aplikasi plasma lucutan penghalang dielektrik dengan reaktor

APLIKASI PLASMA LUCUTAN PENGHALANG DIELEKTRIK DENGAN REAKTOR
BERKONFIGURASI SPIRAL-SILINDER MENGGUNAKAN GAS SUMBER OKSIGEN
(O2 ) MURNI UNTUK MENGHASILKAN GAS OZON (O3)
Dyah Hari Setyaningrum, S.Si 1), Dr. Muhammad Nur, DEA 2), Drs. Gunawan, M.Si 3),
Ir. Mohammad Munir, Msi 4)
1), 2), 3), 4). Laboratorium Riset Nuklir dan Atom Jurusan Fisika Fakultas MIPA UNDIP
Abstract
An experiment about silent discharge plasma (SDP) or dielectric barrier discharge plasma
(DBD) has been done by using dielectric barrier spiral-cylindrical reactor that configurated with coaxial
spiral wire, to produce ozone (O3) by oxygen (O2) as the input.
The generation of silent discharge plasma by alternating current (AC) power source such high
as 3,8 kV-5 kV. The concentration of ozone in the air can be obtained by giving ozone produced as it hast
just been out from SDP reactor into dissolved absorber (kalium iodide) while dissolved ozone
concentration in the water can be obtained by giving ozone into water and entering it directly into kalium
iodide as the ozone absorber. The absorbance of dissolved ozone sample measured by spectrophotometer
UV-vis at 352 nm wavelength.
Based on the experiment, the concentration of ozone produce is in 0,4  ppm-251  ppm order.
The concentration of ozone in the air is higher than dissolved ozone in the water. The concentration of
ozone will be less with the higher gasses of flow rate. Its concentration in the air is increased with longer
treatment time of ozone in the water. The concentration of dissolved ozone in the water will be less with
longer treatment time in the water.
Keywords: Dielectric barrier discharge plasma, Spiral-cylindrical electrode, Pure oxygen, Ozone gasses,
Dissolved ozone in the water.
Intisari
Telah dilakukan penelitian plasma lucutan senyap (silent discharge plasma (SDP)) atau plasma
lucutan penghalang dielektrik (dielectric barrier discharge plasma (DBD)) dengan menggunakan reaktor
spiral-silinder berpenghalang dielektrik yang berkonfigurasi kawat spiral-koaksial, untuk menghasilkan
gas ozon (O3) dengan masukan gas oksigen (O2).
Pembangkitan plasma senyap menggunakan sumber tegangan AC (Alternating Current)
dengan tegangan sebesar 3,8 kV-5 kV. Konsentrasi ozon di udara dapat diperoleh dengan memasukkan
ozon yang dihasilkan saat keluar dari reaktor SDP kedalam larutan penyerap (kalium iodida) sedangkan
konsentrasi dissolved ozon di dalam air dapat diperoleh dengan memasukkan ozon kedalam air yang
kemudian langsung dimasukkan larutan kalium iodida sebagai pengikat ozon. Pengukuran absorbansi
larutan sampel ozon menggunakan spektrofotometer UV-vis pada panjang gelombang 352 nm.
Dari penelitian, konsentrasi ozon yang dihasilkan dalam orde (0,4  ppm-251,8  ppm).
Konsentrasi gas ozon di udara lebih besar daripada konsentrasi dissolved ozon di dalam air. Konsentrasi
ozon semakin meningkat dengan kenaikan sumber tegangan tinggi yang diberikan. Konsentrasi ozon
semakin berkurang apabila debit alir gas semakin besar. Konsentrasi ozon di udara semakin meningkat
dengan waktu perlakuan ozon di udara yang semakin lama. Konsentrasi dissolved ozon di dalam air
semakin berkurang dengan bertambahnya waktu perlakuan ozon di dalam air.
Kata kunci: Lucutan plasma berpenghalang dielektrik, Elektroda spiral-silinder, Gas oksigen murni, Gas
ozon, Dissolved ozon di dalam air
PENDAHULUAN
Pencemaran lingkungan akibat polusi di
tanah, air dan udara semakin bertambah
kompleks. Untuk mengatasi berbagai macam
polusi dengan pemanfaatan teknologi yang tepat
(Sugiarto, 2002).
