Jurnal Proses Kimia ABSORBSI GAS KARBONDIOKSIDA DENGAN LARUTAN NaOH Imam Noor Said,Irma Saputri,Muhammad Saputri,Muhammad Dawam Pamungkas
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jln. Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang, 50239, Telp/Fax: (024)7460058 Abstrak
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 CO 2 dengan NaOH bertujuan untuk mempelajari pengaruh laju alir NaOH terhadap jumlah CO 2 terserap, menentukan besar koefisien perpindahan massa pada proses absorbsi, dan menentukan waktu terhadap proses absorbsi. Pada percobaan ini, variabel tetapnya adalah konsentrasi NaOH sebesar 0,1 N, beda waktu pengambilan sampel, yaitu 1 menit dan tekanan operasi 1 atm, variable berubahnya laju alir NaOH 2 ml/menit; 4 ml/menit; 6 ml/menit. Percobaan ini diawali dengan membuat larutan NaOH 0,1 N 10 liter . Kemudian adalah proses absorbsi yaitu yaitu NaOH dipompa dan diumpankan pada bagian atas menara pada laju alir sesuai variabel, dan gas CO CO 2 dipompa melalui bagian bawah absorber. Larutan NaOH dan CO 2 dibiarkan saling kontak. Sebanyak 10 ml sampel diambil dari bagian dasar menara dengan interval 1 menit dan dianalisis kadar CO 32- dengan cara titrasi acidi alkalimetri.Dari hasil percobaan didapat bahwa semakin besar laju alir NaOH maka semakin banyak CO 2 yang terserap, dikarenakan semakin besarnya nilai koefisien koefisien transfer massa, sehingga daya serap terhadap CO CO 2 pun akan semakin besar. Semakin besar laju alir NaOH maka nilai Kga dan kLa juga semakin besar akibat meningkatnya transfer massa antar fase gas-cair antara CO 2 dan NaOH. Peningkatan laju alir juga akan meningkatkan nilai k 2, 2, karena laju alir yang tinggi menyebabkan terjadinya tumbukan yan g tinggi, sehingga konstanta laju reaksi meningkat. Kesimpulan dari percobaan ini adalah semakin besar laju alir NaOH maka nilai Kga, kLa k2, dan CO 2 yang terserap makin besar. Saran yang dapat diberikan antara lain larutan NaOH dialirkan sampai overflow sebelum dikontakkan dengan CO 2, dan laju alir CO2 sebaiknya dijaga agar tidak terlalu besar sehingga pengeluaran CO 2 dapat diminimalisir. Kata kunci: Absorbsi; Laju alir NaOH; CO 2; koefisien transfer massa Abstract
Absorption is a separation processes in the chemical industry where a gas mixture of mutual contacts with specific absorbent liquid temperature so that one or more components of the gas dissolved in the liquid. CO 2 Absorption experiments aimed to study the effect of NaOH flow rate on the amount of CO 2 absorbed, determine the coefficient of mass transfer on the absorption process, and determine the time of the absorption process. In this experiment, the variable is a fixed normality of NaOH 0,1 N, different sampling time, which is 1 minute and the operation pressure is 1 atm, the studied variables is the flow rate of NaOH (2 ml/minute; 4 ml/menit; 6 ml/menit). This experiment began with a solution of NaOH 0,1 N 10liters. Then is the process of absorbtion, the NaOH solution pumped and fed to the top of the tower with a flow rate according to the variable, and CO2 gas was delivered using a compressor through the bottom of the absorber. NaOH solution and CO2 allowed contact with each other. A total of 10 ml sample is taken from the base of the tower with a 1 minute intervals and analyzed levels of CO 32- titration by acidi-alkalimetry. From the experimental results obtained that the greater the flow rate of NaOH, the more CO 2 is absorbed, because the more high mass transfer coeficient, CO 2 will be more and more absorbed. The greater the flowrate of NaOH, the value kGa and kLa will be higher because mass transfer gas-liquid phase will be higher and the greater flowrate of NaOH, the value of k 2 will be higher because molecules collide go faster. The conclusion of our experiments is the greater flowrate of NaOH, the value kGa, kLa, k 2 , and the greater the CO2 absorbed. Advice given acquired include NaOH solution flows to overflow before It is contacted with CO 2 , and CO2 flow rate should be maintained so as not too big so that expenditures can be minimized CO2.. Keywords: Absorbtion; flowrate of NaOH; CO 2; mass transfer coefficient
Jurnal Proses Kimia 1.
