TURBIDIMETER
Turbidimetri
Turbidimetri adalah analisis secara kuantitatif kekeruhan atau turbiditas. Turbiditas merupakan sifat optik pada air yang ditentukan berdasarkan banyaknya cahaya yang diserap dan dipancarkan oleh bahan-bahan yang terdapat dalam air. Turbiditas bisa terbentuk karena adanya partikel – partikel yang menyebar (melayang) serta terurai secara halus dalam suatu medium pendispersi. Partikel – partikel yang menyebar tersebut dapat berupa zat – zat organik yang terurai secara halus, jasad – jasad renik, lumpur, tanah liat, zat koloid, dan benda melayang yang tidak mengendap dengan segera (Moecthar,1989).
Sifat – sifat dari setiap suspensi akan berbeda-beda berdasarkan konsentrasinya. Bila cahaya dilewatkan memalui suspensi tersebut, sebagaian energi yang ada akan dihamburkan (disipasi), diserap (absorpsi), dipantulkan (refleksi), dibiaskan (refraksi), dan sementara sisanya diteruskan (transmisi). Pengukuran intensitas cahaya yang ditransmisikan sebagai fungsi dari konsentrasi fase tersdispersi adalah konsep dasar turbidimetri.
Sebuah gelombang cahaya, yang jatuh pada sebuah benda padat yang tembus cahaya, akan menyebabkan elektron – elektron di dalam benda padat tersebut berosilasi secara periodik karena pengaruh vektor listrik yang berubah – ubah terhadap waktu dari gelombang yang masuk tersebut. Gelombang yang berjalan melalui medium tersebut adalah resultan gelombang masuk dan resultan radiasi yang berasal dari elektron – elektron yang berosilasi. Gelombang resultan mempunyai intensitas maksimum di dalam arah sinar masuk, yang nilainya turun secara cepat pada masing – masing sisi benda. Kurangnya hamburan yang menyamping, yang pada pokoknya akan lengkap di dalam sebuah kristal sempurna yang besar, terjadi karena muatan – muatan yang berosilasi di dalam medium beraksi secara koperatif dan secara koheren (Jesikins, 1957).
Penampang sebuah atom atau molekul untuk hamburan cahaya bergantung pada panjang gelombang. Sebuah elektron di dalam sebuah atom atau molekul adalah terikat oleh gaya – gaya pemulih yang kuat. Elektron tersebut mempunyai sebuah frekuensi alami tertentu, seperti sebuah massa kecil yang digantungkan di dalam ruang oleh sekumpulan pegas. Bila cahaya dibolehkan jauh pada elektron –elektron yang terikat seperti itu, maka cahaya tersebut akan menimbulkan osilasi – osilasi yang dipaksakan pada frekuensi cahaya yang masuk (Jesikins, 1957). Sinar yang dihamburkan oleh partikel terlarut dalam suatu larutan ada berbagai macam yaitu :
Hamburan Reylegh
Hamburan sinar oleh molekul-molekul yang diameternya jauh lebih kecil dari sinar yang dihamburkan. Intensitas sinar yang terpancar sebanding dengan satu per panjang gelombang berpangkat empat.
Hamburan Tyndall
Hamburan sinar yang diameter molekul-molekulnya lebih besar dari sinar yang dihamburkan. Pada hamburan Reylegh dan hamburan Tyndal tidak terjadi perubahan frekuensi sinar datang dengan sinar yang dihamburkan.
Hamburan Raman
Hamburan yang dapat mengubah frekuensi antara sinar yang datang dengan sinar yang dihamburkan.
Proses hamburan cahaya yang mengenai partikel dalam larutan dipengaruhi oleh banyak faktor yaitu :
Konsentrasi cuplikan.
Jika konsentrasi terlalu kecil maka partikel yang terbentuk juga akan kecil. Partikel yang kecil akan sedikit menghamburkan sinar sehingga akan susah terbaca.
Konsentrasi emulgator.
Konsentrasi emulgator yang dimaksud disini adalah perbandingan anatara konsentrasi dengan emulgator. Jika perbandingannya terlalu kecil, koloid yang terbentuk terlalu kecil sehingga susah terbaca oleh alat. Namun jika perbandingan ini terlalu besar, emulgator sisa akan terbuang.
Lamanya pendiaman.
Pengaruh ini bergantung pada kecepatan reaksinya. Sebaiknya reaksi berjalan selama waktu optimumnya.
Kecepatan dan urutan pencampuran reagen.