Pada umumnya sistem pengolahan limbah
cair industri mempergunakan cara kombinasi
antara pemakaian klor serta sistem kondensasi
dan filtrasi. Sistem ini dapat membahayakan
keselamatan makhluk hidup meskipun senyawa
organik dalam kandungan konsentrasi yang
sangat kecil (ppm/ppb). Sistem pengolahan
limbah cair yang ada sekarang ini kurang efisien
untuk mengurangi pencemaran air di lingkungan.
Hal ini dapat merusak ekosistem makhluk hidup
(Sugiarto, 2002).
Teknologi plasma non termal didasari atas
sifat plasma non termal, yakni mudahnya plasma
jenis tersebut menghasilkan senyawa-senyawa
radikal bebas. Teknologi plasma dapat
dipergunakan secara langsung dalam proses
pengolahan air yang dapat menghasilkan ozon
sebagai desinfektan air. Ozon dikenal sebagai
oksidan
kuat yang dapat menghancurkan
senyawa-senyawa
organik
serta
dapat
membunuh bakteri (Miyake, et al, 2000).
Sehingga penggunaan gas ozon telah
direkomendasikan oleh organisasi kesehatan
dunia dan beberapa negara berkembang telah
memulai untuk menggunakan ozon dalam
pemeliharaan air minum (Tango, 2003).
Pada penelitian ini dilakukan produksi ozon
serta melakukan ozonisasi terhadap air dengan
menggunakan oksigen murni sebagai bahan yang
terionisasi untuk memproduksi ozon. Produksi
ozon dilakukan dengan membangkitkan plasma
non termal (Korzekwa et al, 2001).
Pembentukan ozon di dalam oksigen murni
dengan plasma non termal merupakan salah satu
metoda yang sangat efektif untuk mengurangi
polusi air. Di dalam reaktor plasma senyap
memiliki konfigurasi geometri elektroda spiralsilinder (koaksial). Gas oksigen murni dapat
dikondisikan menjadi plasma non termal dengan
menggunakan teknik lucutan plasma penghalang
dielektrik. Selanjutnya oksigen murni melalui
proses ionisasi dalam fase plasma non termal
akan berubah menjadi radikal bebas yang
mengakibatkan terjadinya proses sinar ultra




violet, spesies aktif ( O2 , O , O2 , O , O3 )
serta termal proses lainnya yang dapat
menghasilkan senyawa baru dan ozonisasi.
Plasma non termal dapat dibangkitkan dalam dua
elektroda tak simetris yang diberikan beda
potensial atau tegangan tinggi.
Menggunakan sumber tegangan tinggi AC
dengan kisaran tegangan sebesar 3,8 kV-5,0 kV.
Debit aliran gas oksigen murni yang dimasukkan
ke dalam reaktor plasma dilakukan pada debit
aliran gas yang divariasi, antara lain; 0,5
L/menit, 1,5 L/menit, dan 2,5 L/menit. Lucutan
plasma penghalang dielektrik di dalam tabung
lucutan gas (pipa) dikondisikan pada tekanan

atmosfir 1 atm (pada temperatur kamar 20 C).
Pengukuran konsentrasi ozon dilakukan dengan
menggunakan alat spektrofotometer UV vis.
Penelitian ini bertujuan untuk merealisasi
reaktor plasma lucutan penghalang dielektrik,
melakukan
karakteristik
dari
reaktor
berkonfigurasi spiral silinder serta menganalisa
dari konsentrasi ozon yang dihasilkan.
Sedangkan manfaat dari penelitian ini adalah
memajukan pengetahuan dibidang plasma di
lingkungan
jurusan
fisika
Universitas
Diponegoro Semarang.
DASAR TEORI
Ionisasi dan Konduktivitas Plasma
Proses terlepasnya elektron dari suatu
partikel gas yang terjadi secara serempak dengan
kenaikan ion positif merupakan proses ionisasi.
Plasma dapat terbentuk karena adanya ionisasi
partikel-partikel gas (Chen, 2002). Proses
terlepasnya elektron dari suatu elektroda (solid)
dapat disebut sebagai emisi elektron. Emisi
elektron akan menyumbang muatan-muatan
partikel. Adapun hasil dari proses ionisasi dan
emisi elektron ini akan memiliki pengaruh yang
besar terhadap konduktivitas gas dan perilaku
plasma (Nasser, 1971).
Produksi Muatan Partikel
Pembentukkan berbagai muatan partikel
dapat dilakukan dengan beberapa cara melalui
proses ionisasi dan emisi elektron. Serta
fotoionisasi dan penyerapan radiasi yang juga
merupakan proses ionisasi melalui tumbukan
elektron dengan partikel gasnya yang dapat
memproduksi lebih banyak lagi muatan-muatan
partikel.
