INTISARI
Dalam industri, gas-gas pencemar seperti karbonmonoksida ataupun H2S harus diserap agar tidak teremisi ke udara luar. Gas karbondioksida meskipun kurang begitu berbahaya dapat menyebabkan efek rumah kaca yang dapat menyebabkan pemanasan global. Dalam pabrik amoniak, gas karbondioksida dapat meracuni katalis besi pada reaktor amoniak. Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Dalam percobaan ini digunakan larutan NaOH sebagai cairan penyerap untuk mengabsorbsi gas CO2 dan packing tower sebagai alat absorbsi dengan packing jenis rashig rings berdiameter 1 inch. Variabel pada percobaan ini adalah konsentrasi larutan NaOH yaitu 0.3 N; 0,2 N; 0,1 N. Laju alir NaOH adalah 2ml/detik. Setelah menghitung fraksi kosong pada kolom absorbsi, dianjutkan operasi absorbsi CO2 ke alam larutan NaOH kemudian analisis larutan sampel dengan titrasi acidi alkalimetri. Dari hasil percobaan didapatkan hasil semakin besar konsentrasi NaOH maka semakin besar CO2 yang terserap, dikarenakan semakin banyak jumlah molekul NaOH yang dapat mengikat CO2, sehingga CO2 pun akan semakin banyak terserap. Semakin besar konsentrasi NaOH maka nilai Kla dan nilai Kga akan semakin besar, hal tersebut dikarenakan semakin banyaknya CO2 yang terserap. Selain itu, semakin besar konsentrasi NaOH, nilai K 2 akan semakin besar sesuai dengan persamaan Arrhenius. CO2 yang terbentuk semakin banyak lalu menuju konstan seiring dengan berjalannya waktu operasi. Kesimpulan dari percobaan ini adalah semakin besar konsentrasi NaOH maka nilai Kla, Kga dan K 2 akan semakin besar serta CO2 yang terserap akan semakin banyak. Saran yang dapat diberikan antara lain penggunaan valve yang baik sehingga mudah dalam pengaturan laju alir, menjaga valve sehingga dapat memperoleh laju alir yang konstan dan melakukan titrasi dengan teliti sesuai dengan warna yang diperoleh.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Hampir semua reaksi kimia yang diterapkan dalam industri kimia melibatkan bahan baku yang berbeda wujudnya, baik berupa padatan, gas maupun cairan. Oleh karena itu, reaksi kimia dalam suatu industri dapat terjadi dalam fase ganda atau heterogen, misalnya biner atau bahkan tersier (Coulson, 1996). Walaupun terdapat perbedaan wujud pada bahan-bahan baku yang direaksikan, namun terdapat satu fenomena yang selalu terjadi. Sebelum reaksi kimia berlangsung. Maka salahsatu atau lebih bahan baku (reaktan) akan berpindah dari aliran utamanya menuju ke lapisan antarfase/batas atau menuju aliran utama bahan baku yang lain yang berada di fase yang berbeda. 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, kolomg elembung (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 bahk an pada industri yang melibatkan pelarutan gas dalam cairan, seperti H2SO4, 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 CO2 dan ion OH-membentuk ionCO32-dan H2O.Sedangkan reaksi antara CO2 dengan CO32- membentuk ion HCO3-biasanya diabaikan (Danckwerts, 1970; Juvekar dan Sharma, 1972). Namun, menurut Rehmet al . (1963) proses ini juga biasa dianggap mengikuti reaksi order 1 jika konsentrasi larutan NaOH cukup rendah (encer). Perancangan reaktor kimia dilakukan berdasarkan pada permodelan hidrodinamika reaktor dan reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Suatu model matematika merupakan bentuk 1
penyederhanaan dari proses sesungguhnya di dalam sebuah reaktor yang biasanya sangat rumit (Levenspiel, 1972). Reaksi kimia biasanya dikaji dalam suatu proses batch berskala laboratorium dengan mempertimbangkan kebutuhan reaktan, kemudahan pengendalian reaksi, peralatan, kemudahan menjalankan reaksi dan analisis, dan ketelitian.
