. Pada suatu saat akan mengalami terminal velocity, yaitu kecepatan konstan dimana pengaruh gaya berat (gravitasi) dan gaya drag akan seimbang dengan gaya apung (bouyancy). Hal tersebut ditunjukkan dengan rumus: (ρwater – ρair). V.g = CD.A.ρwater.v2/2

(2.9)

dimana V, g, CD, A dan v adalah volume gelembung (m3), percepatan gravitasi (m/s2), koefisien drag, luas penampang gelembung (bukan luas permukaan gelembung, m2), dan terminal velocity (m/s). Grafik kecepatan partikel, termasuk gelembung, terhadap waktu ditunjukkan pada Gambar 2.5. Terlihat pada grafik bahwa di awal partikel mengalami gaya apung yang lebih besar dibandingkan gaya gravitasinya sehingga kecepatan partikel menjadi besar. Namun kemudian partikel akan mengalami kecepatan terminal dimana kecepatan menjadi konstan akibat pengaruh gaya apung serta gaya gravitasi dan gaya drag menjadi seimbang.



16

Gambar 2.5 Kecepatan W dari sebuah partikel yang dilepaskan dari t = 0 pada fluida diam dan pendekatan ke kecepatan terminal [12]

Besarnya nilai terminal velocity merupakan keseimbangan antara bouyant force dan drag force. Hadamard-Rybczynski merumuskan terminal velocity di dalam aliran creep sebagai berikut [3]:

2 g.r 2 .∆ρ  1 + κ  UT = 3 µ  2 + 3κ 

(2.10)

dimana: UT = terminal velocity (m/s) R = jari-jari gelembung (m) ∆ρ = selisih massa jenis anatara gelembung dan fase kontinyunya (kg/m3) κ = perbandingan kekentalan (µ p/µ) g = percepatan gravitasi (m/s2) µ = viskositas dinamik fluida tempat gelembung bergerak (kg/m.s)



17

Persamaan Hadamard-Rybczynski berlaku untuk gelembung dengan ukuran kecil dengan permukaan bergerak (mobile surface). Dengan penambahan surfaktan, permukaan gelembung tidak bergerak (immobile surface). Untuk gelembung yang sangat kecil (mikro) dengan immobile surface, berlaku persamaan Stokes, yaitu [13]:

(2.11) dimana u∞, g, de, ρl, ρg, dan µ l adalah terminal velocity (m/s), percepatan gravitasi (m/s2), diameter ekuivalen gelembung (m), massa jenis cairan tempat gelembung bergerak (kg/m3), massa jenis gas dalam gelembung (kg/m3), dan viskositas dinamik cairan tempat gelembung bergerak (kg/m.s). Persamaan

(2.11) berlaku untuk gelembung dengan ukuran

kecil, sedangkan untuk gelembung dengan ukuran besar Davies-Taylor mendefinisikan terminal velocity sebagai [13]:

(2.12) dimana u∞, g, dan de adalah terminal velocity (m/s), percepatan gravitasi (m/s2), dan diameter ekuivalen gelembung (m). 2.2.5

Wall Effect Wall effect atau pengaruh dinding pembatas terhadap gelembung atau drop berbeda-beda sesuai nilai perbandingan antara diameter gelembung dan diameter pembatas (λ = d/D). Clift membagi analisis ini ke dalam dua bagian, yaitu [3]: 1. λ ≤ 0,6 Pada gelembung atau drop yang termasuk kategori ini, pengaruh dinding pembatas terhadap gelembung sangat kecil. Analisis terhadap jenis ini menyerupai gelembung atau drop yang bergerak di media tak terbatas (infinite medium). 2. λ > 0,6



18

Sementara gelembung atau drop yang termasuk kategori ini, dinding pembatas memiliki pengaruh yang dominan terhadap bentuk dan kecepatan gelembung atau drop. 2.3 Pengaruh Surfaktan Sifat dan perilaku gelembung akan berubah dengan signifikan pada fluida yang telah terkontaminasi surfaktan. Pengaruh surfaktan biasa dibandingkan dengan kecepatan terminal dari gelembung. Berdasarkan penelitian berbagai pihak, dapat disimpulkan bahwa terdapat pengaruh yang besar dari kemurnian suatu fluida terhadap drag dan kecepatan terminal partikel fluida elipsoidal. Edge dan Grant telah melakukan penelitian mengenai surfaktan berkonsentrasi rendah terhadap gerakan gelembung di dalam air. Pada konsentrai surfaktan sangat rendah (<10-5 mg/L) pengaruh yang terjadi dapat diabaikan. Ketika konsentrasi surfaktan bertambah, terjadi penurunan kecepatan terminal untuk gelembung berdiameter 2 mm sampai 6 mm. Pada konsentrasi surfaktan tinggi (>10-2 mg/L), sistem disebut “grossly contamined” yang berakibat kecepatan terminal menjadi semakin berkurang. Gelembung mengalami keadaan dimana tidak terpengaruh surfaktan pada saat pertama kali diinjeksikan ke dalam air, namun seiring bertambahnya waktu kecepatan terminal dan sirkulasi internal gelembung akan semakin berkurang karena molekul-molekul surfaktan berkumpul di sepanjang permukaan (interface). Perubahan ini terkait dengan sifat-sifat fluida dan tingkat kontaminasi itu sendiri. Sementara itu, surfaktan merupakan zat aktif pada permukaan suatu molekul yang mempunyai bagian hidrofobik dan hidrofilik. Hidrofobik merupakan bagian yang cenderung begabung dengan udara, sedangkan hidrofilik merupakan bagian yang bergambung dengan air. Surfaktan hanya ditemui di lapisan batas antar fulida. Jenis surfaktan yang telah dikenal umum adalah garam dan juga asam lemak. Hal terpenting dari surfaktan adalah pengaruhnya dalam mengubah tegangan permukaan, yang juga mengubah hidrodinamika dari permukaan. Selain itu, surfaktan juga dapat menambah umur dari gelembung di permukaan sehingga gelembung dapat bertahan lama di permukaan fluida sebelum pecah karena tekanan hidrodinamika. Pergerakan gelembung sangat dipengaruhi oleh kehadiran surfaktan. Pada fluida yang



19

tidak terdapat surfaktan maka pergerakan gelembung berlangsung dengan cepat karena seluruh permukaan gelembung bersifat dinamis. Namun, situasi berbeda pada fluida yang mengandung surfaktan. Molekul surfaktan berdifusi ke dalam gelembung dimana terjadi pengakumulasian pada permukaan yang kemudian terdorong ke bagian downstream oleh aliran fluida [14]. Berdasarkan pengertian di atas maka dapat disimpukan: 1) Surfaktan cenderung untuk menghambat gerakan sirkulasi internal gelembung 2) Pengaruh surfaktan terhadap kecepatan terminal paling besar terjadi pada kondisi dimana terjadi transisi dari gerakan lurus (rektalinier) menjadi gerakan osilasi (spiral atau zigzag) 3) Surfaktan sangat mempengaruhi tegangan permukaan gelembung

Gambar 2.6 Gelembung pada cairan bebas surfaktan (kiri) dan gelembung pada cairan dengan surfaktan (kanan) [14].

