STUDI PENGARUH KONSENTRASI CaCO 3 TERHADAP KECEPATAN SEDIMENTASI PADA PERCOBAAN SEDIMENTASI SECARA
BATCH
Tivany Silvia, Annisa Putri Taranita, Agung Satrio P., dan Sinta Nuclea Program Studi D3 Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2013
Abstrak
Salah satu metoda pemisahan yang dilakukan dalam praktikum operasi teknik kimia adalah sedimentasi. Sedimentasi merupakan proses pemisahan larutan suspensi menjadi fluida jernih (supernatant) dan slurry yang mengandung padatan lebih tinggi. Tujuan dari percobaan sedimentasi ini adalah mempelajari proses pemisahan suspensi CaCO 3 225 gram, 265 gram, dan 305 gram slurry menjadi menjadi supernatant dan slurry dalam dalam bentuk pemisahan batch pada skala laboratorium. Selain itu, juga menetapkan kecepatan pengendapan (sedimentasi rate) suspensi CaCO 3 225 gram, 265 gram, dan 305 gram. Adapun prosedur percobaan dari sedimentasi ini pada tahap persiapan adalah menyiapkan seluruh sel uruh peralatan percobaan sedimentasi yang terdiri dari gelas ukur 1000 ml, stopwatch, erlenmeyer untuk membuat larutan suspensi, spatula dan piknometer, lalu me mbuat larutan suspensi yang akan digunakan untuk percobaan dengan cara menimbang CaCO 3 225 gram, kemudian mengaduknya hingga terbentuk larutan suspensi yang uniform. Pada tahap percobaan yaitu menuangkan larutan suspensi, lalu mengaduk larutan suspensi agar dalam keadaan uniform pada kondisi awal, kemudian mencatat perubahan tinggi interface untuk setiap penurunan waktu 25 detik yang ditentukan hingga terjadi penurunan tinggi interface lagi, selanjutnya melanjutkan pencatatan tinggi interface hingga konstan, lalu menghitung densitas saat suspensi dalam keadaan homogen dan mengulangi percobaan yang sama dengan variabel CaCO3 265 gram dan 305 gram. Kesimpulan dari percobaan sedimentasi adalah Kecepatan pengendapan (sedimentation rate) dari suspensi CaCO 3 225 gram adalah 0,0195 cm/s. Kecepatan pengendapan (sedimentation rate) dari suspensi CaCO 3 265 gram adalah 0,0165 cm/s. Kecepatan pengendapan (sedimentation rate) dari suspensi CaCO 3 305 gram adalah 0,0133 cm/s. Semakin lama waktu pengendapan, maka kecepatan pengendapan slurry semakin menurun. Semakin besar konsentrasi CaCO3 , maka kecepatan pengendapannya pengendapannya semakin turun. Hal ini karena adanya drag force yang berbanding lurus dengan konsentrasi. Drag force atau gaya seret ini bekerja pada arah yang berlawanan dengan gerakan partikel dalam fluida. Maka Maka jika konsentrasi semakin besar maka kecepatan pengendapannya menurun. Tinggi Interface,, Kecepatan Pengendapan, Konsentrasi Kata kunci : Sedimentasi, Perubahan Tinggi Interface CaCO3 suspensi terdiri dari campuran fase cair dan fase padat yang bersifat settleable settleable (dapat diendapkan karena perbedaan densitas antara fasenya). Proses sedimentasi dapat dilakukan secara batch batch dan continue.
I. Pendahuluan Sedimentasi merupakan proses pemisahan larutan suspensi menjadi fluida jernih ( supernatant supernatant ) dan slurry yang mengandung padatan lebih tinggi. Larutan
1
Proses batch sering digunakan untuk skala laboratorium sedangkan continue dipergunakan dalam proses komersil dengan mempertimbangkan kecepatan pengendapan terminal dari partikel partikelnya. Percobaan skala laboratorium dilakukan pada suhu uniform untuk menghindari gerakan fluida atau konveksi karena perbedaan densitas yang dihasilkan dari perbedaan suhu (Mc. Cabe, 1985).