1.2 Perumusan Masalah 1. Bagaimana pengaruh konsentrasi NaOH (atau CO2) terhadap jumlah CO2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi? 2. Bagaimana pengaruh konsentrasi NaOH (atau CO2) terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 fase gas (kGa)? 3. Bagaimana pengaruh konsentrasi NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 fase cair (kLa)? 4. Bagaimana pengaruh konsentrasi NaOH (atau CO2) terhadap nilai tetapan reaksi antara CO2 dan NaOH (k 2)? 1.3 Tujuan Percobaan 1. Setelah melakukan percobaan ini, mahasiswa mampu menjelaskan mengenai beberapa hal berikut: 2. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap jumlah CO2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi. 3. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 fase gas (kGa). 4. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 fase cair (kLa). 5. Pengaruh konsentrasi NaOH terhadap nilai tetapan reaksi antara CO2 dan NaOH (k 2). 1.4 Manfaat Percobaan 1. Mengetahui pengaruh konsentrasi NaOH (atau CO2) terhadap jumlah CO2 yang terserap pada berbagai waktu reaksi. 2. Mengetahui pengaruh konsentrasi NaOH (atau CO2) terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 fase gas (kGa). 3. Mengetahui pengaruh konsentrasi NaOH terhadap nilai tetapan perpindahan massa CO2 fase cair (kLa). 4. Mengetahui pengaruh konsentrasi NaOH (atau CO2) terhadap nilai tetapan reaksi antara CO2 dan NaOH (k 2).
2
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Absorbsi
Absorbsi merupakan salah satu proses separasi dalam industri kimia dimana suatu campuran gas dikontakkan dengan suatu cairan penyerap tertentu sehingga satu atau lebih komponen gas tersebut larut dalam cairannya. Absorbsi dapat terjadi melalui dua mekanisme, yaitu absorbsi fisik dan absorbsi kimia. Absorbsi fisik merupakan suatu proses yang melibatkan peristiwa pelarutan gas dalam larutan penyerap, namun tidak disertai dengan reaksi kimia. Contoh proses ini adalah absorbsi gas H2S dengan air, methanol, propilen karbonase. Penyerapan terjadi karena adanya interaksi fisik. Mekanisme proses absorbsi fisik dapat dijelaskan dengan beberapa model, yaitu: teori dua lapisan (two films theory) oleh Whiteman (1923), teori penetrasi oleh Dankcwerts dan teori permukaan terbaharui. Absorbsi kimia merupakan suatu proses yang melibatkan peristiwa pelarutan gas dalam larutan penyerap yang disertai dengan reaksi kimia. Contoh peristiwa ini adalah absorbsi gas CO2 dengan larutan MEA, NaOH, K2CO3 dan sebagainya. Aplikasi dari absorbsi kimia dapat dijumpai pada proses penyerapan gas CO2 pada pabrik Amonia seperti yang terlihat pada gambar 2.1
Gambar 2.1.Proses absorpsi dan desorpsi CO2 dengan p elarut MEA di 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
3
(packed column) atau piringan (tray column). Pemilihan peralatan proses absorpsi biasanya didasarkan pada reaktifitas reaktan (gas dan cairan), suhu, tekanan, kapasitas, dan ekonomi.
2.2 Analisis Perpindahan Massa dan Reaksi dalam Proses Absorpsi Gas oleh Cairan
Secara umum, proses absorpsi gas CO2 kedalam larutan NaOH yang disertai reaksi kimia berlangsung melalui empat tahap, yaitu perpindahan massa CO2 melalui lapisan gas menuju lapisan antarfase gas-cairan, kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam faselarutan, perpindahan massa CO2 dari lapisan gas kebadan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil (OH-). Skema proses tersebutdapatdilihat pada Gambar 2. 2.
Gambar2.2.Mekanismeabsorpsi gas CO2dalamlarutanNaOH Laju perpindahan massa CO2 melalui lapisan gas:
Kesetimbangan antara CO2 dalam fase gas dan dalam fase larutan :
-5 g mole/cm3. atm. Laju perpindahan massa CO2 dari lapisan gas ke badan utama larutan NaOH dan reaksi antara CO2 terlarut dengan gugus hidroksil: 4
Di fase cair,reaksi antara CO2 dengan larutan NaOHterjadi melalui beberapa tahapan proses:
Langkah d dan e biasanya berlangsung dengan sangat cepat, sehingga proses absorpsi biasanya dikendalikan oleh peristiwa pelarutan CO2 ke dalam larutan NaOH terutama jika CO2 diumpankan dalam bentuk campuran dengan gas lain ataudikendalikan bersama-sama dengan reaksi kimia pada langkah (Juvekar dan Sharma, 1973).