2.4 Pembentukan Gelembung Hidrogen dengan Elektrolisis Hidrogen dapat dihasilkan dengan memisahkan hidrogen dan oksigen dari molekul air dengan cara metode elektrolisis. Dengan memanfaatkan energi listrik tersebut dapat digunakan untuk memisahkan hidrogen dari molekul air. Sejumlah arus listrik diberikan ke sel elektrolik untuk memisahkan hidrogen dari molekul air. Jadi, elektrolisis adalah peristiwa berlangsungnya reaksi



20

kimia oleh arus listrik. Alat elektrolisis terdiri atas sel elektrolitik yang berisi elektrolit (larutan atau leburan), dan dua elektroda (anoda dan katoda). Pada anoda terjadi reasi oksidasi sedangkan pada katoda terjadi reaksi reduksi. Pada suatu percobaan elektrolisis, reaksi yang terjadi pada katoda bergantung pada kecenderungan terjadinya reaksi reduksi. Skema dari proses elektrolisis dijelaskan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.7 Skema Proses Elektrolisis [15].

2.5 Image Processing Pengolahan gambar (image processing) adalah suatu metode untuk mengamati dan menganalisa sebuah gambar serta mendapatkan informasi dari gambar tersebut. Dalam sebuah gambar, tersimpan informasi dari keadaan aslinya walaupun gambar tidak menunjukkan secara langsung keadaan asli. Terdapat beberapa teknik dalam melakukan pengolaham gambar [16]: 1. Teknik ptikal, hal ini diaplikasikan pada kacamata 2. Teknik elektronik, yang juga terbagi dua menjadi analog (aplikasi pada televisi) dan digital (aplikasi pada komputer)



21

Sementara itu teknik untuk menganalisa gambar terbagi kedalam dua kategori [17]: 1. Subjektif (kualitatif), adalah teknik pendekatan interaktif yang menggunakan metode trial and error. Keberhasilan teknik ini ditentukan oleh ketepatan penggunaan suatu model matematika. 2. Kuantitatif,

adalah

teknik

pendekatan

non-interaktif

yang

menggunakan model-model persamaan matematika. Keberhasilan teknik ini ditentukan oleh ketepatan penggunaan suatu model matematika. Studi mengenai fluida atau gelembung khususnya banyak memanfaatkan teknik image processing untuk mendapatkan informasi dari studi tersebut. Karena semua hal yang terjadi atau yang muncul di dalam penelitian sangat penting, maka semua hal tersebut harus dapat ditangkap dan disimpan untuk kemudian diolah. Dengan image processing dapat dilakukan pengukuran area atau panjang, lintasan, maupun kecepatan. Walaupun pengolahan data dilakukan pada waktu yang akan datang, namun hal-hal yang terjadi dapat dilihat kembali dengan bantuan image processing. 2.6 Flotasi Flotasi adalah sebuah proses pemisahan efisien yang digunakan dalam penyulingan petrokimia, produksi bubur kertas dan kertas, pemrosesan makanan, water treatment, pemurnian logam cair, dan sebagainya. Dalam banyak situasi, proses pemisahan ini dilakukan dengan menghasilkan sekawanan gelembung udara kecil secara mekanik menggunakan mixer atau sparger atau secara elektolitis, di dalam sebuah tangki atau kolom cairan yang mengandung partikel yang akan dikeluarkan. Gelembung menempel pada partikel-partikel hidrofobik dan membawa partikel-partikel tersebut ke permukaan cairan, dimana partikel-partikel tersebut dikeluarkan dengan menggunakan peralatan skimming. Terdapat dua klasifikasi flotasi berdasarkan ukuran gelembung. Dalam flotasi gelembung mikro, gelembung yang dipakai biasanya berdiameter 10-70 mm. Gelembung tersebut sering kali dihasilkan dengan dengan depresurisasi dari cairan udara terlarut (dissolved air liquid).



22

Proses ini dinamakan dissolved air flotation (DAF). Dalam flotasi udara terdispersi, gelembung yang digunakan adalah 1 mm. Kunci utama proses flotasi adalah pada penangkapan gelembung-partikel yang secara umum dikenal sebagai sebuah rangkaian dari tiga subproses (Jameson et al., 1977; Schulze, 1989; Ralston et al., 1999). Total efisiensi penangkapan biasanya dikenal sebagai produk dari tiga langkah suksesif, Ecap = Ecoll . Eatt . Estab, dimana Ecoll adalah efisiensi tumbukan, Eatt adalah efisiensi penempelan, Estab adalah efisiensi stabilitas dari agregat gelembung-partikel. Efisiensi penangkapan secara keseluruhan dapat ditentukan dengan dua tipe eskperimen: metode langsung dan metode tidak langsung. Pengamatan langsung dilakukan dengan merekam lintasan partikel ketika partikel tersebut melewati gelembung captive (Schulze, 1977; Nguyen and Kmet, 1992; Nguyen and Evans, 2004). Titik pelepasan partikel secara bertahap bergeser ke sumbu axisimetrik aliran hidrodinamik melewati gelembung sehingga partikel mulai bertumbukan dengan gelembung dan menempel pada permukaannya. Jarak antara titik pelepasan terdekat dan sumbu aksisimetrik disebut radius kritis rc. Selanjutnya efisiensi penangkapan dapat dihitung sebagai kuadrat dari rasio radius, Ecapt = ¼(rc/rb)2. Pengukuran langsung membantu menentukan seluruh proses penangkapan, misalkan rebounding, (Whelan and Brown, 1955), sliding time (Schulze, 1977), atau bahkan pecahnya lapisan tipis cairan (Nguyen and Evans, 2004). Akan tetapi metode ini terbatasi oleh lemahnya aliran cairan untuk menghindari osilasi gelembung. Selain itu, karena gelembung dihasilkan di bagian bawah, pergerakan cairan dekat permukaan gelembung berubah. Kita dapat membayangkan bahwa adalah cukup sulit untuk menentukan jika lintasan partikel tetap dalam bidang simetrik dari gelembung, dan sebagai konsekwensinya rc tidak dapat dengan mudah diukur. Metode tidak langsung memungkinkan kita menentukan efisiensi pengumpulan seluruh proses penangkapan. Dengan cara ini, parameterparameter fisik-kimia dan hidrodinamik (seperti hidrofobisitas, distribusi alami dan ukuran dari partikel, gas dan kecepatan aliran cairan, dan sebagainya) dapat didefinisikan dan dikendalikan, untuk mengidentifikasi