Pendahuluan 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). Reaksi kimia dalam proses absorpsi dapat terjadi di lapisan gas, lapisan antarfase, lapisan cairan atau bahkan badan utama cairan, tergantung pada konsentrasi dan reaktifitas bahan-bahan yang direaksikan. Untuk memfasilitasi berlangsungnya tahapan-tahapan proses tersebut, biasanya proses absorpsi dijalankan dalam reactor tangki berpengaduk bersparger, kolom gelembung (bubble column) atau kolom yang berisi tumpukan partikel inert ( packed bed column). 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 H 2SO4, HCl, HNO3, formadehid dll(Coulson, 1996).Absorpsi gas CO2 dengan larutan hidroksid yang kuat merupakan proses absorpsi yang disertai dengan reaksi kimia order 2 antara CO 2 dan ion OH -membentuk ionCO 32dan H2O.Sedangkan reaksi antara CO 2 dengan CO32membentuk ion HCO3 biasanya diabaikan (Danckwerts, 1970; Juvekardan Sharma, 1972). Namun, menurut Rehmet al . (1963) proses ini juga biasa dianggap mengikuti reaksi order 1 jika konsentrasi larutan NaOH cukup rendah (encer). 2. Bahan dan Metode Penelitian (atau Pengembangan Model bagi yang Simulasi/Permodelan) Material: Bahan yang digunakan adalah NaOH 0,1 N, gas CO 2, udara, Aquadest, HCL 0,1 N, dan indikator PP dan MO. Alat yang Diperlukan: Alat yang digunakan adalah tabung CO2, kolom packing, tangki NaOH, pompa, manometer, kompresor, tabung penyampur, dan ember. Variabel Percobaa: a. Variabel tetap 1. Konsentrasi NaOH : 0,1 N 2. Suhu : 25 oC b. Variabel berubah Laju alir NaOH : 2 ml/ menit ; 4 ml/menit ; 6 ml/menit
Cara kerja: Percobaan ini diawali dengan membuat larutan induk NaOH dengan konsentrasi 0,1 N dengan menimbang 40 gram NaOH, dilarutkan dalam 10 liter aquadest, kemudian ditampung dalam tangki operasi. Langkah selanjutnya yaitu menentukan fraksi ruang kosong pada kolom absorbsi. Pastikan kran di bawah kolom absorpsi dalam posisi tertutup, alirkan larutan NaOH dari bak penampung 2 ke dalam kolom absorpsi, hentikan jika tinggi cairan di dalam kolom tepat setinggi tumpukan packing, keluarkan cairan dalam kolom dengan membuka kran di bawah kolom, tampung cairan tersebut dan segera tutup kran jika cairan dalam kolom tepat berada pada packing bagian paling bawah, catat volume cairan sebagai volume ruang kosong dalam kolom absorpsi (V void ), kemudian tentukan volume total kolom absorpsi, yaitu dengan mengkur diameter kolom (D) dan tinggi
tumpukan
packing
(H),
V T
D
2
4
. H
.
Selanjutnya fraksi ruang kosong kolom absorpsi dapat dihitung dengan rumus :
Vvoid
V T
Prosedur selanjutnya yaitu pengoperasian absorbsi, dengan cara NaOH 0,1 N dipompa dan diumpankan ke dalam kolom melalui bagian atas kolom pada laju alir tertentu hingga keadaan mantap tercapai, alirkan gas CO 2 melalui bagian bawah kolom. Ukur beda ketinggian cairan dalam manometer 1, manometer 2 dan manometer 3, manometer 4 jika aliran gas sudah steady, ambil 10 mL sampel cairan dari dasar kolom absorpsi tiap 1 menit selama 10 menit dan dianalisis kadar ion karbonat atau kandungan NaOH bebasnya, ulangi percobaan untuk nilai variabel kajian yang berbeda. Langkah terakhir adalah analisa sampel. Sebanyak 10 mL sampel cairan ditempatkan dalam gelas erlenmeyer 100 mL, tambahkan indikator fenol fthalein (PP) sampai merah jambu, dan titrasi sample dengan larutan HCl 0,1 N sampaiwarna merah hampir hilang (kebutuhan titran = a mL), maka mol HCl = a 0,1 mmol, tambahkan 2-3 tetes indikator metil jingga (MO), dan titrasi dilanjutkan lagi sampai warna
jingga berubah menjadi merah (kebutuhan titran=b mL), atau kebutuhan HCl = b 0,1 mmol, menentukan jumlah NaOH bebas = (2a b) 0,1 mmol di dalam 10 mL sampel dan konsentrasi NaOH bebas = (2a-b) 0,01 mol/L 3. Pembahasan Percobaan ini adalah bertujuan untuk mengetahui pengaruh laju alir NaOH terhadap jumlah CO2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi, pengsruh laju alir NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO 2 (kga dan kla), dan pengaruh laju alir NaOH terhadap nilai tetapan reaksi antar CO 2 dan NaOH (k 2). 3.1. Hubungan antara laju alir NaOH dengan jumlah CO2 yang terserap Dalam percobaan ini respon uji hasilnya adalah berupa jumlah CO 2 yang terserap, jumlah CO2 yang terserap ini berhubungan dengan laju alir NaOH sebagai variabel berubah. Hubungannya adalah sebagai berikut : 0,15 0,1
