PENGARUH LAJU ALIR NaOH TERHADAP JUMLAH CO 2 TERSERAP, TETAPAN PERPINDAHAN MASSA CO 2 FASE GAS DAN FASE CAIR, TETAPAN REAKSI PADA PROSES ABSORBSI GAS CO 2 *
Detian Indah Pratiwi , Hanny Dian Mentari ) , Muhammad Thariq Farsha Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang Jl. Prof Soedarto – Soedarto – 50239 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058
Ab A bstr str ak Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas saling kontak dengan suhu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Percobaan absorbsi CO2 dengan NaOH bertujuan untuk mempelajari pengaruh laju alir NaOH terhadap jumlah CO2 terserap, menentukan besar koefisien perpindahan massa pada proses absorbsi, dan tetapan laju reaksi CO2 dan NaOH. Pada percobaan ini variabel tetap yang digunakan adalah tekanan CO 2 6 bar, suhu o 30 C, konsentrasi HCl 0,5 N dan NaOH 0,45 N. Sedangkan variabel berubahnya adalah laju alir NaOH, 2,5; 5; 7,5 ml/detik. Dari hasil percobaan didapatkan hasil semakin besar laju alir NaOH maka semakin besar CO 2 yang terserap. Semakin besar laju alir NaOH maka nilai K Ga dan K La akan semakin kecil. Selain itu, semakin besar laju alir NaOH, nilai K 2 akan semakin besar
K ata ata kunci : Absorbsi, jumlah CO2 yang terserap, k Ga, k La, laju alir NaOH
Ab A bstr str act Absorption is a separation process in the chemical industry where a gas mixture in contact with the liquid absorbing certain temperature so that one or more components of the gas dissolved in the liquid. CO2 absorption experiments with NaOH aims to study the effect of the flow rate of NaOH on the amount of CO 2 absorbed, determine the mass transfer coefficient in the absorption process, and the reaction rate constants of CO2 and NaOH. In this experiment remain variable used is the CO 2 pressure of 6 bar, b ar, temperature 30° C, the concentration of 0.5N HCl and NaOH 0.45 N. While the variable is the change in flow rate of NaOH, 2,5; 5; 7,5 ml /second. The experimental results showed that if the flow rate of NaOH is higher. If the flow rate of NaOH is higher, the value of k Ga and k La will Decreased will Decreased . Moreover, if the flow rate of NaOH is higher
K eywo eyworr ds : Absorption, CO 2 absorbed, , k Ga, k La, the flow rate of NaOH. 1.
Pendahuluan
Hampir semua reaksi kimia yang diterapkan dalam industri kimia melibatkan bahan baku yang berbeda wujudnya, baik berupa padatan, gas maupun cairan. Absorpsi gas-cair merupakan proses heterogen yang melibatkan perpindahan komponen gas yang dapat larut menuju penyerap yang biasanya berupa cairan yang tidak mudah menguap (Franks, 1967). Proses absorpsi gas-cair dapat diterapkan pada pemurnian gas sintesis, recovery beberapa gas yang masih bermanfaat dalam gas buang atau bahkan pada industri yang melibatkan pelarutan gas dalam cairan, seperti H2SO4, HCl, HNO 3, formadehid dll (Coulson, 1996). Perancangan reaktor kimia dilakukan berdasarkan pada permodelan hidrodinamika
----------------------------------------------------------------------------------*) Penulis Koresponsdensi Emai Emaill : hann hanndm dmen entt mail. ail.co com m
reaktor dan reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Pada percobaan ini dipelajari bagaimana pengaruh pengaruh laju alir NaOH (atau CO 2) terhadap jumlah CO 2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi, pengaruh laju alir NaOH (atau CO 2) terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO 2 (k (k Ga), pengaruh laju alir NaOH (atau CO 2) terhadap nilai tetapan reaksi antara CO 2 dan NaOH (k ( k 2), hubungan CO 2 yang terserap terhadap waktu. Setelah melakukan percobaaan, diharapkan mahasiswa mampu membandingkan pengaruh laju alir NaOH (atau CO 2) terhadap jumlah CO 2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi, pengaruh laju alir NaOH (atau CO 2) terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO 2 (k Ga), pengaruh laju alir NaOH (atau CO2) terhadap nilai tetapan reaksi antara CO2 dan NaOH (k ( k 2), hubungan CO 2 yang terserap terhadap waktu. Aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO 2 pada pabrik Amonia seperti yang terlihat pada gambar berikut.
k GA
mol (CO2 , liq liq ) A. Z . . plm .
2
mol (CO3 ) A. Z . . plm .