23

pengaruh masing-masing parameter yang berbeda. Inilah mengapa eksperimen gelembung single secara luas dipakai (Reay and Ratcliff, 1973; Dai et al., 1998; Hu et al., 2003; Sarrot et al., 2007 ). Gelembung udara diinjeksikan satu per satu ke dalam kolom flotasi dan gelembung tersebut naik melewati suspensi yang diam. Sehingga daerah aliran lokal sekitar gelembung tidak terganggu dan lebih dekat kepada situasi nyata dalam mesin-mesin flotasi dimana gelembung naik secara bebas dalam cairan. Efisiensi pengangkapan didefinisikan sebagai rasio jumlah partikel tertangkap dengan jumlah partikel yang pada awalnya dikondisikan dalam volume dimana gelembung sweep off. Dengan menggunakan partikel-partikel dengan hidrofobisitas tinggi, efisiensi penempelan mendekati satu. Selain itu, karena tidak ada agitasi cairan, pada partikel dengan hidrofobisitas tinggi dan pada konsentrasi elektrolit tinggi, dimana gaya hidrofobik secara kuat menarik dan gaya elektrostatik secar besar berkurang karena mekanisme kompresi lapisan ganda, stabilitas agregat gelembung-partikel dikendalikan hanya dengan termodinamika; efisiensi stabilitas mencapai nilai maksimum untuk partikel yang lebih kecil (Anfruns and Kitchener, 1977; Hewitt et al., 1994; Dai et al., 1998; Ralston et al., 2002). Akan tetapi, di antara beberapa ekperimen gelembung single, gelembung udara dengan permukaan tidak bergerak biasanya dipertimbangkan, karena jejak zat-zat surfaktif (frother atau collector) selalu ada dan secara efektif menghentikan gerakan permukaan gelembung. Dai et al. (1998) telah menggunakan air Milli-Q (konduktifitas kurang dari 0,5 µS cm-1) untuk memastikan bahwa eksperimen terbebas dari impuriti, untuk membandingkan hasil eksperimen dengan model tumbukan untuk gelembung dengan permukaan bergerak. Namun, di dalam eksperimen, gelembung udara dihasilkan secara langsung dalam suspensi partikel, sehingga gelembung bisa jadi terkontaminasi pada tahap penggelembungan. Hal ini menuntun kita bahwa kecepatan naik yang terukur mungkin tidak sama dengan gelembung yang bersih. Pada kenyatannya, kontaminasi permukaan gelembung-cairan oleh surfaktan atau oleh partikel tertangkap itu sendiri memerankan peranan utama dalam efisiensi penangkapan berkaitan dengan imobilisasi permukaan



24

yang merubah daerah aliran sekitar gelembung, dari gelembung yang bersih sampai gelembung yang terkontaminasi secara keseluruhan (bergerak seperti partikel solid). Penelitian pada gelembung dengan permukaan bergerak dijalankan dengan observasi yang kontaminasi permukaan pada permukaan gelembung naik adalah sebuah proses dinamis. Kontaminan permukaan tersapu ke bagian belakang permukaan gelembung oleh air yang berdekatan, dan, sebagai hasilnya, bagian depan permukaan gelembung tetap bergerak, sementara permukaan tidak bergerak terbentuk pada bagian belakang. Sarrot et al. (2005) dan Legendre et al. (2009) telah menginvestigasi efisensi tumbukan untuk permukaan seperti itu dengan menggunakan direct numerical simulation (DNS) pada daerah aliran sekitar gelembung. Di dalamnya menunjukkan bahwa terjadinya tumbukan diberika oleh flux partikel yang berdekatan dengan permukaan yang dikendalikan oleh kecepatan tangensial untuk permukaan bergerak dan oleh gradien kecepatan untuk permukaan tidak bergerak.

Dalam

penelitian

ini,

semua

interaksi

gelembung-partikel

diinvestigasi dalam sel flotasi gelembung single menggunakan sensor gambar dengan kecepatan tinggi CMOS dengan usaha untuk mengukur ukuran gelembung dan kecepatan [13].



BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Alur Percobaan Pada penelitian ini, jalannya eksperimen dapat dijabarkan melalui Gambar 3.1. Mulai

Studi Pustaka

Set up peralatan elektrolisis, kamera, surfaktan dan kolom flotasi

Eksperimen flotasi gelembung dengan elektrolisis

Gelembung dihasilkan

Tidak

Ya -Diameter -Profil Kecepatan -Terminal velocity

Pengambilan gambar dengan kamera video

Pengolahan data dan analisis hasil eksperimen

Selesai

Gambar 3.1 Flow chart jalannya eksperimen

3.2 Spesifikasi Peralatan Percobaan



26

3.2.1

Kolom Flotasi Pada penelitian ini digunakan kolom flotasi dari pipa akrilik dengan diameter dalam 8,4 cm, tebal 0,6 cm dan panjang 200 cm. Pipa akrilik ini diletakkan di dalam water jacket berbentuk segi empat dengan ukuran 26,3 x 26,3 x 200 cm. Water jacket digunakan untuk mencegah distorsi optik yang disebabkan oleh permukaan lengkung pipa. Diameter pipa cukup besar untuk mencegah efek dinding (wall effect) terhadap gelembung. Sedangkan surfaktan yang digunakan adalah aluminium sulfat atau lebih dikenal dengan nama tawas dengan kadar 100 gram tiap satu liter air.

3.2.2

Mekanisme Video Kamera Alat yang digunakan sebagai guideways kamera video ditunjukkan Gambar 3.2.

Gambar 3.2 Guideways Kamera Video



27

Kamera video ditempatkan pada kotak kamera yang pada Gambar 3.2 terlihat di tengah. Kotak kamera diangkat menggunakan sistem puli-tali secara manual. Satuan yang tertera dalam gambar di atas adalah dalam millimeter. 3.2.3

Kamera Kamera yang digunakan adalah NIKON D5000 dengan spesifikasi [18]: o Sensor : format DX dengan crop factor 1,5 x, memakai sensor CMOS resolusi 12 MP Maka itu kinerja ISO plus Lo-1 dan Hi-1 o Engine : memakai Expeed engine 12 bit ADC plus active D-lighting dan koreksi otomatis untuk lateral chromatic aberrations o Shutter : memakai shutter unit yang teruji hingga 100.000 kali Hanya saja D90 mampu menjepret hingga 4,5 fps, sementara D5000 mampu menjepret 4 fps o Modul AF : Multi CAM-1000 dengan 11 titik AF. Terdapat mode 3D AF tracking untuk objek foto yang selalu bergerak. Tersedia juga contrast detect AF bila memakai live view. o D-movie : merekam video HD beresolusi 1280 x 720 piksel hingga maksimum 5 menit dengan frame rate 24 fps, AVI/M-JPEG, audio mono. D5000 ini tidak bisa auto fokus saat merekam video o Layar Vari-angle LCD : LCD berukuran 2,7 inci yang bisa dilipat dan diputar.