Temperatur.
Temperatur tergantung pada kondisi optimum reaksi.
pH atau derajat keasaman.
pH berhubungan dengan emulgator
Kekuatan ion.
Intensitas sinar.
Pada dasarnya ada beberapa metode pengukuran yang dipakai untuk mengetahui tingkat kekeruhan yaitu :
Pengukuran efek ekstingsi, yaitu kedalaman dimana cahaya mulai tidak tampak di dalam lapisan medium yang keruh.
Pengukuran intensitas cahaya yang diteruskan oleh suatu cairan yang keruh.
Pengukuran dari intensitas cahaya yang dihamburkan secara tegak lurus terhadap lintasan cahaya.
Metode yang pertama adalah metode yang dipakai oleh Jackson pada abad ke-19 dengan rancangannya berupa Jackson Candle Turbidimeter, yang menggunakan lilin sebagai sumber cahaya dan gelas ukur yang mempunyai skala pembacaan yang menunjukkan sampai dimana cahaya lilin tersebut sudah tidak kelihatan lagi. Satuan pengukuran yang dipakai pada metode ini dinyatakan dalam Jackson Turbidity Unit (JTU). Metode ini sekarang tidak dipakai lagi karena ada beberapa kekurangan antara lain yaitu cairan standar yang sulit didapat dan pembacaan yang masih mengandalkan ketelitian dan kejelian penglihatan yang sering berbeda untuk tiap orang. Sedang metode nephelometri dan satuan pengukurannya dinyatakan dalam Formazin Turbidity Unit (FTU) atau Nephelometri Turbidity Unit (NTU) (Moecthar, 1989). Semakin tinggi intensitas cahaya dihamburkan maka semakin tinggi pula kekeruhannya. Sebagai standar kekeruhan dipergunakan suspence polimer formazin (formazin suspense) (Gambar. 1) (Lenore S dkk, 1998):
Gambar 1. Standar formazin suspense dalam satuan NTU
Satuan JTU dan NTU sebenarnya tidak bisa saling mengkonversi, akan tetapi Sawyer dan Mc Carty (1978) mengemukakan bahwa 40 JTU sama dengan 40 NTU. Menurut Lolyd (1985), peningkatan turbiditas pada lautan dangkal dan jernih sebesar 25 NTU dapat mengurangi 13-50% produktivitas primer. Peningkatan turbiditas sebesar 5 NTU di danau dan sungai dapat menurunkan produktivitas primer berturut – turut sebesar 75% dan 3-13%. Kekeruhan air di daerah yang tergenang (lentik), misalnya danau, lebih banyak disebabkan oleh bahan tersuspensi yang berupa koloid dan partikel – partikel halus. Sedangkan kekeruhan sungai yang sedang banjir lebih banyak disebabkan oleh bahan-bahan yang tersuspensi berukuran lebih besar, yang berupa lapisan permukaan tanah yang terbawa oleh aliran air saat hujan. Kekeruhan yang tinggi dapat mengakibatkan terganggunya sistem osmoregulasi, misalnya pernafasan dan daya lihat organisme akuatik, serta dapat menghambat penetrasi cahaya ke dalam air. Tingginya kekeruhan air juga dapat mengurangi efektivitas desinfeksi pada proses penjernihan air.
Nilai tersebut (NTU, FTU, dan JTU) tidak secara langsung menunjukkan banyaknya bahan tersuspensi, tetapi menunjukkan kemungkinan penerimaan zat atau materi lain pada saat konsumen mengkonsumsi air. Kekeruhan bukan merupakan sifat yang berbahaya dari air, tetapi menjadi hal yang tidak disenangi karena bentuknya. Agar air tersebut memuaskan untuk konsumsi rumah tangga atau lainnya, proses penghilangan zat tersuspensi tersebut atau pemurnian air menjadi penting. Standar yang ditetapkan oleh U.S Public Health Service adalah 10 NTU, tetapi dalam penerapannya produsen air bersih dan minum atau kebutuhan lainnya menghasilkan kekeruhan di bawah 1 NTU, mengingat kekeruhan tersbut aan mengurangi nilai estetika dari air tersebut.
Sebagaian besar air baku untuk penyediaan air bersih diambil dari air permukaan seperti sungai, danau, dan sebagainya. Salah satu langkah penting pengolahan untuk mendapatkan air bersih adalah menghilangkan kekeruhan air dari air baku tersebut. Kekeruhan dapat dihilangkan dengan cara menambahkan zat-zat kimia yang memiliki sifat-sifat tertentu seperti foluklan. Dengan mengetahui kekeuruhan suatu air, bisa diketahui tempat-tempat yang masih terjadi proses asimilasi dalam air, lapisan-lapisan mana yang tidak keruh, agak keruh, dan sangat keruh.
