Rancang bangun alat praktikum operasi sedimentasi

Rancang bangun alat praktikum operasi sedimentasi. Operasi sedimentasi (pengendapan) sering ditemui dalam aktivitas industri yang berhubungan dengan zat padat. Pada prinsipnya operasi sedimentasi merupakan operasi pemisahan zat padat dari zat cair. Agar mahasiswa dapat memahami peristiwa pemisahan ini dengan lebih baik maka perlu bagi mereka melakukan praktikum sedimentasi ini. Praktikum operasi sedimentasi merupakan salah satu modul dari sejumlah praktikum yang harus dilakukan oleh mahasiswa jurusan Teknik Kimia Universitas Lampung. Persoalan yang dijumpai untuk pelaksanaan praktikum ini di Jurusan Teknik Kimia Universitas Lampung adalah biaya pengadaan peralatan yang relatif mahal harganya. Untuk mengatasi masalah ini telah dirancang suatu unit peralatan sedimentasi yang kompak yang berbasiskan pada pengukuran konsentrasi padatan tercampur secara elektronik. Biaya perancangan untuk alat ini relatif sedikit dibandingkan dengan peralatan yang telah tersedia di pasaran. Peralatan yang telah dirancang ini harus dikalibrasi terlebih dahulu sebelum digunakan.

Kata kunci : sedimentasi, konsentrasi, pengukuran elektronik

 TEORI SEDIMENTASI

Sedimentasi merupakan proses pemisahan fasa, dimana partikel padatan mengendap dari dalam slurry karena pengaruh gaya gravitasi. Di dalam sedimentor, suspensi atau slurry terpisah menjadi cairan bening supernatan dan lumpur encer (thick sludge). Proses disebut thickening jika concentrated sludge merupakan produk utama yang diinginkan, dan disebut clarification jika cairan bening yang diinginkan (Brown, 1978).

Pengendapan dan sedimentasi sering dijumpai dalam industri. Proses ini sangat bermanfaat untuk
memisahkan padatan dari campuran limbah cair, perolehan kristal dari bentuk asalnya, pengendapan partikel makanan zat padat dari zat cairnya, dan pengendapan slurry pada proses leaching soybean.

Peristiwa pengendapan dapat diamati dengan memasukkan slurry dalam silinder. Slurry yang telah tercampur dengan baik dimasukkan ke dalam silinder hingga mencapai ketinggian tertentu. Kemudian akan terbentuk zona jernih pada bagian atas yang berbatasan dengan slurry di bawahnya. Ini terjadi karena pengendapan partikel halus sebagai floc dan mendorong air naik ke atas dan terbentuk zona cairan yang jernih. Padatan yang bergerak ke bawah dan cairan ke atas secara kontinyu akan menyebabkan batas antarmuka turun secara kontinyu pula. Dengan lain perkataan, ketinggian pengendapan bervariasi terhadap waktu dan begitu juga dengan laju pengendapannya, berubah terhadap waktu. Oleh karena itu, pengukuran ketinggian antarmuka dalam interval waktu tertentu dapat digunakan sebagai petunjuk untuk mengikuti peristiwa pengendapan.

Kurva yang menghubungkan ketinggian antarmuka dari dasar silinder pada ordinat dan waktu pengendapan pada absis dapat diplot. Dari grafik ini, kemiringan kurva pengendapan, slope dan intersept dapat ditentukan.

Slope kurva akan memberikan laju pengendapan. Konsentrasi slurry yang berpadanan pada titik tersebut dapat dihitung dengan persamaan :

Dengan menggunakan nilai-nilai tersebut, kurva lainnya yang menghubungkan laju pengendapan (cm/min) dengan konsentrasi slurry (g/lit) dapat diplot.

Laju pengendapan dapat dihitung sebagai : (ketinggian pada saat ini – ketinggian awal)/(waktu yang dibutuhkan untuk mencapai ketinggian saat ini).

Cara seperti tersebut di atas kurang praktis karena kita harus menentukan konsentrasi dari ketinggian interface. Cara lain adalah dengan langsung mengukur konsentrasi slurry pada setiap ketinggian tertentu dalam interval waktu tertentu.

SISTEM PENGUKURAN

Sistem pengukuran pada umumnya terdiri dari tiga unsure utama (seperti pada gambar 2), yaitu :

1. Sensor, yang menghasilkan respon terhadap besaran yang sedang diukur dengan cara menghasilkan sinyal yang berhubungan dengan besaran yang diukur. Sebagai contoh termokopel adalah sensor temperatur. Input untuk sensor adalah temperatur dan outputnya adalah e.m.f. yang bersesuaian dengan nilai temperatur. Untuk pengukuran konsentrasi, dalam hal ini digunakan LDR sebagai sensor. Input untuk LDR adalah cahaya dan outputnya berupa resistensi LDR.