Gambar 3.3 Nikon D5000



28

3.2.4

Lensa Lensa yang digukan adalah Nikorr 60mm f/2.8D AF dengan spesifikasi [19]:

o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o

Mount Type: Nikon F-Bayonet Focal Length: 60mm Maximum Aperture: f/2.8 Minimum Aperture: f/32 Format: FX/35mm Maximum Angle of View (DX-format): 26°30' Maximum Angle of View (FX-format): 39°40' Maximum Reproduction Ratio: 1,0x Lens Elements: 8 Lens Groups: 7 Compatible Format(s:) FX, DX, FX in DX Crop Mode, 35mm Film Diaphragm Blades: 7 Distance Information: Yes Autofocus: Yes Minimum Focus Distance: 0,22m Close Range Correction: Yes Focus Mode: Auto and Manual Filter Size: 62mm Accepts Filter Type: Screw-on Dimensions: (Approx.) 70x74,5mm (Diameter x Length)

o

Weight: (Approx.) 440g

Gambar 3.4 Lensa Nikorr 60mm f/28D AF



29

3.2.5

Peralatan Elektrolisis Kawat tembaga berdiameter 0,1 mm digunakan sebagai katoda untuk menghasilkan gelembung hidrogen. Sedangkan anoda yang digunakan adalah kawat yang sama dengan diameter 0,2 mm. Untuk menghasilkan tegangan digunakan DC Power Supply KPS3030DA dari ATTEN Instrument dengan spesifikasi [20]: Tabel 3.1 Spesifikasi DC Power Supply KPS3030DA.

Rated Output Power Charging Time Display Precision (Voltage)

AC 230V ±10% 50Hz KPS3030DA: 0-30V (Adjustable) KPS3050DA: 0-50 V (Adjustable) KPS3030DA: 0-30A (Adjustable) KPS3050DA: 0-50 A (Adjustable) 900W 8h 0,1V ± 2 digit

Display Precision (Current)

0,1A ± 3 digit

Work Method Cooling

Wind Cooling 0-40 ℃; Relative Humidity <80% 390 x 250 x 200 mm 6,5 kg

Input Voltage Range Rated Output Voltage

Rated Output Current

Working Environment Size (H x B x T) Weight (Kg)

Gambar 3.5 DC Power Supply KPS3030DA.



30

3.3 Tahap Eksperimen 3.3.1

Set up Peralatan Peralatan pada penelitian ini meliputi kolom flotasi, sistem penghasil gelembung, dan sistem kamera. 1. Kolom Flotasi Kolom

flotasi

seperti

yang

telah

dijelaskan

sebelumnya

ditempatkan pada penyangga setinggi 50 cm agar mudah diamati. Surfaktan aluminium sulfat yang digunakan mula-mulanya berupa solid kemudian diblender bersamaan dengan air minum dari AQUA sebanyak satu liter. Massa aluminium sulfat yang diblender adalah 100 g tiap satu liter air. Kemudian larutan aluminium sulfat (tawas) dimasukkan ke dalam pipa akrilik sampai ketinggian sekitar 170 cm. Lalu water jacket diisi dengan tap water untuk mencegah distorsi optik setinggi kolom surfaktan. Untuk mengukur kecepatan gelembung pada ketinggian 12,5 cm, 25 cm, 50 cm, 75 cm, 100 cm, 125 cm, 150 cm dan 160 cm, kolom flotasi diberi tanda pada titik-titik tersebut. 2. Sistem Penghasil Gelembung Sistem

penghasil

gelembung adalah

dengan

menggunakan

elektrolisis air sehingga dihasilkan gelembung hidrogen. Kawat tembaga berdiameter 0,1 mm dimasukkan ke dalam baut yang telah dibor kemudian dilem. Baut dimasukkan dari bawah kolom. Jadi, katoda berada di bawah untuk menghasilkan gelembung hidrogen. Sedangkan anoda (kawat tembaga diameter 0,2 mm) dimasukkan dari atas kolom cairan. Sebelum dimasukkan, elektroda diamplas agar bagian insulasi hilang sehingga dapat mengalirkan arus. 3. Sistem Kamera dan Lighting Kamera video ditempatkan pada guideways. Penyangga kamera video dapat diatur dengan mudah karena menggunakan slide untuk menaikkan dan menurunkan dudukan kamera video. Fokus lensa dilakukan secara manual, sedangkan exposure dan shutter speed diatur secara otomatis. Pencahayaan dilakukan dengan teknik back lighting dengan menggunakan diffusive screen.



31

3.3.2

Prosedur Pengambilan Data Prosedur pengambilan data terbagi menjadi dua, yaitu prosedur pengambilan data distribusi diameter dan prosedur pengambilan data kecepatan. 1. Prosedur Pengambilan Data Distribusi Diameter -

Memasang kamera pada ketinggian yang diinginkan, yaitu 12,5 cm, 25 cm, 75 cm, 125 cm, dan 160 cm dan mengaktifkan kamera video pada kondisi siap merekam

-

Menyalakan DC Power Supply sekitar satu detik kemudian mematikannya dengan cepat

-

Mengambil gambar gelembung yang terbentuk paling awal, tengah dan akhir

-

Menyimpan file pada komputer untuk diolah menggunakan software imageJ

2. Prosedur Pengambilan Data Kecepatan -

Memasang kamera pada ketinggian 12,5 cm dari katoda

-

Menyalakan DC Power Supply sekitar satu detik kemudaian mematikannya dengan cepat

-

Mengaktifkan kamera video pada kondisi siap merekam

-

Menekan tombol OK pada kamera untuk merekam gelembung

-

Melakukan tracing terhadap gelembung yang dihasilkan dan menjaga agar gelembung tetap tertangkap oleh kamera sampai ketinggian sekitar 170 cm

-

Menurunkan kamera

-

Mematikan kamera dan menyimpan video rekaman untuk diolah dengan menggunakan software Frame Shot

Gelembung yang di-tracing adalah gelembung paling atas karena tidak terpengaruh oleh gelembung lain. Untuk mengetahui diameter dari gelembung, kertas difusif telah diberi garis vertikal dengan jarak 2 cm sepanjang kolom sebagai skala gambar untuk pengolahan di software imageJ. Untuk mengetahui posisi gelembung, telah dipasang penanda pada



32

ketinggian 12,5 cm, 50 cm, 75 cm, 100 cm, 125 cm, 150 cm dan 160 cm pada kolom flotasi. Set up peralatan diperlihatkan oleh Gambar 3.6. Pipa akrilik (air + surfaktan)

Anoda (tembaga, 0,2 mm) Diffusive screen

Water jacket (tap water)

Sumber cahaya Kamera Video

Nikon ImageJ Software Katoda (tembaga, 0,1 mm)

AC/DC Power Supply (KPS3030DA – adjustable voltage)

Gambar 3.6 Gambar skema peralatan

3.4 Pengolahan Data Menggunakan Software ImageJ Langkah-langkah pengukuran dilakukan dengan menangkap gambar gelembung dengan kamera kemudian mengukurnya di dalam sofware imageJ. Berikut adalah langkah-langkahnya. 1. Mengukur Gelembung Menggunakan software ImageJ - Membuka Gambar Untuk membuka file, pastikan terlebih dahulu software telah siap untuk digunakan. Urutannya adalah Toolbar File Open.