Prinsip kerja turbidimeter
Turbidimeter terdiri sebuah lampu tungsten-filament, detektor 90° untuk memonitor cahaya yang terhambur dan suatu detektor untuk cahaya yang dipancarkan/diteruskan. Mikro prosesor instrumen menghitung perbandingan sinyal dari detektor 90° dan detektor cahaya transmisi. Teknik perbandingan ini untuk mengoreksi gangguan dari warna atau cahaya material pengabsorpsi seperti karbon yang diaktifkan) dan mengkompensasi fluktuasi di (dalam) intensitas lampu, menyediakan stabilitas kalibrasi jangka panjang. Sistem optik ini juga didesain untuk meminimalisasi cahaya sesatan dan meningkatkan akurasi pengukuran.
Gambar 2. Bagan sistem kerja dari Hach Model 2100P Portable Turbidimeter
Berdasarkan Gambar 2 mulanya sebuah lampu tungsten-filamen memancarkan sinar radiasi yang kemudian melewati lensa/cermin. Oleh lensa, sinar tersebut disaring dan diteruskan menuju sampel. Karena sampel berisi partikel suspensi, maka beberapa sinar akan dihamburkan dan sebagian lagi diteruskan / ditransmisikan. Sinar yang dihamburkan akan dideteksi oleh detektor 90°, sedangkan sinar yang diteruskan oleh sampel dideteksi oleh detektor yang lain. Rasio dari kedua sinar yang terdeteksi akan digunakan sebagai dasar pengukuran turbiditas larutan, dengan persamaan sebagai berikut:
S = Log P0/P = k.b.N
Ket:
S = turbiditas larutan
P0 = intensitas sinar yang datang
P = intensitas sinar yang ditransmisikan
k = konstanta turbiditas
b = tebal media
N = jumlah partikel/mm
Penjelasan sebelumnya bisa diilustrasikan sebagai berikut:
Sejumlah cahaya ditembakkan dari sebuah sumber cahaya menuju monokromator
Monokromator akan menguraikan cahaya dan meneruskannya menuju cuvet yang berisikan suspensi sel
Ketika cahaya melewati kuvet, maka terjadi tiga kemungkinan· Cahaya akan diserap sebagian oleh partikel tersuspensi. Sebagian cahaya diteruskan· dan sebagian lagi menyebar ke segala arah
Jumlah cahaya yang diserap akan sebanding dengan jumlah partikel tersuspensi (konsentrasi sampel).
Pengukuran dilakukan hampir sama dengan prinsip spektrofotometer (detektor). Turbidimeter menggunakan teknik nephelometri, yang mengukur jumlah cahaya yang tersebar tepat untuk menjadikan turbidimeter memanfaatkan pengukuran nephelometri. Dengan berlalunya cahaya melalui air, sepanjang perjalanan cahaya relatif terganggu. Namun, distorsi yang terjadi sebagian cahaya dihamburkan oleh molekul dalam cairan murni. Ketika cahaya melewati cairan yang mengandung padatan tersuspensi maka sinar berinteraksi dengan partikel, dan partikel akan menyerap energi cahaya dan memancarkan cahaya kembali ke segala arah.
Ukuran partikel, konfigurasi, warna, dan indeks bias menentukan distribusi spasial intensitas cahaya yang tersebar di sekitar partikel. Banyak partikel lebih kecil dari panjang gelombang cahaya sumber (yang dihasilkan tungsten), yang panjang gelombangnya dalam nanometer (nm), menyebarkan cahaya sekitar di segala penjuru. Namun, partikel yang lebih besar dari panjang gelombang cahaya sumber, membentuk pola spektrum dalam hamburan cahaya yang lebih besar dalam arah maju (jauh dari cahaya insiden) daripada dalam arah lain.