Jika tekanan operasi cukup rendah, maka plm dapat didekati dengan p = p = p pin-pout . Jika laju reaksi pembentukan Na 2CO3 jauh lebih besar dibandingkan dengan laju difusi CO 2 ke dalam larutan NaOH, maka konsentrasi CO 2 pada batas film cairan dengan badan cairan cairan adalah nol. Gambar 1. Proses Absorpsi dan Desorpsi CO 2 Pabrik Amonia Proses absorpsi dapat dilakukan dalam tangki berpengaduk yang dilengkapi dengan sparger, kolom gelembung (bubble column), atau dengan kolom yang berisi packing yang inert (packed column) atau piringan (tray column). Pemilihan peralatan proses absorpsi biasanya didasarkan pada reaktifitas reaktan (gas dan cairan), suhu, tekanan, kapasitas, dan ekonomi. Secara umum, proses absorpsi gas CO 2 ke dalam larutan NaOH yang disertai reaksi kimia berlangsung melalui empat tahap, yaitu perpindahan massa CO2 melalui lapisan gas menuju lapisan antar fase gas-cairan, kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam fase larutan, perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke badan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO 2 terlarut dengan gugus hidroksil (OH ). Skema proses tersebut dapat dilihat pada Gambar 2. Gas bulk flow
Gas film film
pg
Li . film film
Li . bul bulk k flo flow w
pai
2.
Bahan dan Metode Penelitian Melakukan percobaan dengan memompa NaOH 0,45 N dan mengumpankannya ke dalam kolom melalui bagian atas kolom pada laju alir tertentu hingga keadaan mantap tercapai. Mengalirkan gas CO 2 melalui bagian bawah kolom. Mengukur beda ketinggian cairan dalam manometer 1, manometer 2 dan manometer 3, manometer 4 ketika aliran gas sudah steady. steady. Mengambil 10 mL sampel cairan dari dasar kolom absorpsi tiap 1 menit selama 10 menit dan menganalisis kadar ion karbonat atau kandungan NaOH bebasnya. Melakukan percobaan p ercobaan yang sama untuk nilai variabel kajian yang berbeda. Menempatkan sebanyak 10 mL sampel cairan dalam gelas erlenmeyer 100 mL. Menambahkan indikator fenol fthalein (PP) sampai merah jambu, dan menitrasi sampel dengan larutan HCl 0,5 N sampai warna merah hampir hilang (kebutuhan titran = a mL), maka mol HCl = a 0,1 mmol. Menambahkan 2-3 tetes indikator metil jingga (MO), dan menitrasi lagi hingga warna jingga berubah menjadi merah (kebutuhan titran = b mL), atau kebutuhan HCl = b 0,1 mmol. Jumlah NaOH bebas = (2a-b) 0,1 mmol di dalam 10 mL sampel. Konsentrasi NaOH bebas = (2a-b) 0,01 mol/L.
A*
Gambar 2. Mekanisme absorpsi gas CO 2 dalam larutan NaOH Laju perpindahan massa CO 2 melalui lapisan gas:
Ra
kg a( pg
pa i)
Kesetimbangan antara CO 2 dalam fase gas dan dalam fase larutan :
A* H . pai
dengan H pada suhu 30 oC = 2,88 10 -5 g mole/cm3. atm. Secara teoritik, nilai k Ga Ga harus memenuhi persamaan:
Gambar 3 Rangkaian Alat Utama 3. Hasil dan Pembahasan Pengaruh Laju Alir NaOH Terhadap Jumlah CO2 Yang Terserap Tiap Waktu
Secara umum jumlah CO 2 yang terserap berdasarkan hasil yang diperoleh dari percobaan cenderung mengalami penurunan seiring berlangsungnya proses absorbsi. nCo2 terserap (mol/L) 2,5 ml/s 5 ml/s 7,5 ml/s 0.1 0.105 0.1 0.09 0.11 0.095 0.095 0.1 0.1 0.09 0.105 0.09 0.085 0.1 0.09 0.085 0.105 0.085 0.085 0.1 0.075 0.08 0.095 0.07 0.075 0.085 0.065 0.075 0.085 0.065 0.065 0.08 0.065 0.065 0.07 0.055
Waktu (menit)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Rata 0.0825 0.095 0.079583 rata Tabel 4.1 Pengaruh laju alir NaOH terhadap nCO 2 yang terserap tiap waktu Kemudian, setelah didapatkan data dalam bentuk tabel maka data tersebut dapat dipresentasi kembali dalam bentuk grafik, sebagai berikut 0,15
g n a y 0,1 2 O p C a i r 0,05 s e s a r r t e n T e 0 s n 0 o K
5
10
Waktu (menit) 2,5 ml/detik
15
5 ml/detik
7,5 ml/detik