33

Gambar 3.7 Langkah Membuka Gambar dengan imageJ

- Membuat Skala Gambar Mengubah Format Gambar Membuat skala gambar dengan ukuran sebenarnya dengan Toolbar Analyze Set Scale. Kemudian membuat garis pada gambar dimana panjangnya diketahui dan memasukkan nilainya ke dalam known distance.



34

Gambar 3.8 Langkah Menentukan Skala Gambar

-

Mengubah Format Gambar Urutannya: Toolbar Image Type 8-Bit

Gambar 3.9 Langkah Mengubah format gambar



35

Gambar 3.10 Contoh Gambar dalam format 8-Bit

- Menghaluskan dan Menajamkan Gambar Perintahnya adalah dengan mengklik Toolbar Process Smooth untuk menghaluskan dan Toolbar Process Sharpen.

Gambar 3.11 Langkah Menghaluskan Gambar dan Menajamkan Gambar



36

Untuk mengukur luasan gelembung diawali dengan men-treshold gambar gelembung. Urutannya: Toolbar Adjust Threshold kemudian mengatur saturation yang sesuai. Setelah itu memilih area gelembung yang akan diukur luasannya dengan rectangular selection kemudian mengklik Toolbar Analyze Analyze Particles.. Mencentang “display result” dan hasilnya akan ditampilkan dalam tabel. Diameter diukur dengan menggunakan rumus luas lingkaran d = 2(A/π)0.5.

Gambar 3.12 Gambar langkah men-threshold gambar



37

Gambar 3.13 Contoh gambar yang telah di-thrasehold

Gambar 3.14 Langkah Menghitung Luas



38

Gambar 3.15 Contoh Hasil Perhitungan Luasan



BAB IV PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS

4.1 Distribusi Gelembung Hasil Elektrolisis Eksperimen yang dilakukan ini bertujuan untuk mengetahui distribusi dari gelembung hidrogen hasil elektrolisis. Tabel 4.1 menunjukkan data hasil olahan menggunakan software imageJ. Tabel 4.1 Distribusi ukuran gelembung pada berbagai ketinggian

ketinggian 12,5 cm 25 cm 75 cm 125 cm 160 cm

Jumlah bubble diukur 116 319 145 146 11

drata-rata (mm) 0,273405 0,29613 0,3661431 0,379096 0,3846

Perbandingan diameter overall gelembung terhadap posisi gelembung dari katoda disajikan dalam grafik pada Gambar 4.1.

diameter gelembung vs ketinggian 0.5

d-overall (mm)

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

50

100 Ketinggian (cm)

150

200

Gambar 4.1 Perbandingan diameter overall dan ketinggian

Semakin tinggi gelembung rata-rata diameternya semakin besar. Hal ini karena tekanan hidrostatik semakin kecil. Dari hasil pengolahan data dengan



40

tegangan 10 volt dapat dihasilkan gelembung yang termasuk small bubble, apalagi jika menggunakan tegangan lebih rendah daripada 10 volt. 4.2 Kecepatan Naik dan Diameter Gelembung Berikut ini adalah data hasil olahan kecepatan gelembung naik pada kolom air surfaktan tawas. Gelembung dihasilkan dengan elektrolisis dan di-tracing menggunakan kamera video yang ditempatkan pada guideways. Tracing dimulai dari ketingian 12,5 cm. Video kamera memiliki frame rate sebesar 24 fps. Tegangan yang diberikan sebesar 3 Volt dan katoda adalah tembaga dengan diameter 0,1 mm. Pengambilan dilakukan beberapa kali dan diambil 5 data untuk dianalisis. 4.2.1

Tegangan 3 Volt Data hasil olahan tegangan 3 volt disajikan pada Tabel 4.2. Tabel 4.2 Data Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 3 volt.

Video

Video 1

Video 2

Video 3

h (cm) 12,5 25 50 75 100 125 150 160 12,5 25 50 75 100 125 150 160 12,5 25 50 75 100 125 150

t (detik) 0 4,084 12,803 21,205 33,231 42,494 53,434 57,684 0 4,121 12,175 20,036 29,328 37,506 46,823 50,906 0 4,656 14,394 24,224 35,814 45,984 57,626

kecepatan (cm/detik) 3,06072478 2,867301296 2,975482028 2,078829203 2,698909641 2,285191956 2,352941176 3,033244358 3,104047678 3,180256965 2,69048644 3,056982147 2,683267146 2,449179525 2,684707904 2,567262272 2,543234995 2,157031924 2,458210423 2,147397354

db (mm)

0,514751

0,51227

0,500955



41

Video

h (cm) 160 12,5 25 50 75 125 150 12,5 25 50 75 100 125

Video 4

Video 5

t (detik) 61,993 0 4,718 14,552 24,825 54,917 68,17 0 4,572 15,117 26,677 38,139 49,66

kecepatan (cm/detik) 2,289901534 2,649427724 2,542200529 2,433563711 1,661571182 1,886365351

db (mm)

0,494556

2,734033246 2,370791844 2,162629758 2,181120223 2,169950525

0,526979

Untuk menentukan kecepatan dapat dihitung dengan menggunakan rumus: v = ∆h/∆t

( 4.1)

Pada kolom paling kanan, terdapat keterangan diameter gelembung pada saat ketinggian 12,5 cm dari ujung katoda. Gambar 4.2 adalah gambar grafik kecepatan terhadap waktu dari Tabel 4.2. Kecepatan vs Waktu Video 2

0 10 20 30 40 50 60 70 Waktu (detik)

Kecepatan (cm/detik)


Kecepatan vs Waktu Video 1 5 4 3 2 1 0

5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 Waktu (detik)

0

20

40

60

Waktu (detik)

80

Kecepatan vs Waktu Video 4 Kecepatan (cm/detik)


Kecepatan vs Waktu Video 3 5 4 3 2 1 0

5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Waktu (detik)



42


Kecepatan vs Waktu Video 5 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 Waktu (detik) Gambar 4.2 Grafik Kecepatan vs Waktu Gelembung Naik pada tegangan 3 Volt

Grafik pada Gambar 4.2 tidak dimulai dari nol, karena posisi kamera pertama adalah pada ketinggian 12,5 cm dari katoda.