Pola hamburan dan intensitas sinar ditularkan melalui sampel juga dapat dipengaruhi oleh partikel menyerap tertentu panjang gelombang cahaya yang ditransmisikan (Sadar, 1996). Karena cahaya yang tersebar di arah depan tergantung pada ukuran partikel, yang pengukuran cahayanya ditularkan melalui sampel menghasilkan variabel hasil. Selain itu, perubahan cahaya ditransmisikan adalah sangat sedikit dan sulit membedakan dari noise elektronik ketika mengukur kekeruhan rendah. sampel kekeruhan tinggi juga sulit untuk diukur dengan menggunakan alat ini karena banyak cahaya yang ditransmisikan hamburan cahaya oleh banyak partikel dalam fluida. Untuk mengatasi masalah ini, turbidimeters terutama mengukur pencar cahaya pada sudut 90 derajat ke balok dan berhubungan ini membaca untuk kekeruhan. sudut ini dianggap sangat sensitif terhadap menghamburkan cahaya oleh partikel di sampel.
Sensor cahaya tambahan juga kadang-kadang ditambahkan untuk mendeteksi cahaya yang tersebar di sudut lain dalam rangka meningkatkan instrumen rentang sensitifitas dan menghapus kesalahan yang diperkenalkan oleh warna-warna alami dan variabilitas lampu. Turbidimeter biasanya berisi sumber cahaya, wadah sampel atau sel, dan photodetektors untuk merasakan cahaya yang tersebar. Sumber cahaya yang paling umum digunakan adalah lampu tungsten filamen. Spektral (band panjang gelombang cahaya yang dihasilkan) dari lampu umumnya ditandai dengan "temperatur warna" yang adalah temperatur bahwa radiator benda hitam harus dioperasikan untuk menghasilkan warna tertentu. Lampu ini lampu pijar dan disebut "polikromatik" karena mereka memiliki cukup lebar spektral band yang mencakup berbagai panjang gelombang cahaya, atau warna. Kehadiran berbagai panjang gelombang dapat menimbulkan gangguan dalam pengukuran kekeruhan sebagai warna alamidan bahan organik alami dalam sampel dapat menyerap beberapa spesifik panjang gelombang cahaya dan mengurangi intensitas cahaya yang tersebar (King, 1991).
Lampu filamen tungsten juga sangat tergantung pada tegangan lampu daya pasokan. tegangan yang digunakan untuk lampu menentukan karakteristik keluaran spektrum dihasilkan, membuat pasokan listrik stabil kebutuhan. Selain itu, karena dengan lampu pijar, output dari lampu meluruh dengan waktu sebagai lampu perlahan keluar, membuat kalibrasi ulang dariinstrumen dan persyaratan yang diperlukan sering. Untuk mengatasi beberapa keterbatasan lampu pijar, beberapa desain turbidimeter memanfaatkan sumber cahaya monokromatik, seperti dioda memancarkan cahaya (LED), laser, lampu merkuri, dan filter lampu berbagai kombinasi. Monochromatik cahaya monokromatis memiliki band yang sangat sempit dari panjang gelombang cahaya (hanya warna beberapa). Dengan memilih panjang gelombang cahaya yang tidak biasanya diserap oleh bahan organik, sumber cahaya monokromatik boleh kurang mengalami gangguan oleh warna sampel. Namun, beberapa dari cahaya alternatif sumber merespon secara berbeda terhadap ukuran partikel, dan tidak sensitif terhadap partikel ukuran kecil sebagai lampu tungsten filament.
Pada turbidimeter, photodetector mendeteksi cahaya yang dihasilkan dari interaksi antara insiden ringan dan volume sampel dan menghasilkan sinyal elektronik yang kemudian detektor ini dapat ditemukan dalam berbagai konfigurasi tergantung pada desain instrumen tersebut. Empat jenis detektor umum digunakan termasuk tabung photomultiplier, diodavakum, dioda silikon, dan photoconductors. Masing-masing dari empat jenis detektor bervariasi dalam tanggapan mereka terhadap panjang gelombang cahaya tertentu. Oleh karena itu, jika sumber cahaya polikromatik digunakan, output spektrum dari sumber cahaya memiliki pengaruh langsung pada jenis dandesain yang dipilih Sensor cahaya untuk instrumen.
Spesifikasi photodector tidak hampir sebagai kritis ketika cahaya monokromatik sumber digunakan. Secara umum, dengan lampufilamen tungsten polikromatik sebagai cahaya sumber, tabung photomultiplier dan fotodiodavakum lebih sensitif terhadap lebih pendek panjang gelombang cahaya di sumber, membuatmereka lebih sensitif dalam mendeteksi partikel yang lebih kecil. Sebaliknya, dioda silikonlebih sensitif terhadap lagi panjang gelombang pada sumber cahaya, sehingga lebih cocok untuk penginderaan partikel yang lebih besar sensitifitas dari kadmium sulfida foto konduktor adalah antara sensitivitas photomultiplier tabung dan fotodioda silicon.
