Adsorpsi Tanpa Reaksi

Biasanya kebutuhan gas yang dibutuhkan dalam sebuah reaksi terpenuhi dengan adanya sejumlah gas yang terlarut dalam cairan sebagai akibat fenomena kelarutan gas dalam sebuah cairan. Namun kelarutan gas dalam cairan memiliki keterbatasan kondisi. Kelarutan akan menurun bila terjadi penurunan tekanan ataupun kenaikan temperatur. Pada kondisi tertentu, jumlah gas yang terlarut dalam cairan akan sampai ke suatu nilai tertentu saja dimana nilainya tidak bisa ditingkatkan lagi.

Reaksi antara fasa gas dan cair membutuhkan hold up yang tinggi karena reaksi berlangsung secara lambat. hold up yang tinggi dapat dicapai dengan meningkatkan jumlah gas yang diumpankan ke dalam reaksi. Padahal jumlah gas yang terlarut dalam cairan tidak sebanding dengan banyaknya udara yang dibutuhkan dalam rekasi sehingga udara tersebut mampu menjadi faktor pembatas laju rekasi. Namun harapannya bahwa kita harus menyuplai udara agar udara yang terlarut tinggi sehingga udara bukanlah pereaksi pembatas.

Pada saat ini, teknologi yang digunakan untuk meningkatkan kelarutan udara dalam cairan yaitu dengan mengalirkan gelembung-gelembung udara dalam air. Semakin luas permukaan gelembung yang bersentuhan dengan air maka transfer massa yang terjadi akan semakin baik. Namun gelembung ini tidak bisa bertahan cukup lama di dalam air. Jika hal itu terjadi, udara yang diumpankan ke dalam larutan nantinya tidak banyak termanfaatkan dan terbuang sia-sia. Maka, dibutuhkan suplai gas umpan yang mampu waktu tinggal yang lebih lama agar hampir seluruh gas yang diumpankan dapat berekasi dengan cairan untuk membentuk produk secara optimal.

Proses perpindahan massa sangat penting dalam bidang ilmu pengetahuan teknik. Perpindahan massa terjadi pada komponen dalam campuran berpindah dalam fase yang sama atau dari fase satu ke fase yang lain karena adanya perbedaan konsentrasi (Welasih, 2006). Proses perpindahan masa antara fasa liquid dan fasa solid banyak dipakai dalam industri, oleh karena itu data-data berhubungan dengan proses perpindahan masa tersebut sangat dibutuhkan.

Menurut Singh (2001), proses transfer massa dipengaruhi oleh 9 faktor:

1. Luas permukaan kontak bahan dengan air perendam. Semakin besar luas permukaan kontak bahan dengan air perendam maka transfer massa yang  terjadi semakin banyak.

2. Kadar air di dalam bahan. Semakin tinggi kadar air bahan, maka makin lambat pula kecepatan difusinya.

3. Konsentrasi, semakin besar perbedaan konsentrasi, maka transfer massa semakin cepat.

4. Jarak dari permukaan ke pusat bahan. Semakin besar jarak dari permukaan ke pusat bahan maka transfer massa terjadi semakin lama karena untuk mencapai kesetimbangan yang merata dibutuhkan waktu yang lama untuk mencapainya.

5. Semakin lama waktu perendaman, laju pergerakan transfer massa semakin lambat karena perbedaan konsentrasi semakin kecil.

6. Karakteristik bahan mempengaruhi transfer massa dalam kecepatan difusivitas. Hubungan keduanya yaitu semakin besar nilai difusivitas maka transfer massa semakin cepat.

7. Suhu juga mempengaruhi laju proses transfer massa, semakin tinggi suhu maka pori-pori semakin besar karena protein pada membran rusak (terdenaturasi) dan proses difusivitas semakin cepat.

8. Tekanan osmosis juga dapat mempengaruhi laju proses difusivitas.    Semakin tinggi tekanan osmosis maka transfer massa semakin cepat.

9. Dan yang terakhir yaitu porositas. Semakin besar/semakin banyak pori pada bahan maka semakin cepat transfer massa. Hal ini dikarenakan semakin banyak porositasnya menyebabkan luas permukaannya semakin besar.  

Perpindahan massa dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, sebagai contoh, sedikit gula dimasukkan kedalam secangkir kopi pada akhirnya akan larut dengan sendirinya dan mendifusi ke seluruh bagian larutan. Banyak proses pemurnian yang menyangkut perpindahan massa. Dalam proses uranium, larutan garam uranium diekstraksi dengan pelarut organik. Distilasi pemisahan alkohol dari air juga menyangkut perpindahan massa. Pemisahan SO dari “flue gas” dilakukan dengan adsorpsi dalam pelarut dasar (Geankoplis, 1997).

Sedangkan proses adsorpsi ini menurut Cheremisinoff (1978) dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu :

1. Karakteristik fisika dan kimia dari adsorben.

2. Karrakteristik fisika dan kimia dari adsorbat seperti ukuran partikel, polaritas molekul, komposisi kimia dan lain-lain.

3. Konsentrasi adsorbat didalam fase cair.

4. pH, jika proses adsorpsi tidak terjadi pada level pH tertentu, maka variasi level pH harus ditentukan. Dalam melakukan pengaturan pH harus benar-benar diperhatikan untuk menyakinkan bahwa perubahan pH tidak mengubah produk utama.