Dari grafik pada

Gambar 4.2 dapat dilihat hampir secara keseluruhan kecepatan mula-mula gelembung naik lebih besar daripada kecepatan gelembung naik pada titik selanjutnya kecuali pada video 3. Gelembung pada video 3 memang memiliki kecepatan mula-mula (pada 25 cm) yang lebih rendah daripada kecepatan di titik selanjutnya, tetapi nilainya tidak jauh berbeda dengan nilai kecepatan titik selanjutnya. Grafik secara keseluruhan menunjukkan garis yang secara umum lurus atau dalam kata lain nilai kecepatannya tidak berbeda jauh antara setiap waktunya. Hal ini berarti gelembung secara keseluruhan pada ketinggian 50 cm telah mencapai terminal velocity-nya. Hal ini sesuai dengan dasar teori bahwa gelembung akan mengalami akselerasi pada saat terlepas dari katoda dan akan mencapai kecepatan maksimum untuk selanjutnya mengalami deklarasi dan mencapai terminal velocity dimana nilainya konstan. 4.2.2

Tegangan 7,5 Volt Berikut ini adalah tabel kecepatan, waktu dan diameter jika voltase

dinaikkan menjadi 7,5 Volt. Tabel 4.3 Tabel Kecepatan terhadap waktu dan posisi tegangan 7,5 Volt.

Video

Video 1

h (cm)

t (detik)

12,5 25 50

0 3,155 10,438

Kecepatan (cm/detik) 3,961965135 3,43265138

db (mm)

0,637471



43

Video

Video 2

Video 3

Video 4

Video 5

Video 6

h (cm)

t (detik)

75 100 12,5 25 50 75 100 125 12,5 25 50 75 100 12,5 25 50 75 100 125 12,5 25 50 75 100 125 12,5 25 50 75 100 125

18,081 25,61 0 3,7728 11,1528 18,6458 26,0198 33,5888 0 2,503 8,264 14,082 19,667 0 3,096 9,929 16,68 23,377 30,289 0 2,72 8,742 14,592 20,16 25,944 0 2,846 9,676 16,447 23,157 29,811

Kecepatan (cm/detik) 3,270966898 3,32049409 3,313189143 3,387533875 3,336447351 3,390290209 3,302946228 4,994007191 4,339524388 4,297009282 4,476275739 4,0374677 3,658715059 3,703155088 3,733014783 3,616898148 4,595588235 4,151444703 4,273504274 4,489942529 4,322268326 4,392129304 3,660322108 3,692216807 3,725782414 3,757138563

db (mm)

0,597234

0,669632

0,648369

0,641455

0,6274

Berikut ini adalah grafik dari Tabel 4.3.



44

Kecepatan vs Waktu Video 2

5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

waktu (detik)

20

30

0

5 4 3 2 1 0 20

waktu (detik)

20

40


30



4 3 2 1 0

waktu (detik)


10

40

waktu (detik)

waktu (detik)

0

20


5 4 3 2 1 0 10

0

Kecepatan (cm/s)



0

4 3 2 1 0




5 4 3 2 1 0 0

20

40

waktu (detik)

Gambar 4.3 Gambar Kecepatan vs Waktu Gelembung Naik pada tegangan 7,5 volt

Sama halnya dengan grafik pada Gambar 4.2, yaitu pada tegangan 3 volt, grafik kecepatan naik gelembung terhadap waktu pada tegangan 7,5 volt menunjukkan bahwa kecepatan mula-mula pada ketinggian 25 cm dari ujung katoda lebih besar dibandingkan kecepatan pada titik-titik selanjutnya. Grafik pada Gambar 4.3 lebih jelas dalam menunjukkan terminal velocity dari gelembung daripada grafik dengan tegangan 3 volt pada Gambar 4.2. Hal ini



45

dikarenakan diameter rata-rata bubble yang dihasilkan dengan tegangan 7,5 volt lebih besar daripada yang dihasilkan dengan tegangan 3 volt sehingga membuat pengolahan gambar yang dilakukan dengan bantuan software lebih akurat. Setelah diukur kemudian dihitung rata-rata diameter bubble yang dihasilkan, diameter rata-rata dari gelembung dengan tegangan 3 volt adalah 0,5121 mm sedangkan dengan tegangan 7,5 volt sebesar 0,6301 mm dan keduanya termasuk small bubble (0,2 mm < db < 1 mm). 4.3 Terminal Velocity Dari data Tabel 4.2 dan Tabel 4.3 dapat ditentukan nilai terminal velocity dari gelembung, yaitu dengan merata-ratakan nilai kecepatan pada setiap grafik yang membentuk garis lurus. Jadi, nilai kecepatan mula-mula tidak dimasukkan bila relatif jauh lebih besar dibandingkan kecepatan di titik-titik selanjutnya. 4.3.1

Tegangan 3 Volt Nilai-nilai yang diambil untuk menentukan terminal velocity disajikan dalam Table 4.4. Tabel 4. 4 Nilai yang diambil untuk penentuan terminal velocity tegangan 3 volt.

v (cm/detik) 3,060725 2,867301 2,975482 Video 1 2,078829 2,69891 2,285192 2,352941 3,033244 3,104048 3,180257 Video 2 2,690486 3,056982 2,683267 2,44918 2,567262 2,543235 Video

vaverage (cm/detik)

db (mm)

2,617

0,514751

2,8853

0,51227



46

v (cm/detik) video 3 2,157032 2,45821 2,147397 2,289902 2,542201 2,433564 video 4 1,661571 1,886365 2,16263 video 5 2,18112 2,169951 Video

vaverage (cm/detik) 2,3605

0,500955

2,1309

0,494556

2,17123

0,526979

db (mm)

Grafik terminal velocity terhadap diameter gelembung yang dihasilkan pada ketinggian 12,5 cm dari katoda dengan tegangan 3 volt disajikan pada Gambar 4.4.

Terminal Velocity vs db Terminal Velovity (cm/detik)

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

db (mm) Gambar 4.4 Grafik Perbandingan terminal velocity dan gelembung tegangan 3 volt

Berdasarkan grafik pada Gambar 4.4 secara keseluruhan semakin besar diameter gelembung semakin besar pula terminal velocity-nya. Nilai terminal velocity berada 2 sampai 3 cm/detik.



47

4.3.2

Tegangan 7,5 Volt Tabel 4.5 menunjukkan data-data yang diambil dan kecepatannya dirata-ratakan untuk menentukan terminal velocity. Tabel 4. 5 Nilai yang diambil untuk penentuan terminal velocity tegangan 7,5 volt

video Video 1

video 2

video 3

video 4

video 5

video 6

kec (cm/detik) 3,432651 3,270967 3,320494 3,313189 3,387534 3,336447 3,39029 3,302946 4,339524 4,297009 4,476276 3,658715 3,703155 3,733015 3,616898 4,151445 4,273504 4,489943 4,322268 3,660322 3,692217 3,725782 3,757139

kec. Rata-rata (cm/detik)

db (mm)

3,341370789

0,637471

3,346081361

0,597234

4,370936469

0,669632

3,67794577

0,648369

4,309289958

0,641455

3,708864973

0,6274

Grafik terminal velocity terhadap diameter gelembung yang dihasilkan pada 12,5 cm dari katoda dengan tegangan 7,5 volt disajikan pada Gambar 4.5.