Gambar 4.Pengaruh laju alir NaOH terhadap Jumlah CO2 yang terserap tiap waktu Grafik di atas menunjukkan jumlah konsentrasi CO2 yang diserap larutan NaOH pada berbagai waktu untuk masing-masing variabel laju alir. Ketiga kurva memiliki kecenderungan yang sama, yaitu semakin lama waktu reaksi maka semakin sedikit CO 2 yang terserap. Hal ini dikarenakan pada operasi absorbsi dengan laju alir besar, waktu kontak antara NaOH dengan CO 2 untuk jumlah molekul yang sama akan semakin kecil. Waktu kontak yang singkat ini menyebabkan transfer massa yang terjadi lebih sedikit dan jumlah CO2 yang terserap juga lebih sedikit (Maarif dan F., 2009). Pengaruh laju alir NaOH terhadap k Ga Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan nilai k Ga akan mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya laju alir NaOH namun pada
variabel 1 terdapat penyimpangan dimana nilai k Ganya lebih kecil daripada variabel 2 Tabel 4.2 Pengaruh laju alir NaOH terhadap k Ga Laju alir NaOH k Ga 3 (ml/s) (mol/m .Pa) 2.5 0.000109 5 0.000125 7.5 0.000105 Kemudian, setelah didapatkan data dalam bentuk tabel maka data tersebut dapat dipresentasi kembali dalam bentuk grafik, sebagai berikut 1,30E-04
) a 1,25E-04 P . 3 1,20E-04 m / 1,15E-04 l o 1,10E-04 m ( 1,05E-04 a G1,00E-04 K
0
2
4
6
8
Laju Alir NaOH (ml/detik)
Gambar 5. Pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai kGa Grafik pada gambar 5 menunjukkan bagaimana laju alir NaOH mempengaruhi nilai konstanta perpindahan massa pada fase gas ( k Ga). Pada laju alir NaOH 2,5 ml/detik nilai k Ga adalah sebesar 0.000109, pada laju alir NaOH 5 ml/detik nilai k Ga adalah sebesar 0.000125, dan pada laju alir NaOH 7 ml/detik nilai k Ga adalah sebesar 0.000105. Laju alir larutan NaOH yang semakin besar membuat nilai k Ga menjadi semakin kecil. Hal ini disebabkan karena laju alir yang cepat membuat waktu kontak antara larutan NaOH dan gas CO2 menjadi lebih singkat sehingga absorpsi gas CO2 juga menjadi lebih sedikit (Park, dkk., 2004). Namun pada variabel 1 terdapat penyimpangan dimana nilai k Ga-nya a-nya lebih kecil daripada variable 2. Hal ini kemungkinan disebabkan karena terjadinya maldistribusi cairan dalam kolom. Maldistribusi cairan ini dapat menurunkan efisiensi perpindahan massa sehingga menyebabkan nilai k Ga-nya a-nya menjadi lebih rendah (Yin, 1999). Pengaruh laju alir NaOH terhadap k La Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan nilai k La akan mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya laju alir NaOH. NaOH. Tabel 4.3 Pengaruh laju alir NaOH terhadap k La
Q NaOH (ml/detik)
K La (m3/detik)
2.5
1.61E-06
5
1.78E-06
7.5
1.40E-06
Kemudian, setelah didapatkan data dalam bentuk tabel maka data tersebut dapat dipresentasi kembali dalam bentuk grafik, sebagai berikut
) 2,70E-11 k i t e 2,65E-11 d . l o 2,60E-11 m / L ( 2,55E-11 k
) 2,00E-06 k i t 1,80E-06 e d / 1,60E-06 3 m1,40E-06 ( a l k 1,20E-06
0
2
4
6
8
Laju alir NaOH 0
2
4
6
8
Laju alir NaOH (ml/detik)
Gambar 6. Pengaruh laju alir NaOH terhadap k La Grafik pada gambar 6 menunjukkan bagaimana laju alir NaOH mempengaruhi nilai konstanta perpindahan massa pada fase cair ( k La). Pada laju alir NaOH 2,5 ml/detik nilai k La adalah sebesar 1,61x10 -6 , pada laju alir NaOH 5 ml/detik nilai k La adalah sebesar 1,78x10 -6, dan pada laju alir NaOH 7 ml/detik nilai k La adalah sebesar 1,4x10-6. Laju alir larutan NaOH yang semakin besar membuat nilai k La menjadi semakin kecil. Hal ini disebabkan karena laju alir yang cepat membuat waktu kontak antara larutan NaOH dan gas CO 2 menjadi lebih singkat sehingga absorpsi gas CO 2 juga menjadi lebih sedikit (Park, dkk., 2004). Namun pada variabel 1 terdapat penyimpangan dimana nilai k La-nya a-nya lebih kecil daripada variabel 2. Hal ini kemungkinan disebabkan karena terjadinya maldistribusi cairan dalam kolom. Maldistribusi cairan ini dapat menurunkan efisiensi perpindahan massa sehingga menyebabkan nilai k La-nya a-nya menjadi lebih rendah (Yin, 1999). Pengaruh Laju Alir NaOH terhadap k 2 Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan nilai k 2 mengalami kenaikan seiring dengan semakin besarnya laju alir NaOH.