Kecepatan pengendapan dapat ditentukan dengan mengamati tinggi interface (antarfase) sebagai fungsi waktu yang diberikan dan menggambarkan tangen pada kurva yang diperoleh dari :
Pada point ini, tinggi Z 1 dan Z2 adalah intercept tangen pada kurva tersebut. Kecepatan pengendapan ( sedimentation rate) :
Ketika slurrry dicairkan diendapkan oleh gravitasi menjadi fluida yang lebih jernih dan slurry dengan konsentrasi yang lebih tinggi, proses ini disebut sedimentasi atau terkadang disebut juga thickening . Uji secara batch dilakukan untuk menggambarkan mekanisme pengendapan dan metode penentuan kecepatan pengendapan.Pada awal sedimentasi batch, konsentrasi padatan sepanjang silinder uniform. Segera setelah proses mulai, seluruh partikel suspensi solid jatuh bebas melalui fluida pada kecepatan maksimumnya dibawah, kondisi hindered settling yang ada. Partikel-partikel padat jatuh bebas pada kecepatan yang sama dan membentuk garis pembatas tajam antara cairan jernih supernatant dan zona suspensi serta slurry. Didalam slurry yang mengandung partikel-partikel ukuran berbeda, partikel-partikel yang lebih besar akan mengendap lebih cepat dan mulai menumpuk, dimana zona D dan zona transisi C yang mengandung padatan yang bervariasi antara konsentrasi zona B dan zona D mulai nampak. Setelah pengendapan lebih jauh atau pada kondisi kecepatan pengendapan kompresinya, zona B dan zona C tidak nampak tetapi hanya terdapat slurry pekat pada zona D (Geankoplis, C.J., 2003).
Keterangan: V1 : Kecepatan pengendapan (cm/menit) Zi : Tinggi interface 1(cm) Z1 : Tinggi interface 2 (cm) t1 : Waktu pengendapan (menit) (Anonim, 2013). Pada proses sedimentasi terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi proses sedimentasi diantaranya adalah kosentrasi. Semakin besarnya konsentrasi, gaya gesek yang dialami partikel karena partikel lain semakin besar sehingga drag force-nya pun semakin besar. Hal ini disebabkan karena dengan semakin besarnya konsentrasi berarti semakin banyak jumlah partikel dalam suatu suspensi yang menyebabkan bertambah gaya gesek antara suatu partikel dengan partikel yang lain. Drag force atau gaya seret ini bekerja pada arah yang berlawanan dengan gerakan partikel dalam fluida. Dalam hal ini gaya drag ke atas dan gerakan partikel ke bawah. Gaya seret ini disebabkan oleh adanya transfer momentum yang arahnya tegak lurus permukaan partikel dalam bentuk gesekan. Maka dengan adanya drag force yang arahnya berlawanan dengan arah partikel ini akan menyebabkan ya total untuk mengendapkan partikel gerakan partikel menjadi lambat karena semakin kecilnya
Z O N A
Gambar I.1. Sedimentasi dengan Proses Batch
2
gaya total ke bawah sehingga kecepatan pengendapan semakin turun (Droste, 1997).
3. Memasukkan CaCO3 yang telah ditimbang ke dalam erlenmeyer yang berisi air. 4. Mengaduk hingga uniform.
Dalam industri kimia, aplikasi sedimentasi banyak digunakan dalam beberapa kondisi seperti : 1. Penghilang endapan, hasil buangan padatan tersuspensi dalam tangki pengendapan. 2. Penghilangan tanah dan heavy silt dari air tangki penampungan endapan. 3. Penghilangan substansi yang tidak dapat mengendap dari air hasil buangan industri dengan cara koagulasi dan presipitasi terlebih dahulu.