48

Terminal Velocity (cm/detik)

Terminal Velocity vs db 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

db (mm) Gambar 4.5 Grafik Perbandingan terminal velocity dan diameter gelembung tegangan 7,5 volt

Berdasarkan grafik pada Gambar 4.5, semakin besar diameter gelembung, semakin besar terminal velocity-nya. Nilai terminal velocity berada sekitar 3,2 sampai 4,5 cm/detik. 4.3.3

Perbandingan 3 Volt dan 7,5 Volt Untuk melihat perbandingan terminal velocity dan gelembung yang dihasilkan perlu disajikan dalam sebuah grafik. Grafik yang dimaksud ditunjukkan pada Gambar 4.6.



49

Perbandingan 3 Volt dan 7,5 Volt Terminal Velocity (cm/detik)

5 4.5 4 3.5 3 2.5 tegangan 3 volt

2

tegangan 7,5 volt

1.5 1 0.5 0 0.45

0.55

0.65

db (mm) Gambar 4.6 Perbandingan gelembung yang dihasilkan dengan tegangan 3 volt dan 7,5 volt

Dari grafik pada Gambar 4.6 terlihat bahwa semakin besar gelembung semakin besar terminal velocity-nya. Tegangan yang lebih besar membuat gelembung yang dihasilkan juga semakin besar. 4.3.4

Pengaruh Surfaktan Pengaruh surfaktan dapat dilihat dengan membandingkan terminal velocity gelembung hasil penelitian dengan hasil eksperimen dari literatur. Gambar 4.7 menunjukkan grafik hasil penelitian Huang et al (2011).



50

Gambar 4.7 Grafik hasil eksperimen gelembung dalam pure water [13].

Penelitian yang dilakukan oleh Huang et al. (2011) adalah terhadap gelembung udara di dalam pure water. Hal ini berarti tidak ada surfaktan dalam cairan tempat gelembung bergerak naik. Pada Gambar 4.7 hasil penelitian Huang et al (2011) ditunjukkan oleh lingkaran. Dapat dilihat bahwa untuk gelembung dengan diameter sekitar 0,5 sampai 0,6 mm terminal velocity-nya sekitar 10 cm/s. Sedangkan untuk diameter gelembung yang sama dalam penelitian ini sebagaimana ditunjukkan Gambar 4.6 terminal velocity dari gelembung jauh lebih kecil, yaitu sekitar 2,5 sampai 3,5 cm/s. Hal ini menunjukkan dengan penambahan surfaktan dapat mengurangi terminal velocity dari suatu gelembung.

4.3.5

Perbandingan Hasil Penelitian dengan Persamaan Untuk penelitian kali ini, penurunan sederhana dapat dilakukan dengan memanfaatkan dua persamaan, yaitu gaya Bouyancy dan drag. Kita mengetahui bahwa pada saat gelembung mencapai terminal velocity-nya gaya Bouyancy dan drag bernilai sama, yaitu FB = Fd

(2.13)



51

Dengan FB adalah gaya Bouyancy yang diformulasikan sebagai: FB = ρ.V.g

(2.14)

dengan ρ adalah massa jenis fluida tempat gelembung bergerak (kg/m3), V adalah volume gelembung (m3) dan g adalah percepatan gravitasi (m/s2). Sedangkan Fd adalah gaya drag yang diformulasikan sebagai: Fd = CD.1/2. ρ.UT2.A

(2.15)

dengan CD adalah koefisiesn drag dan A adalah luas permukaan yang dalam hal ini nilainya adalah sebesar πR2 dengan R adalah jari-jari gelembung. Dengan memasukkan nilai-nilai yang ada ke dalam persamaan, didapat persamaan terminal velocity terhadap diameter gelembung sebagai: UT = 0,258 (g.db)0,5

(2.16)

dengan pertimbangan nilai CD berdasarkan grafik Cd terhadap Re untuk solid sphere pada Gambar 4.8.

Gambar 4.8 Perbandingan CD dengan Re untuk solid sphere [21].

Dari grafik pada Gambar 4.8 nilai CD yang diambil adalah 20 karena rata-rata Re yang didapatkan dari hasil penelitian adalah 22 sebagaimana ditunjukkan Tabel 4.6 dan 4.7 sehingga didapat persamaan (2.16).



52

Tabel 4.6 Nilai Re tegangan 3 volt

terminal velocity (cm/detik) 2,1309 2,3605 2,8853 2,617 2,17123

db (mm) 0,494556 0,500955 0,51227 0,514751 0,526979

Re 12,25407 13,75004 17,18665 15,66398 13,30457

Tabel 4.7 Nilai Re tegangan 7,5 volt

terminal velocity (cm/detik) 3,346081361 3,708864973 3,341370789 4,309289958 3,67794577 4,370936469

db (mm) 0,597234 0,6274 0,637471 0,641455 0,648369 0,669632

Re 23,23712 27,05746 24,76776 32,14206 27,72867 34,03396

Perbandingan hasil penelitian dilakukan terhadap persamaan Stokes, Davies-Taylor dan persamaan (2.16) dan disajikan dalam Gambar 4.9 untuk tegangan 3 volt dan Gambar 4.10 untuk tegangan 7,5 volt.

3 volt Terminal Velocity (m/detik)

0.18 0.16 0.14 0.12 0.1

eksperimen

0.08

persamaan (2.16)

0.06

Davies Taylor

0.04

Stokes

0.02 0 0.49

0.5

0.51

0.52

0.53

db (mm) Gambar 4.9 Perbandingan hasil penelitian dengan beberapa persamaan tegangan 3 volt



53

7,5 Volt Terminal velocity (m/detik)

0.3 0.25

0.2 persamaan (2.16)

0.15

eksperimen

0.1

Davies Davies-Taylor

0.05

Stokes

0 0.58

0.6

0.62

0.64

0.66

0.68

db (mm) Gambar 4.10 Perbandingan hasil penelitian dengan beberapa persamaan tegangan 7,5 volt