Tabel 4.4 Pengaruh laju alir NaOH terhadap k 2 Q NaOH (ml/detik)
k (L/mol.detik)
2.5
2,59E-11
5
2,67E-11
7.5
2,56E-11
Kemudian, setelah didapatkan data dalam bentuk tabel maka data tersebut dapat dipresentasi kembali dalam bentuk grafik, sebagai berikut
Gambar 7. Pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai k 2. 2. Dari grafik di atas, dapat diketahui pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai konstanta kecepatan reaksi (k (k ). ). Pada laju alir 2,5 m/detik, nilai k adalah adalah -11 sebesar 2,59 x 10 , pada laju alir 5 ml/detik, nilai adalah sebesar 2,67 x 10 -9, dan pada laju alir 7,5 k adalah ml/detik, nilai k adalah adalah sebesar 2,56 x 10 -8. Semakin cepat laju alir NaOH, maka nilai k akan semakin kecil karena waktu kontak yang semakin singkat menyebabkan sedikitnya massa CO2 yang berpindah fase. Karena terdapat lebih dari satu fase zat yang bereaksi, maka perpindahan massa dari fase ke fase harus dipertimbangkan dalam persamaan kecepatan reaksi (Levenspiel, 1999). Oleh karena itu, semakin sedikitnya CO 2 yang terserap akan menyebabkan semakin kecilnya nilai k . Namun pada variabel 1 terdapat penyimpangan dimana nilai k-nya k-nya lebih kecil daripada variabel 2. Hal ini kemungkinan disebabkan karena terjadinya maldistribusi cairan dalam kolom. Maldistribusi cairan ini dapat menurunkan efisiensi perpindahan massa sehingga menyebabkan nilai k-nya k-nya menjadi lebih rendah (Yin, 1999).
4.
Kesimpulan Pada percobaan ini dapat disimpulkan bahwa semakin besar laju alir NaOH, maka CO 2 yang terserap semakin sedikit. Semakin besar laju alir NaOH, maka nilai konstanta perpindahan massa gas dan cair semakin kecil. Semakin besar laju alir NaOH, maka nilai konstanta kecepatan reaksi k 2 semakin kecil. Daftar Pustaka
Coulson, J. M., & Richardson, J. F. (1996). Chemical Engineering: Volume 1: Fluid flow, heat transfer and mass transfer (5th ed.). London: Butterworth Heinemann. Danckwerts, P. V. (1970). Gas Liquid Reactions (5th ed.). New York: McGraw-Hill Book Company, Inc. Danckwerts, P. V., & Kennedy, B. E. (1954). Kinetics of liquid-film process in gas absorption. Part I: Models of the absorption process. Transaction of the Institution of Chemical Engineers, Engineers , 32, S49 – S52. S52.
Franks, R. G. E. (1967). Mathematical modeling in chemical engineering . New York: John Wiley and Sons, Inc. Juvekar, V. A., & Sharma, M. . (1972). Absorption of CO, in suspension of lime. Chemical Engineering Science, Science, 28, 825 – 837. 837. Kumoro, A.C. & Hadiyanto. (2000). Absorpsi Gas Karbondioksid dengan Larutan Soda Api dalam Ungun Tetap, Tetap , 24(2), 186 – 195. 195. Levenspiel, O. (1972). Chemical Reaction Engineering. Chemical Engineering Science (2nd ed., Vol. 19). New York: John Wiley and Sons, Inc. http://doi.org/10.1016/00092509(64)850 17-X Maarif, F. & Januar A. F. (2009). (2009) . “Absorbsi Gas Karbondioksida (CO 2) dalam Biogas dengan Larutan NaOH secara Kontinyu” Park, Sung-Youl, Sung-Youl, et al. (2004). “Absorption Characteristic of Continuous CO 2 Absorption Process”. Prepr. Process”. Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. ,49 (1), 249-250 Rehm, T. R., Moll, A. J., & Babb, A. L. (1963). Unsteady State Absorption ofCarbon Dioxide by Dilute Sodium Hydroxide Solutions. American Institute of Chemical Engineers Journal , 9(5), 760 – 765. 765. Yin, F. (1999). “Liquid Maldistribution dan Mass Transfer Efficiency in Randomly Packed Distillation Columns”. University of Alberta Zheng, Y. and Xu, X. (1992), Study on catalytic distillation processes. Part I. Mass transfer characteristics in catalyst bed within the column, Transaction of the Institution of Chemical Engineers, Engineers, (Part A) 70, 459 – 459 – 464. 464.