2. Penyesuai sinyal mengambil sinyal dari sensor dan memanipulasikannya sehingga nilai besaran dapat ditunjukkan dalam suatu unsure peraga. Contoh penyesuai sinyal adalah penguat operasional.

3. Peraga memperoleh masukan dari bagian penyesuai sinyal dan menampilkan nilai dari besaran yang diukur. Peraga bias berupa jarum penunjuk yang diberi skala atau suatu bacaan digital. (Bolton, 1999)

Sensor Light Dependent Resistor (LDR)

LDR merupakan komponen semikonduktor. Bagian yang sensitive pada LDR adalah lapisan cadmium sulfida. Lapisan ini sangat sensitive terhadap cahaya. Perlu dicatat disini bahwa cahaya mempunyai dua sifat, pertama sebagai gelombang elektromagnetik, dan kedua dapat dipandang sebagai foton (partikel yang berenergi). Cahaya yang menimpa permukaan LDR (tepatnya lapisan CdS) akan menginjeksi energi ke dalam semikonduktor itu yang kemudian diserap oleh electron yang berikatan secara kovalen. Energi ini memecahkan ikatan antar atom-atom. Elektron akan mengalami delokalisasi dan bergerak dengan bebas di dalam LDR. Hal ini berarti akan memudahkan arus listrik mengalir melaluinya atau dengan lain perkataan tahanan listriknya menjadi rendah jika iluminasi cahaya meningkat.

Rangkaian Sensor

Jika komponen sensor dipasang pada rangkaian sensor akan membentuk pembagi tegangan (potential devider). Ada dua cara untuk memasang LDR pada rangkaian sensor seperti pada gambar di bawah ini. Dalam rangkaian ini dua resistor (R_atas dan R_bawah) dihubungkan secara seri terhadap sumber daya (+V dan 0V). Tahanan total dari pembagi tegangan adalah : R_total = R_atas + R_bawah

Dengan demikian besarnya tegangan keluaran sangat bergantung pada posisi mana sensor (LDR) dipasang. Tahanan LDR bervariasi menurut persamaan aL^-b dimana L = illumination dalam Lux, a dan b adalah konstanta. (internet 1)

Penyesuai Sinyal, Operasional Amplifier (OpAmp)

Istilah Operational Amplifier (Op.Amp) adalah suatu penguat dc yang nilai penguatannya (gain) sangat tinggi yang mempunyai dua masukan (input) berbeda dan satu keluaran (output). OpAmp mempunyai cirri seperti tahanan input yang cukup besar, tahanan output yang kecil dan mempunyai penguatan yang cukup besar. Oleh karena itu OpAmp seringkali digunakan dalam berbagai keperluan elektronik. Secara diagram suatu OpAmp ditunjukkan dalam gambar berikut :

Pin 2 dan 3 merupakan pin (atau kaki) dan pin 6 adalah output untuk OpAmp jenis 8 pin. Pin 2 disebut input membalik (inverted input, bertanda negatif pada gbr). Disebut demikian karena bentuk output akan terbalik dengan bentuk input pada pin 2 itu. Jika masukan pada pin 2 positif, maka outputnya akan menjadi lebih negatif, atau sebaliknya jika masukan negatif maka outputnya akan menjadi lebih positif. Sedangkan pin 3 disebut masukan tak membalik (non inverted input). Dikatakan demikian karena bentuk outputnya sama dengan input.

Karena OpAmp mempunyai penguatan yang cukup besar maka dapat dipergunakan untuk memperkuat sinyal yang berasal dari suatu sensor. Besarnya penguatan dinyatakan sebagai gain A. Dari gambar 5 di atas untuk suatu OpAmp yang mempunyai gain A maka outputnya dinyatakan dengan :

V₀ = A (V_b – V_a)

Peraga

Peraga digunakan untuk menampilkan hasil pengukuran. Suatu peraga bias berupa penunjuk (jarum meter, peraga digital), atau suatu perekam (chart recorder). Dalam perancangan ini dipilih peraga berupa voltmeter digital.