Dari grafik pada Gambar 4.9 dan 4.10, 4.10, baik gelembung yang

dihasilkan dengan 3 volt maupun dengan 7,5 volt, keduanya berada di antara grafik persamaan Davies-Taylor dan persamaan (2.16). Namun untuk tegangan 3 volt grafik lebih cenderung cenderung mendekati persamaan (2.16) sedangkan untuk tegangan 7,5 7,5 volt berada tepat di antara keduanya. Hal ini karena gelembung yang yang dihasilkan dengan tegangan 7,5 volt lebih

besar daripada yang dihasilkan dengan tegangan 3 volt. Hal ini wajar karena persamaan Davies-Taylor memang untuk aplikasi gelembung yang besar. Grafik gelembung hasil eksperimen semuanya berada berada di atas grafik

persamaan (2.16). Hal ini menunjukkan bahwa ada kemungkinan terjadi pergerakan pada permukaan gelembung (mobile (mobile surface) sehingga nilai

terminal velocity-nya lebih besar daripada persamaan (2.16) dimana persamaan (2.16) adalah untuk solid sphere dimana tidak terjadi pergerakan pada permukaannya (immobile surface) atau jika memang permukaan gelembung immobile maka nilai Re yang diambil terlalu kecil untuk tegangan 7,5 volt sehingga grafik eksperimen sedikit menjauh dari grafik persamaan (2.16). Persamaan Stokes berada jauh dari hasil eksperimen. Sebagaimana dijelaskan dalam dasar teori, persamaan Stokes

akurat untuk gelembung yang sangat kecil misalnya gelembung mikro. Universitas Indonesia


BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan Penelitian tentang karakteristik small bubble dalam larutan tawas telah dilakukan dan dianalisis. Dari analisis dan pengolahan data diketahui bahwa semakin besar gelembung semakin besar terminal velocity-nya. Dari analisis diketahui bahwa rata-rata gelembung telah mencapai terminal velocity-nya pada ketinggian 50 cm di atas katoda. Pengaruh surfaktan tawas terbukti mampu mengurangi terminal velocity gelembung. Dengan terminal velocity yang rendah efisiensi tumbukan pada proses flotasi dapat ditingkatkan. 5.2 Saran Dalam penelitian masih terdapat hal-hal yang perlu dikembangkan dan diperbaiki, yaitu 1. Diperlukan penelitian lebih lanjut tentang tegangan dan kawat katoda yang digunakan untuk menghasilkan gelembung. Terutama variasi tegangan yang lebih kecil 2. Tawas yang dipakai perlu dicoba dengan tawas cair. Selain mempermudah dalam pencampuran dimungkinkan jika dengan metode yang telah dipakai partikel solid tawas bukannya larut tetapi malah terbentuk menjadi partikel-partikel solid yang lebih kecil 3. Diperlukan kolom flotasi yang lebih baik terutama yang lebih mudah dibersihkan dan di-assembly agar mengurangi resiko kerusakan ketika dipasang, dilepas dan dibersihkan 4. Diperlukan mikroskop atau lensa yang lebih baik agar dapat menangkap gambar gelembung berukuran mikro 5. Guideways yang digunakan lebih baik menggunakan system control dengan motor agar gelembung tepat berada di tengah-tengah layar sehingga selain kecepatan yang bisa diukur, diameternya juga dapat langsung diukur. Selain itu, diperlukan guideways yang lebih stabil dan



55

tidak goyang yang dapat mengubah fokus lensa ketika digunakan untuk men-tracing gelembung



DAFTAR REFERENSI

[1] Fitri Astuti, “Pengolahan limbah cair industri batik dengan koagulan dan penyaringan (studi Kasus di CV. Batik Indah Rara Djonggrang)”, Tesis S-2 Program Studi Ilmu Lingkungan Kelompok Antar Bidang, Universitas Gadjah Mada [2] Matis, K. A., (1995), Flotation Science and Engineering, CRC Press [3] Clift, R., Grace, J. R. & Weber, M. E. (1978). Bubbles, Drops, and Particles. New York: Academic Press, Inc. [4] Blackmore, Byron Percy. (2000). “Detachment of Air Bubbles from Slit Microchannels with Shearing Flow” M. Sc. Thesis. Alberta: University of Alberta. [5] Brücker, C, (1999), “Structer and Dynamics of The Wake of Bubbles and Its Relevance for Bubble Interaction”, Phys. Fluids, 11, 1781-1796 [6] J. Sung, S. M. Park, D. H. Choi, S. C. Kim, J. Y. Yoo, (2003), “Two Phase Measurement of Liquid-Bubble Interaction by a Freely Single Bubble”, 5th International Symposium on Particle Image Velocimetry, Busan, Korea, September 22-24 [7] Ristanto, Harianto, Sugeng, (2004), “Pembentukan Gelembung Tunggal dengan Menggunakan Nossel”, Skripsi S-1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Indonesia. [8] Kosuke, Hayashi., Tomiyama, Akio., (2012), “Effects of Surfactant on Terminal Velocity of a Taylor Bubble in a Vertical Pipe.” International Journal of Multiphase Flow 39, Elsevier Ltd., pp. 78–87 [9] Leighton, T.G., (1997). The Acoustic Bubble. California: Academic Press, Inc. [10]

Budiarso, (1996), Catatan Kuliah Mekanika Fluida, Depok: Departemen

Teknik Mesin Universitas Indonesia [11]

Ligget, James A., (1994). Fluid Mechanics: International Edition.

Singapore: McGraw-Hill [12] Brennen, C. E., (1995), Cavitation and Bubble Dynamics, New York: Oxford University Press [13] Huang, Z., Legendre, D., Guiraud, P., (2010), “A new experimental method for determining particle capture efficiency in flotation”, International Journal of Chemical Engineering, Elsevier 66, 982 –997 56 Analisis karakteristik..., Nurrohman, FT UI, 2012


57

[14]

www.bubbleology.com/BubbleologyFrame.html, diakses tanggal 16 Maret

2012 [15]

http://xlcgozo.com/GOZO-VISION-STUDIO/guestbook/electrolysis-of-

sodium-chloride-animation&page=2, diakses pada tanggal 19 April 2012 [16]

Baxes, Gregory, (1984), Digital Image Processing, A Practical Primer,

New Jersey: Prentice Hall, Inc. [17]

Green, William B., (1983), Digital Image Processing, A System Approach,

New York: Van Nostrand Reinhold Company [18] http://gaptek28.wordpress.com/2009/04/14/nikon-d5000/, diakses 18 Juni 2012 [19] http://www.nikonusa.com/Nikon-Products/Product/CameraLenses/1987/AF-Micro-Nikkor-60mm-f%252F2.8D.html#tab-ProductDetailProductTabs-TechSpecs, diakses pada tanggal 18 Juni 2012 [20] http://www.atten.co.il/Article/17/kps3030DA___KPS3050DA, diakses pada tanggal 18 Juni 2012 [21] Anderson, J.D., Jr., (2001), Fundamentals of Aerodynamics, Third Edition, New York: The Mc-Grawhill Companies Incorporated



LAMPIRAN


L1 Contoh Gambar Small Bubble yang Bergerak Naik pada Ketinggian 12,5 cm Tegangan 3 Volt

Gelembung paling atas yang di-tracing


UNIVERSITAS INDONESIA ANALISIS KARAKTERISTIK SMALL BUBBLE PADA LARUTAN TAWAS SKRIPSI

Recommend Documents