5
Dengan
φ
adalah enhancement faktor yang merupakan rasio antara koefisien transfer
massa CO2 pada fase cair jika absorpsi disertai reaksi kimia dan tidak disertai reaksi kimia seperti dirumuskan oleh Juvekar dan Sharma (1973 ):
Nilai diffusivitas efektif ( DA) CO2 dalam larutan NaOH pada suhu 30oC adalah 2,1 10-5 cm2/det (Juvekardan Sharma, 1973). NilaikGa dapat dihitung berdasarkan pada absorbsi fisik dengan meninjau perpindahan massa total CO2 ke dalam larutan NaOH yang terjadi pada selang waktu tertentu di dalam alat absorpsi. Dalam bentuk bilangan tak berdimensi, kGa dapat dihitung menurut persamaan (Kumoro dan Hadiyanto, 2000):
6
Jika laju reaksi pembentukan Na2CO3 jauh lebih besar dibandingkan dengan laju difusi CO2 ke dalam larutan NaOH, maka konsentrasi CO2 pada batas film cairan dengan badan cairan adalah nol. Hal ini disebabkan oleh konsumsi CO2yang sangatcepat selama reaksi sepanjang film. Dengan demikian, tebal film (x) dapat ditentukan persamaan:
7
BAB III PELAKSANAAN PERCOBAAN 3.1
Bahan dan Alat yang Digunakan
1. Bahan yang digunakan a. Kristal Natrium Hidroksida (NaOH) b. CairanGas Karbondioksida (CO2) yang disimpan di tabung bertekanan c. Udara d. Aquadest (H2O) e. Reagent untuk analisis yaitu larutan HCl 0,1 N dan indikator PP dan MO 2. Alat yang digunakan Rangkaian alat praktikum absorbsi terlihat pada gambar 3 .1
Gambar 3.1 Rangkaian Alat Utama
8
3.2
Variabel Operasi
a. Variabel tetap 1. Tekanan CO2
: 6 bar
2. Suhu
: Suhu ruang
3. Laju alir NaOH
: 2 mL/detik
4. Konsentrasi HCl : … N b.
Variabel berubah Konsentrasi NaOH
3.3
:…N
Respon Uji Hasil
Konsentrasi ion CO32- dalam larutan sampel dan CO2 yang terserap
3.4
Prosedur Percobaan
1. Membuat larutan induk NaOH dengan konsentrasi ... N sebanyak 10 L
Menimbang … gr NaOH
Dilarutkan dalam aquadest sebanyak 10 L
Larutan NaOH ditampung dalam tangki untuk dioperasikan
2. Menentukan fraksi ruang kosong pada kolom absorpsi
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 .
9
10
BAB IV PEMBAHASAN IV.1
Hasil Percobaan
Berdasarkan data-data percobaan yang diperoleh dari praktikum, maka hasil percobaan kami dapat disajikan dalam bentuk tabel sebagai berikut :
Tabel 4.1. Data laju alir NaOH, jumlah CO2 yang terserap, nilai k Ga dan k la Konsentrasi NaOH (N) 0.3 0.2 0.1
k Ga (mol/m3Pa)
k la (mol/m3Pa)
k 2 (mol/m3Pa)
CO2 yang terserap (mol)
0,0178 0,00998 0,00599
8,0996.10-9 3,0863.10-9 1,3175.10-9
4,0746.1018 1,0295.1018 3,156.1017
1.1919 1.078 0.647
Tabel 4.2. Data perbandingan waktu dan jumlah CO2 yang terserap Waktu (menit) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
IV.2
0.3 N
CO2 yang terserap 0.2N
0.1N
0.08 0.155 0.25 0.19 0.167 0.173 0.18 0.183 0.18 0.178 0.183
0.095 0.096 0.104 0.098 0.099 0.098 0.092 0.098 0.106 0.092 0.1
0.065 0.071 0.054 0.053 0.059 0.054 0.058 0.061 0.055 0.056 0.061
Pembahasan
1. Pengaruh Konsentrasi NaOH terhadap CO 2 yang Terserap pada Berbagai Waktu
Berdasarkan data hasil percobaan, volume HCl yang dibutuhkan sebagai titran semakin meningkat dengan semakin tingginya konsentrasi NaOH. Semakin banyaknya 11
volume HCl yang dibutuhkan untuk titrasi menunjukan titrat semakin basa. Titrat disini merupakan larutan NaOH 0,3 N: 0,2 N; 0,1 N yang telah bereaksi dengan CO2 pada kolom absorber. Terjadi proses absorbsi CO2 ke dalam larutan NaOH yang mempunyai gugus hidroksil (OH-). Mekanisme reaksinya adalah sebagai berikut:
Gambar 4.1 Grafik Hubungan CO2 yang Terserap dan Waktu dalam Berbagai Konsentrasi Gambar 4.1 diatas menunjukkan hubungan antara konsentrasi NaOH dengan CO2 yang terserap. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa pada konsentrasi terbesar yaitu 0,3 N CO2 yang terserap paling banyak. Berdasarkan grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin besar konsentrasi NaOH maka CO2 yang terserap semakin tinggi. Hal ini dikarenakan pada konsentrasi NaOH yang tinggi, jumlah molekul NaOH yang terlarut sebagai sorben menjadi lebih banyak sehingga akan semakin banyak molekul NaOH yang dapat bereaksi dan mengikat CO2. Jumlah CO2 yang terserap pada ketiga konsentrasi pada suatu waktu tertentu akan menuju nilai konstan karena untuk mencapai nilai CO2 terserap yang tertinggi ada batas konsentrasi sorben tertentu dimana dengan menambah
12
konsentrasi sorben, jumlah CO2 yang terserap sudah tidak berubah lagi. (Maarif, Fuad dan Januar Arif, 2008).