Proses pembentukan ion negatif dapat
terjadi pada saat elektron-elektron bebas
menumbuk atom-atom atau molekul-molekul
netral gas. Akan tetapi, tidak semua atom-atom
gas dapat membentuk ion-ion negatifnya
(Nasser, 1971).
Ionisasi Tumbukan Partikel
Pada saat atom ditumbuk oleh partikel
(seperti ion atau elektron) atom tersebut dapat
kehilangan atau mendapat tambahan muatan,
yang bergantung pada banyaknya energi yang
dilepaskan pada saat tumbukan. Energi ini harus
melebihi energi ionisasi Ei (eV). Pada kasus
tumbukan elektron, elektron dapat ditangkap
oleh atom atau elektron yang dapat
menyebabkan atom melepaskan elektron atau
hanya mengeksitasi elektron valensi dari atom
tersebut. Elektron yang dikeluarkan selama
proses ionisasi dapat menyebabkan ionisasi
sekunder jika energinya cukup tinggi (Panicker,
2003).
Ionisasi Medan Listrik
Metode yang digunakan ialah dengan
melewatkan gas diantara elektroda, pada saat
atom atau molekul bereaksi dengan permukaan
elektroda maka akan mengalami kehilangan atau
pertambahan muatan yang disebabkan oleh
polaritas elektroda. Apabila intensitas medan
listrik meningkat, partikel yang menuju anoda
akan terionisasi sebelum sampai pada elektroda
tersebut. Tingkat ionisasi akan turun secara
drastis apabila intensitas medan listrik menurun
(Panicker, 2003).
Dalam keadaan stabil, ionisasi dapat terjadi
apabila energi elektron yang menumbuk lebih
besar atau sama dengan energi ionisasi atom atau
molekul tertumbuk, dapat ditulis dalam
persamaan (Valyi, 1977).
1
(1)
me v e2  eV i
2
dengan me adalah massa elekton
ve adalah kecepatan elektron
e adalah muatan elektron
V i adalah potensial ionisasi atom atau
molekul (Valyi, 1977).
Pada proses tumbukan antara elektron
dengan partikel-partikel gas dapat menyebabkan
peristiwa-peristiwa lainnya. Kebalikan dari
proses ini adalah proses rekombinasi.
Rekombinasi terjadi dengan cara pengikatan
elektron oleh atom dan pengikatan antar atom
menjadi molekul sehingga menjadi spesies netral
atau ion negatif yang disertai pemancaran foton
(Chapman, 1990).
Disosiasi adalah pemisahan molekul
menjadi atom-atom penyusunnya (Marr, 1967).
Partikel gas yang terdisosiasi ini dapat pula
terionisasi menjadi ion-ion positif dan negatif
(Alonso, 1994). Sedangkan eksitasi merupakan
peristiwa dimana elektron yang berada di tingkat
energi yang lebih rendah berpindah ke tingkat
energi yang lebih tinggi dengan menyerap energi
tumbukannya dengan elektron. Peristiwa
kebalikan dari eksitasi tersebut disebut relaksasi
atau deeksitasi dan peristiwa ini disertai
pemancaran foton (Konuma, 1992).
Deionisasi
Proses yang terjadi dalam lucutan gas tidak
hanya pada pembentukan muatannya tetapi juga
pada jumlah partikel-partikel yang ditentukan
pada kondisi tertentu, serta dengan kerapatan
yang diinginkan. Adapun muatan-muatan
partikel yang dihasilkan harus sama dengan
muatan-muatan pembawa yang terlepas karena
modifikasi atau perpindahan muatan. Setiap
perubahan yang terjadi di dalam lucutan gas
(terlepasnya muatan-muatan partikel) dapat
mengurangi konduktivitas suatu gas. Muatan–
muatan pembawa yang lepas ini dapat melalui
dua cara yang berbeda, yaitu melalui proses
difusi atau melalui proses rekombinasi partikel
bermuatan positif atau negatif. Adapun kedua
proses ini merupakan proses deionisasi yang
terjadi pada plasma (Nasser, 1971).
Pelucutan Gas
Pelucutan diawali dengan proses ionisasi
gas dalam medan listrik yang besar. Hasil dari
ionisasi gas berupa elektron-elektron yang
bermuatan negatif dan ion-ion yang bermuatan
positif bergerak menuju elektroda sehingga
terjadi aliran muatan listrik. Elektron dari katoda
akan bergerak ke anoda dan selama
perjalanannya elektron-elektron tersebut akan
menumbuk partikel-partikel atau atom-atom gas
diantara kedua elektrodanya. Proses tumbukan
tersebut dapat mengakibatkan ionisasi.