Perencanaan Alat Ukur

Alat ukur konsentrasi yang direncanakan ini didasarkan pada kenyataan peristiwa sedimentasi, bahwa suatu campuran tersebut akan menjadi lebih jernih jika jumlah zat padat di dalam campuran itu berkurang. Intensitas cahaya yang menembus cairan jernih lebih tinggi apabila dibandingkan dengan cairan keruh. Oleh karena itu intensitas cahaya yang diterima oleh sensor dapat menunjukkan tingkat konsentrasi suatu campuran padat-cair. Dalam hal ini direncanakan untuk merancang alat ukur yang bacaan output-nya sebanding dengan konsentrasi zat padat di dalam campuran. Rangkaian elektroniknya ditunjukkan dalam gambar di bawah ini.

Peletakan sensor berdasarkan dari gambar 4.a. Jika LDR menerima banyak cahaya maka tahanannya menurun sehingga tegangan keluaran pada titik antara LDR dengan potensiometer menjadi lebih besar. Tegangan ini merupakan input untuk pin 2 OpAmp 741. Karena output dari sensor menjadi inverted input bagi OpAmp maka output OpAmp akan menjadi besar jika cahaya yang menimpa LDR berkurang intensitasnya.

Dalam terapannya, kurangnya intensitas cahaya bias jadi karena campuran padat-cair mempunyai konsentrasi padatan yang cukup tinggi. Dengan rangkaian elektronik seperti dalam gambar di atas, tingginya konsentrasi zat padat dapat dinyatakan dalam tegangan output pada kaki 6 OpAmp 741. Rangkaian ini dapat diberi tegangan hingga 18 volt.

Rancangan Peralatan

Agar praktis dalam pemakaiannya, alat ukur konsentrasi untuk proses sedimentasi ini perlu dibuat dalam bentuk yang kompak. LDR (sensor) harus dapat digerakkan naik-turun guna menentukan konsentrasi zat padat pada suatu ketinggian tertentu dari dasar sedimentasi. Dalam prakteknya, peralatan dapat dirangkai seperti ditunjukkan dalam gambar 7 dimana tabung sedimentasi diletakkan antara sumber cahaya dan LDR.

Intensitas cahaya yang diterima oleh permukaan LDR bergantung pada tingkat kekeruhan campuran di dalam tabung. LDR dapat digerakkan turun-naik sepanjang ketinggian tabung sedimentasi.

Hasil pengujian dengan menggunakan rangkaian elektronik seperti gambar 6 dan rangkaian peralatan sedimentasi seperti dalam gambar 7 menunjukkan bahwa semakin rendah intensitas cahaya yang rendah menunjukkan konsentrasi tinggi pula. Dengan lain perkataan rangkaian elektronik seperti pada gambar 7 telah memberikan hasil yang sebanding antara konsentrasi campuran dengan bacaan pada display voltmeter.

Namun demikian, rangkaian tersebut masih ada kelemahannya yaitu jangkauan keluaran voltase pada kaki 6 IC 741 masih antara 2 volt sampai sekitar 10 volt. Sebaiknya keluaran itu antara 0 (nol) sampai 10 volt. Nol volt berarti di dalam air tidak terdapat zat padat tau konsentrasinya nol satuan.

CARA MENGGUNAKAN PERALATAN

Pada prinsipnya alat yang telah dirancang ini belum dapat digunakan secara langsung untuk mengukur konsentrasi karena belum dikalibrasi. Kalibrasi harus dilakukan untuk menentukan hubungan antara konsentrasi zat padat dalam campuran dengan intensitas cahaya yang diterima oleh LDR yang menembus campuran uji. Dari kalibrasi ini akan didapat kurva kalibrasi. Kurva kalibrasi dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi zat padat berdasarkan intensitas cahaya yang diterima oleh sensor.

KESIMPULAN DAN SARAN

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa konsentrasi zat padat yang tak larut dalam suatu cairan dapat ditentukan secara elektronik. Metoda penghitungan konsentrasi tersebut harus melalui serangkaian kalibrasi agar diperoleh data yang valid. Kalibrasi peralatan harus dilakukan untuk masing-masing zat padat yang berbeda ukuran dan jenisnya karena perbedaan ini menimbulkan perbedaan terhadap intensitas cahaya yang menembus campuran.

Mengingat rangkaian elektronik yang dirancang masih mempunyai keterbatasan dalam pembacaan outputnya, maka disarankan untuk memperbaiki atau menambah rangkaian elektronik tersebut sedemikian sehingga bacaan output dapat dimulai dari bacaan nol volt yang mengidentifikasikan konsentrasi sebesar nol gram/liter.