2. Pengaruh Laju Alir NaOH terhadap k Ga
Dalam percobaan ini menggunakan 2 fase yaitu cair dan gas. Larutan NaOH adalah fase cairnya sedangkan gas CO2 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:
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH dengan KGa
Berdasarkan grafik di atas dapat disimpulkan bahwa kenaikan konsentrasi larutan penyerap (NaOH) dapat meningkatkan koefisien perpindahan massa antar fase gas-cair (K ga). Hal ini terjadi karena semakin tinggi konsentrasi NaOH, maka semakin dekat jarak antar molekul NaOH yang terlarut sehingga peluang terjadinya tumbukan molekul NaOH dengan CO2 juga semakin besar dan kontak fase antara gas dengan cairan semakin baik. Dengan demikian, maka jumlah gas yang dapat berpindah dari fase gas menuju fase cair juga semakin besar. Kemampuan gas untuk berpindah dari fase gas menuju cairan dibatasi oleh daya larut maksimum gas tersebut dalam cairan yang berkontak dengannya (Kumoro dan Hadiyanto, 2000).
13
3. Pengaruh Konsentrasi NaOH terhadap nilai k la
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Laju Alir NaOH de ngan KLa Pada Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa nilai Kla naik seiring dengan meningkatnya konsentrasi NaOH. Pada konsentrasi NaOH yang tinggi jumlah molekul NaOH sebagai sorben menjadi lebih banyak sehingga akan semakin banyak molekul NaOH yang bereaksi dengan CO2. Semakin banyak reaksi antara NaOH dengan CO2 akan semakin banyak pula perpindahan massa interfase cair (K la) yang terjadi. (Anonim, 2014) 4. Pengaruh Konsentrasi NaOH terhadap k 2
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Konsentrasi NaOH dengan k2
14
Pada grafik di atas dapat dilihat hubungan antara konsentrasi NaOH dengan nilai K 2 dimana peningkatan konsentrasi memperbesar nilai K 2. Jika dihubungkan dengan persamaan Arhenius: . Berdasarkan persamaan tersebut, semakin besar faktor tumbukan harga konstanta kecepatan reaksi juga besar. Hal ini terjadi karena faktor tumbukan dipengaruhi oleh konsentrasi. Semakin besar konsentrasi maka molekul NaOH yang terlarut semakin banyak dan jaraknya semakin rapat sehingga faktor tumbukan NaOH dan CO2 semakin besar Sehingga apabila konsentrasi NaOH semakin besar maka K 2 semakin besar karena besarnya kosentrasi berbanding lurus dengan besarnya K 2 (Levenspiel, O, 1972).
BAB V PENUTUP V.1 Kesimpulan
1. Semakin besar konsentrasi NaOH maka jumlah CO2 yang terserap semakin banyak. 2. Semakin besar konsentrasi NaOH, nilai Kga akan semakin besar. 3. Semakin besar konsentrasi NaOH, nilai Kla akan semakin besar. 4. Semakin besar konsentrasi NaOH, nilai K2 akan semakin besar.
V.2 Saran
1. Jaga tekanan dari kompresor konstan selama operasi absorbsi. 2. Pastikan perubahan warna yang terjadi saat titrasi masing-masing sampel a dalah sama. 3. Laju alir NaOH dijaga sesuai variabel operasinya. 4. Pastikan larutan NaOH dialirkan sampai overflow sebelum dikontakkan dengan CO2.
15
16
17