C. Tahap Percobaan 1. Menuangkan larutan suspensi. 2. Mengaduk larutan suspensi agar dalam keadaan uniform pada kondisi awal. 3. Mencatat perubahan tinggi interface untuk setiap penurunan waktu 25 detik yang ditentukan hingga tidak terjadi penurunan tinggi interface lagi. 4. Melanjutkan pencatatatan tinggi interface hingga konstan. 5. Menghitung densitas saat suspensi dalam keadaan homogen. 6. Mengulangi percobaan yang sama dengan variabel yang berbeda.
Untuk lebih memahami proses sedimentasi, diadakan percobaan sedimentasi dengan tujuan mempelajari proses pemisahan suspensi CaCO3 slurry menjadi supernatant dan slurry dalam bentuk pemisahan batch pada skala laboratorium. Selain itu, juga menetapkan kecepatan pengendapan ( sedimentasi rate) suspensi CaCO3.
III. Hasil Percobaan dan Pembahasan Tabel 1. Hasil Percobaan pada suspensi CaCO3 t(s)
II. Metodologi Percobaan Pada percobaan ini menggunakan bahan CaCO3 sebanyak 225 gram, 265 gram, dan 305 gram serta air sebanyak 1000 ml untuk membuat larutan suspensi CaCO3. Sedangkan peralatan yang dibutuhkan adalah : gelas ukur, spatula, timbangan elektrik, stopwatch, viscometer ostwald , piknometer, termometer, dan erlenmeyer. Prosedur percobaan dilakukan sebagai berikut :
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 2255 500 525
A. Persiapan Alat Menyiapkan seluruh peralatan percobaan sedimentasi yang terdiri dari gelas ukur, spatula, stopwatch, viskometer ostwald, termometer, erlenmeyer, dan piknometer. B. Membuat Larutan Suspensi 1. Menimbang CaCO3 sesuai dengan variabel yang telah diberikan. 2. Menuangkan air ke dalam erlenmeyer .
3
CaCO3 225 gram 100 82 68 59 50 39 28 20 15 14 13 11.5 11 10.8 10.7 10.4 10 9.7 9.7 9.5 9.3 9.2
CaCO3 265 gram 100 83 68 55 44 37 31 19 18 17 16 15 14 13.5 13 12.5 12 11.5 11 10.7 10.5 10.4
CaCO3 305 gram 100 89 79 72 65 60 55 50 43 37 33 28 24 21 18 17 16.5 16 15.5 15 14.5 14
550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 825
9.2 9.2
10.3 10.2 10.2 10.2
13.7 13.1 12.8 12.5 12.3 12 11.8 11.6 11.4 11.1 11 11
110 100 90 ) 80 m c 70 ( n60 a i g50 g n i t 40 e k30 20 10 0
Sehingga dengan menggunakan rumus: Kecepatan pengendapan pada 225 gram CaCO3 : Kecepatan pengendapan pada 265 gram CaCO3 : Kecepatan pengendapan pada 225 gram CaCO3 :
Linear (hindred setling)
600
800
Linear (fase sedimentasi)
waktu (detik)
Grafik 1. Hubungan ketinggian (cm) dengan waktu (detik) pada suspensi CaCO 3 225 gram 110 100 90 )80 m c70 ( n60 a i g50 g n i t40 e k30 20 10 0
free setlling
hindred setling fase sedimentasi Linear (hindred setling)
Dapat diperoleh kecepatan pengendapan pada 225 gram CaCO3 sebesar 0,0195 cm/s, kecepatan pengendapan pada 265 gram CaCO3 sebesar 0,0165 cm/s, dan kecepatan pengendapan pada 305 gram CaCO3 sebesar 0,0133 cm/s.