2
O C N 0,05
2 ml/s
0
6 ml/s
4 ml/s
0
10
20
Waktu (menit) Grafik 4.1 Grafik hubungan N CO 2 terhadap waktu
Gambar 4.1 diatas menunjukkan hubungan antara laju alir NaOH dengan CO2 yang terserap. Dari Gambar tersebut dapat dilihat bahwa pada laju alir terbesar yaitu 6 ml/menit jumlah CO 2 yang terserap paling banyak. Laju alir CO 2 yang masuk mempengaruhi koefisien perpindahan massa antara gas dan cairan, dimana semakin besar laju alir CO 2 yang masuk maka koefisien perpindahan massa antara gas dan cairan akan semakin besar pula. Koefisien perpindahan massa ini kemudian akan sangat mempengaruhi daya serap cairan terhadap komponen yang terdapat pada aliran gas, dalam hal ini CO 2. Dimana dari hasil yang diperoleh nampak bahwa semakin besar koefisien perpindahan massa antara gas dan cairan maka kadar CO2 yang diserap akan semakin banyak pula (Irianty,2009).
3.2. Hubungan antara Laju Alir NaOH dengan k Ga Dalam percobaan ini menggunakan 2 fase yaitu cair dan gas. Larutan NaOH adalah fase cairnya sedangkan gas CO 2 adalah fase gasnya. Oleh karena itu ada hubungan antara larutan NaOH dengan gas CO2 yang berupa koefisien perpindahan massa interfase gas (Kga), hubungannya dapat dilihat pada Gambar 4.2 berikut: 0,0002 3
0,00015
m / ) t0,0001 l i m n e ( 0,00005 a m g k 0
2
4
6
Laju Alir NaOH (ml/menit) Gambar 4.2 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH vs kga
Berdasarkan Grafik4.2 , Seiring dengan bertambahnya laju alir NaOH maka Nilai kGa pun akan cenderung naik. Hal ini disebabkan karena kenaikan laju alir NaOH akan meningkatkan koefisien perpindahan massa antar fase gas-cair. Hal ini terjadi karena disaat CO 2 dialirkan dalam keadaan steady, semakin cepat laju alir NaOH yang dialirkan dalam absorber akan mempercepat tumbukan yang terjadi antara partikel gas CO2dengan cairanNaOH. Salah satu faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi adalah tumbukan antar partikel. Sehingga makin cepat laju alir, akan semakin cepat terjadi tumbukan antar partikel, sehingga koefisien reaksi perpindahan massa gas-cair akan semakin besar. (Kumoro dan Hadiyanto, 2000) 3.3. Hubungan antara laju alir NaOH dengan Kla Selain hubungan dengan nilai Kga, ada pula hubungan antara laju alir NaOH dengan nilai Kla yang juga merupakan koefisien perpindahan massa interfase cair. Hubungannya terlihat dalam Gambar 4.3 berikut :
dikarenakan pada operasi absorbsi dengan variabel laju alir, semakin tinggi laju alir maka tumbukan yang tercipta juga semakin banyak/tinggi, dimana tumbukan ini merupakan faktor yang dapat menyebabkan terjadinya reaksi. Berdasarkan pada persamaan Arhenius :
8 ) 9 - 6 0 1 x 4 ( a L k 2
0 2
4
6
Laju Alir NaOH (ml/menit) Gambar 4.3 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH vs kLa
Pada Gambar 4.3. dapat dilihat bahwa nilai Kla naik seiring dengan meningkatnya laju alir NaOH. Hal ini dikarenakan semakin besar laju alir NaOH maka akan semakin banyak larutan NaOH yang masuk kedalam reaktor atau dengan kata lain semakin besar pula konsentrasi NaOH dalam larutan. Dengan besarnya konsentrasi NaOH maka semakin banyak pula gas CO2 yang mampu diabsorbsi ke dalam larutan, sehingga nilai Kla yang merupakan koefisien perpindahan massa gas-cair akan semakin besar. (Haryani dan Widayat, 2011) 3.4. Hubungan antara laju alir NaOH dengan k 2 Percobaan ini merupakan jenis absorpsi yang disertai reaksi kimia didalamnya. Reaksi kimia berjalan dengan konstanta kecepatan reaksi (k 2). Hubungan antara berbagai laju alir NaOH dengan nilai k 2 dapat dilihat melalui Gambar 4.4 berikut:
0,1 ) t i n 0,08 e m l 0,06 o m / l 0,04 m ( 2 0,02 k 0
−
= ×
. Nilai k dipengaruhi oleh adanya A, A merupakan faktor tumbukan dari larutan NaOH. Semakin besar nilai A maka nilai k juga semakin besar dan sebaliknya. (Tim Penyusun Buku Petunjuk Praktikum Proses Kimia Esterifikasi Teknik Kimia Universitas Diponegoro, 2014).