Pada tegangan rendah elektron-elektron
tidak berpengaruh pada atom-atom gas, ionisasi
yang terjadi karena radiasi kosmis. Elektronelektron ini disebut dengan elektron primer. Bila
tegangan dinaikkan partikel akan mendapat
tambahan energi untuk terjadinya ionisasi,
sehingga arus listrik naik terhadap tegangan
(Raizer, 1991).
Bila tegangan dinaikkan terus, maka
elektron-elektron yang bergerak menuju anoda
akan semakin banyak dan proses ionisasi sering
terjadi, sehingga terjadi pelipatan elektron dan
ion yang kemudian akan dipercepat menumbuk
katoda karena adanya medan listrik. Tumbukan
ion tersebut menghasilkan elektron melalui efek
fotolistrik, elektron hasil tumbukan tersebut
dinamakan elektron sekunder). Elektron
sekunder ini dapat mengakibatkan ionisasi
berantai. Pada kondisi ini terjadi lucutan secara
terus menerus akibat ionisasi eksternal (Raizer,
1991).
Plasma Non Termal
Plasma merupakan gas yang terionisasi
dalam lucutan listrik dengan reaksi tumbukan
elektron yang sangat signifikan untuk terjadi.
Plasma juga dapat didefinisikan sebagai
percampuran kuasinetral dari elektron, radikal,
ion positif dan negatif. Keadaan kuasinetral
adalah keadaan gas terionisasi dimana rapat ion
hampir sama dengan rapat elektron (Tseng,
1999).
Gambar 1. Ilustrasi dari molekul diatomik gas
oksigen dan plasma (terdisosiasi karena telah
mempunyai energi yang cukup sehingga menjadi
ion positif dan negatif, elektron, dan radikal
bebas) (Kickuth, 2001).
Plasma non termal termasuk plasma dingin,
dengan ion-ion dan atom-atom atau molekulmolekul netral yang mempunyai energi kinetik
lebih kecil dibandingkan partikel berat
(Nur,1998).
Plasma non termal merupakan salah satu
dari bentuk plasma dengan energi rerata
elektronnya lebih besar daripada energi rerata
gas dan ion. Jenis-jenis bentukan dalam plasma
non termal merupakan senyawa-senyawa radikal
bebas selain ion dan molekul gas netral (Chang,
1993).
Lucutan Plasma Penghalang
Dielektrik
(Dielectric Barrier Discharge Plasma)
Plasma dapat dibangkitkan dengan teknik
lucutan plasma penghalang dielektrik yang
sering disebut dengan plasma senyap (silent
plasma) merupakan sistem tertutup. Dengan
menggunakan geometri elektroda berbentuk
silinder koaksial atau bidang dengan lapisan
penghalang dielektrik. Pada lapisan penghalang
dielektrik ini ditempatkan di antara tegangan
tinggi dengan meninggalkan beberapa milimeter
celah yang diisi oleh udara atau gas. Plasma
senyap ini dapat dibangkitkan di antara celah
udara atau gas dengan tegangan tinggi
(Korzekwa, et al, 1998). Adapun secara
keseluruhan dari sistem reaktor plasma senyap
dengan penghalang dielektrik ini dapat
ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Sistem reaktor plasma senyap dengan
lapisan penghalang dielektrik (McClellan, 2003)
Plasma yang dihasilkan dari reaktor plasma
ini merupakan plasma non termal, yang dapat
menghasilkan spesies kimia yang bereaktif
tinggi untuk menghancurkan polutan-polutan
dalam air. Reaktor plasma lucutan dengan
penghalang dielektrik dapat menghasilkan
plasma senyap dengan durasi waktu yang singkat
dan pulsa tegangan tinggi yang diberikan pada
geometri kawat atau pipa koaksialnya (yang
diawali dengan banyak aliran elektron
(pelipatgandaan elektron) di sepanjang pipanya).
Energi elektron yang dihasilkan dalam bentuk
streamer yang dibentuk dari spesies aktif
(radikal) pada temperatur kamar (Korzekwa, et
al, 1998).
Sistem reaktor pada gambar 2.2 merupakan
bentuk struktur yang tidak homogen antara
elektroda positif dan elektroda negatifnya.