Linear (fase sedimentasi)
0
200
400
600
Linear (fase sedimentasi)
Pada grafik 1, 2 dan 3 menjelaskan bahwa semakin lama waktu pengendapan, maka kecepatan pengendapannya semakin turun yang terlihat dari interfacenya semakin kecil dengan tinggi suspense (zi) serta tinggi slurry dan supernatant (z1).
fase sedimentasi
400
Linear (hindred setling)
Grafik 3. Hubungan ketinggian (cm) dengan waktu (detik) pada suspensi CaCO 3 305 gram
hindred setling
200
fase sedimentasi
waktu (detik)
free setlling
0
hindred setling
100 300 500 700 900
Berdasarkan Tabel 1. di dapat grafik hubungan Antara tinggi interface dengan waktu sebagai berikut: 110 100 90 )80 m c70 ( n60 a i g50 g n i t40 e k30 20 10 0
free setlling
800
waktu (detik)
Grafik 2. Hubungan ketinggian (cm) dengan waktu (detik) pada susensi CaCO 3 265 gram
4
Grafik 1, 2 dan 3 juga menunjukkan bahwa pada proses free settling, laju pengendapannya semakin cepat dibandingkan pada proses hindered settling yang mana laju pengendapannya semakin lambat. Hal ini sesuai dengan literatur bahwa pada proses free settling, jatuhnya partikel dalam suatu fluida ini tidak dipengaruhi oleh dinding dan faktor benturan dengan partikel lain, sehingga laju pengendapan akan semakin cepat. Sedangkan pada proses hindered settling, partikel tidak dapat mengendap secara bebas karena aliran partikel yang satu mempengaruhi aliran partikel yang lainnya dan terjadi saling berdesakan, sehingga kecepatan pengendapan partikel akan semakain kecil (Geankoplis, C.J, 1993).
sehingga drag force-nya pun semakin besar. Hal ini disebabkan karena dengan semakin besarnya konsentrasi berarti semakin banyak jumlah partikel dalam suatu suspensi yang menyebabkan bertambahnya gaya gesek antara suatu partikel dengan partikel yang lain. Drag force atau gaya seret ini bekerja pada arah yang berlawanan dengan gerakan partikel dalam fluida. Dalam hal ini gaya drag ke arah atas dan gerakan partikel ke bawah. Gaya seret ini disebabkan oleh adanya transfer momentum yang arahnya tegak lurus permukaan partikel dalam bentuk gesekan. Maka, dengan adanya drag force yang arahnya berlawanan dengan arah partikel ini akan menyebabkan gerakan partikel menjadi lambat karena semakin kecilnya gaya total ke bawah sehingga kecepatan pengendapan semakin turun (Geankoplis, C.J, 1993).
Sehingga hubungan antara kecepatan pengendapan dan konsentrasi dapat ditemukan. Berikut grafik hubungan antara kecepatan pengandapan dengan konsentrasi.
IV. Kesimpulan Dari percobaan yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Kecepatan pengendapan dari larutan suspensi CaCO3 225 gram adalah 0,0195 cm/s. 2. Kecepatan pengendapan dari larutan suspensi CaCO3 265 gram adalah 0,0165 cm/s. 3. Kecepatan pengendapan dari larutan suspensi CaCO3 305 gram adalah 0,0133 cm/s. 4. Semakin besar konsentrasi maka kecepatan pengendapan slurry semakin menurun.
40000 35000 ) m30000 p p25000 ( i s a 20000 r t n e15000 s n o10000 K
5000 0 0
0.01
0.02
0.03
waktu (detik) Kecepatan Sedimentasi
DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2013. Modul Operasi Teknik Kimia I. Surabaya : D3 Teknik Kimia FTI ITS. Droste, Ronald L. 1997. Theory and Practice of Water and Watewater Treatment . New York : John Wiley and Sons, Inc. Geankoplis, C.J. 2003. Transport Processes and Separation Process Principles. New Jesey : Prentice Hall.
Grafik 4. Perbandingan antara konsentrasi dan kecepatan pengendapan
Pada Grafik 4. menjelaskan bahwa semakin besar konsentrasi, maka kecepatan pengendapannya semakin menurun. Hal ini sesuai dengan literatur yang menyatakan bahwa dengan semakin besarnya konsentrasi, gaya gesek yang dialami partikel karena partikel lain semakin besar 5
Mc. Cabe. 1985. Unit Operations of Chemical Engineering. New York : Mc Graw-Hi’s.
6