Gambar 3. The Hach Model 2100P Portable Turbidimeter dengan Hach 15 mL sampel Cells
Contoh langkah-langkah pengoperasian turbidimeter (The Hach Model 2100P Portable Turbidimeter). Prosedur pengukuran turbiditas:
Tuangkan atau isikan sebagian sampel ke dalam cell hingga garis batas atas (kira-kira 15 mL).
Usap cell menggunakan kain atau tisue yang bersih untuk menghilangkan noda air atau bekas sidik jari.
Tekan tombol I/O Instrumen akan terbuka,kemudian tempatkan instrumen pada suatu permukaan (kokoh)/flat dan jangan memegang instrumen ketika sedang melakukan pengukuran.
Masukkan cell sampel dalam ruang cell dengan mengorientasikan tanda garis pada bagian depan ruang cell.
Pilih daerah/range secara manual atau otomatis dengan menekan tombol RANGE.
Memilih mode sinyal rata-rata dengan menekan tombol SIGNAL AVERAGE. Dan monitor akan menunjukkan SIG AVG ketika instrumen sedang menggunakan mode sinyal ra.
Tekan: READ Monitor akan menunjukkan --- NTU, kemudian angka turbiditas akan muncul (dalam) NTU. Rekam atau catat angka turbiditas setelah simbol lampu padam.
Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam penggunaan turbidimeter. Perbedaan desain alat dalam bentuk fisik akan memberikan nilai yang berbeda untuk sampel yang sama bahkan pada saat pengukuran larutan standar. Untuk mengurangi perbedaan pembacaan, sangat dianjurkan agar alat dikondisikan pada keadaan seperti (James, 1993):
Sumber sinar: Lampu tungsten yang menghasilkan panjang gelombang pada temperatur 2200 – 30000 K.
Jarak antara sumber sinar dengan kuvet tidak lebih dari 10 cm.
Posisi detektor berada 90o terhadap jalur cahaya yang dihamburkan dan posisi ini tidak boleh ± 30o dari 90o. Detektor yang digunakan harus sensitif dengan sinar yang memiliki panjang gelombang 400-600 nm.
Pembahasan jurnal
Judul jurnal yang akan dibahas adalah "Water turbidity modelling during water treatment process using artificial neural networks" oleh Adam rak dari Polandia. Pada jurnal tersebut dilakukan proses penjernihan air sungai Sosnowka melalui beberapa tahap perlakuan. Adapun tahap perlakuannya adalah sebagai berikut:
Air di treatment dengan proses chain W2 dengan laju alir 172-202 m3/jam.
Tahap pertama yaitu proses ozonisasi, dengan ozon diantara 1-2 mg O3/L.
Tahap kedua diozonisasi lagi dengan ozon 1 mg O3/L.
Tahap selanjutnya ditambahkan Natrium karbonat 1 mg O3/L
Untuk proses stabilisasi, ditambahkan Magnesium klorida 1 mg O3/L
Kondisi air diamati selama setahun. Temperatur air bervariasi mulai dari 4 oC saat musim dingin dan 22 oC pada saat musim panas. Faktor curah hujan juga sangat menentukan tingkat turbiditas. Data air yang berasal dari sungai Sosnowaka sebelum dan sesudah proses treatment dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Data turbiditas air sungai Sosnowka sebelum dan setelah treatment periode (11/2007-10/2008).
Pada tabel dapat dilihat, saat bulan-bulan tertentu air sungai memiliki turbiditas yang sangat tinggi, yaitu hingga 12 NTU. Hal tersebut memiliki korelasi dengan curah hujan yang terjadi selama setahun pengamatan. Data curah hujan dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Korelasi antara curah hujan dengan perubahan turbiditas periode (11/2007-10/2008).
Kekeruhan sungai pada saat curah hujan tinggin lebih banyak disebabkan oleh bahan-bahan yang tersuspensi berukuran lebih besar, yang berupa lapisan permukaan tanah yang terbawa oleh aliran air saat hujan. Faktor lain juga disebabkan turbelensi yang terjadi, sehingga tanah pada dasar dan pinggir sungai akan terbawa oleh arus air yang deras. Semakin banyak jumlah zat tersuspensi maka turbiditas dari sebuah larutan akan semakin meningkat. Hal tersebut lah yang menyebabkan naiknya nilai turbiditas pada saat curah hujan tinggi.