5. Temperatur

6. Waktu kontak antara adsorben dan adsorbat.

Salah satu proses perpindahan massa yaitu perpindahan udara ke suatu cairan yang biasa kita kenal dengan proses aerasi. Proses aerasi pada air suatu cairan dapat ditempuh dengan dua cara, yang pertama yaitu memasukkan udara ke dalam air limbah dan yang kedua memaksa air ke atas permukaan untuk berkontak dengan udara (Adam, 2010). Cara yang kedua ditempuh dengan menggunakan mekanik aerator yang mempunyai baling – baling sehingga mampu menciptakan turbulensi air di saat kontak udara dengan air.

Salah satu biorekator yang bisa digunakan untuk memberikan aerasi untuk larutan adalah Bioreaktor Air Lift. Reaktor Air Lift merupakan salah satu jenis bioreaktor yang banyak digunakan dalam proses fermentasi secara aerob. Parameter yang berpengaruh dalam perancangan reaktor air lift adalah hidrodinamika reaktor dan koefisien perpindahan massa.

Pada reaktor air lift dibagi menjadi dua bagian dengan penyekat yaitu zone riser dan downcomer. Riser merupakan bagian dengan sirkulasi aliran tempat mengalir gas atau merupakan kolom yang berisi cairan atau slurry yang disemprotkan gas, sedangkan downcomer merupakan bagian yang kedua dan tempat sirkulasi aliran dalam reaktor. Perbedaan hold up gas pada daerah yang dialiri gas maupun yang tidak dialiri gas merupakan akibat perbedaan densityfluida pada kedua daerah tersebut. Perbedaan ini mengakibatkan terjadinya sirkulasi fluida dalam reaktor. Pada riser dan downcomer mungkin terdapat plate penyaringan dan baffle pada dinding. Jadi banyak sekali kemungkinan bentuk reaktor dengan keuntungan penggunaan dan tujuan yang berbeda-beda.

Menurut Williams (2002), reaktor air lift mempunyai banyak keuntungan dibandingkan dengan reaktor konvensional. Keuntungan itu diantaranya perancangannya sederhana, aliran dan pengadukan mudah dikendalikan, waktu tinggal dalam reaktor seragam, kontak area lebih luas dengan energi input yang rendah dan dapat meningkatkan perpindahan massa. Kelemahan reaktor air lift antara lain : biaya investasi awal mahal terutama untuk skala proses yang besar, membutuhkan tekanan yang tinggi untuk skala proses yang besar, pemisahan gas dan cairan tidak efisien ketika terjadi busa (foaming). Meskipun sudah banyak keberhasilan di industri dari penggunaan air lift, namun macam penggunaannya masih sangat terbatas, karena sedikitnya literature tentang konsep dasar yang digunakan dalam perancangan.

Menurut Thoenes, terdapat 3 tipe aliran gelembung udara, yaitu: aliran gelembung homogen (gelembung udara kecil dengan diameter seragam tersebar merata pada cairan), aliran gelembung heterogen (gelembung besar dengan bentuk tidak teratur bergerak cepat ke atas), dan aliran slug (gelembung udara terbentuk dengan ukuran sebesar diameter kolom).

Sedangkan Mashelkar (1970) mengemukakan bahwa secara umum konsentrasi gelembung udara (ε_b) dalam kolom ge-lembung mencerminkan retensi gelembung dalam cairan. Konsentrasi gelembung udara (ε_b) dalam kolom merupakan indikasi besarnya waktu tinggal (residence time) udara dan luas bidang antar fase efektif. Besarnya kandungan udara dalam kolam air yang diberi sparger bervariasi tergantung pada kecepatan superfisial gelembung udara (u_s).

Daftar Pustaka

Adam, P., Rochmadi, Kamulyan, B. 2010. Pengaruh Kecepatan Superfisial Dan Hold-Up Gelembung Udara Pada Kolom Aerator Vertikal Terhadap Koefisien Transfer Oksigen. http://pdm-mipa.ugm.ac.id/ojs/index.php/ijc/article/viewFile/372/389 pada tanggal 5 Maret 2013 pukul 16.30

Cheremisinoff. Paul, N., Ellerbusch, F. 1978. Carbon Adsordtion Handbook. Ann Arbor Science Publishers, inc, Michigan.

Geankoplis, C. 1997. Transport Processes and Unit Oprations,3th edition. Allyn & Bacon. Hal. 45-49.

Mashelkar, A. 1970. Bubble Columns, British Chemical Engineering, 15(10). Hal. 1297-1304.

Merchuk, G. Bioreactors, Air-Lift Reactors. http://faculty.ccbcmd.edu/courses/bio141/lecguide/unit6/metabolism/growth/growthob.html pada tanggal 6 Maret 2013 pukul 21.30

Nurhasanah, Darusman, L., Sutjahjo, S., Widiati, B. 2007. Efektivitas Pemberian Udara Berkecepatan Tinggi Dalam Menurunkan Polutan Leachate Tpa Sampah: Studi Kasus Di Tpa Sampah Galuga Kota Bogor. http://repository.ipb.ac.id/ojs/index.php/ijc/article/viewFile/372/389 pada tanggal 4 Maret 2013 pukul 20.30

Singh, R. Paul., and Heldman, D. R. 2001. Introduction to Food Engineering 3rd edition. Academic Press : California, USA.

Thoenes, D. 1994. Course on Two-phase Reactors.

Williams, JA. 2002. Keys To Bioreactor Selections. Chem. Eng. Prog, hal 34-41.

Welasih, Tjatoer. 2006. Penentuan Koefisien Perpindahan Massa Liquid Solid Dalam Kolom Packed Bed Dengan  Metode Adsorpsi. diunduh dari http://ejournal.upnjatim.ac.id/index.php/tekkim/article/download/14/10 pada tanggal 4 Maret 2013 pukul 20.30.