4. Kesimpulan 1. Semakin besar laju alir NaOH maka jumlah CO2 yang terserap semakin banyak, hal itu dikarenakan koefisien perpindahan massa yang semakin besar akan meningkatkan daya serap cairan terhadap komponen yang terdapat pada aliran gas CO 2 2. Semakin besar laju alir NaOH, nilai Kga akan semakin besar akibat meningkatnya transfer massa antar fase gas antara CO 2 dan NaOH. 3. Semakin besar laju alir NaOH, nilai Kla akan semakin besar karena laju alir NaOH yang tinggi menyebabkan konsentrasi NaOH cepat meningkat, sehingga transfer massa fase cair antara CO 2 dan NaOH menjadi lebih banyak. 4. Semakin besar laju alir NaOH, nilai k 2 akan semakin besar karena laju alir yang tinggi menyebabkan tumbukan yang lebih banyak, sehingga laju reaksinya makin meningkat. Daftar Pustaka Coulson, J.M. dan Richardson, J.F. 1996. Chemical Engineering: Volume 1: Fluid flow, heat th
2
4
6
Laju alir NaOH (ml/menit) Grafik 4.4 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH vs Konstanta k2
Pada Gambar diatas dapat dilihat hubungan antara laju alir NaOH dengan nilai k 2. Dari Gambar diatas dapat dilihat bahwa Gambar cenderung naik. Hal ini
transfer and mass transfer, 5 ed . Butterworth Heinemann, London, UK. Danckwerts, P.V. dan 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. 32:S49-S52. Danckwerts, P.V. 1970. Gas Liquid Reactions. McGraw-Hill Book Company, Inc. New York, pp. 42-44,
Franks, R.G.E., 1967. Mathematical modeling in chemical engineering . John Wiley and Sons, Inc. New York, NY, USA, pp. 4-6. Higbie, R., 1935. The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short period of exposure. Transaction of the Institution of Chemical Engineers, 31,365-388. Irianty, Rozanna. 2009. Pengaruh Laju Alir GAS dan Konsentrasi Sorben terhadap Fluks CO 2 pada Absorbsi Gas CO2 Menggunakan Kontraktor Membran Hallow Fiber . Jurnal Sains dan Teknologi 8 (2), 83-87. Juvekar, V. A. dan Sharma, M.M. 1972. Absorption of CO, in a suspension of lime. Chemical Engineering Science , 28, 825-837. Julisyah, Fajri. 2010. Analisa Pengaruh Temperatur terhadap Poses Penyerapan H 2S di dalam Amine Contactor HESS Indonesia-Pangkah Limited . Jurnal Institut Teknologi Sepuluh November. Kristinah Haryani dan Widayat. 2011. Pengaruh Viskositas Dan Laju Alir Terhadap Hidrodinamika Dan Perpindahan Massa Dalam Proses Produksi Asam Sitrat Dengan Bioreaktor Air-Lift Dan Kapang Aspergilus
Niger. Jurnal Reaktor, Vol 13. (14 Mei 2013 15.20) Kumoro dan Hadiyanto. 2000. Absorpsi Gas Karbondioksid dengan Larutan Soda Api dalam Unggun Tetap. Forum Teknik, 24 (2), 186-195. Levenspiel, O., 1972. Chemical reaction nd
engineering, 2 ed . John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, USA, pp. 210-213, 320-326. Olutoye, M. A. dan Mohammed, A. 2006. Modelling of a Gas-Absorption Packed Column for Carbon Dioxide-Sodium Hydroxide System . African Union Journal of Technology, 10(2),132-140 Rehm, T. R., Moll, A. J. and Babb, A. L., 1963. Unsteady State Absorption of Carbon Dioxide by Dilute Sodium Hydroxide Solutions . American Institute of Chemical Engineers Journal, 9(5), 760-765. 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, (Part A) 70, 459 – 464.