Adapun ketidakhomogenan ruang pada sistem
reaktor ini merupakan fakta yang menunjukkan
bahwa lucutan plasma penghalang dielektrik
merupakan
lucutan
terusan
tunggal
(Kogelschatzt, et al, 1999).
Lucutan plasma penghalang dielektrik
(dielectric barrier discharge plasma) terjadi
pada kondisi plasma yang non equilibrium di
sekitar tekanan atmosfir gas. Dan merupakan
plasma yang unik karena terletak pada
perpindahan (transisi) antara proses lucutan
korona dengan lucutan glow (Kogelschatzt, et al,
1999). Pada akhirnya, lucutan mikro ini
menyebar di bawah pengaruh medan tersebut.
Lucutan mikro biasanya mempunyai waktu
hidup yang sangat pendek, pada 100 nanodetik
atau bahkan kurang. Diameter kawat dan
lamanya waktu yang efektif bergantung pada gas
sumber yang digunakan dan juga tekanan pada
reaktor. Arus mengalir seluruhnya di dalam
filamen. Pertukaran energi terjadi di antara
elektron-elektron yang dipercepat dengan
molekul-molekul (yang dibangkitkan dengan
merubah kerapatan jenis gasnya), baik di dalam
lucutan mikro maupun di luar dari lucutan
mikro. Elektron berenergi tinggi menumbuk
atom atau molekul, dengan mengubah energi
kinetik
menjadi
energi
ionisasi
yang
menghasilkan spesies tereksitasi. Oleh karena
energi tinggi elektron, perubahan energi dapat
menjadi sangat efisien dengan 90% atau bahkan
lebih yang merupakan energi kinetik dari
elektron tersebut. Dari streamer (lucutan mikro),
mengalir spesies yang berinteraksi dengan gas
terbanyak untuk membentuk spesies baru.
Sebagai contoh, O dihasilkan di permukaan
elektroda aktif yang bereaksi dengan O 2 di
sekitar elektroda aktif untuk membentuk O 3
(dengan
O  O2
reaksi
pembentukannya
adalah
 O3 ). Pada tekanan yang lebih
rendah, terdapat transisi kontinu dari struktur
filamen pada lucutan mikro menjadi lebih
tersebar, yang menunjukkan lucutan glow
normal (Shira, 1998).
Secara umum, proses pembentukan lucutan
mikro dimulai ketika medan listrik di dekat
elektroda aktif (positif) memiliki kemampuan
untuk menyebabkan timbulnya ionisasi pada
spesies gas oksigen sehingga menghasilkan ion
positif dan elektron bebas. Medan yang kuat
antara kedua elektroda membuat kedua partikel
bermuatan ini terpisah dan mencegah terjadinya
rekombinasi disamping mempercepat ion dan
elektron sehingga memberikan energi kinetik
pada keduanya. Pembangkitan energi kinetik
elektron dapat menyebabkan terjadinya proses
tumbukan antara elektron bebas dengan atom
netral sehingga menghasilkan pasangan ion
positif baru dan elektron sekunder dimana ketika
proses ini berlangsung secara terus menerus
sehingga akan menimbulkan pelipatgandaan
elektron (Chen, 2003).
Adanya lapisan penghalang dielektrik akan
menghalangi lucutan plasma yang terbentuk. Hal
ini disebabkan karena muatan-muatan yang
tertinggal pada permukaan dielektrik yang dapat
mengurangi medan listriknya. Lucutan ini dapat
dibentuk dengan pelipatgandaan elektron yang
bergerak dari elektroda aktif yang terakumulasi
pada bahan dielektrik (yang melindungi
elektroda pasif) pada waktu yang bersamaan.
Aliran muatan pada 10-100 ns memungkinkan
terjadinya perpindahan muatan selama waktu itu.
Muatan elektron (negatif) ini dikumpulkan pada
permukaan dielektrik sebagai muatan bebas
(Kuraica, et al, 1996).
Breakdown Listrik pada Lucutan Plasma
Penghalang Dielektrik
Setelah sumber tegangan tinggi diberikan di
antara kedua elektroda, aliran elektron akan
bergerak dari katoda menuju anoda. Dalam
gambar 2.6 menunjukkan bahwa elektron bebas
pertama dapat membentuk elektron bebas yang
lain, setelah ionisasi terjadi dalam gas. Sehingga
reaksi kimia dapat terjadi dari streamer-streamer
yang dihasilkan. Dalam kondisi ini elektronelektron bebas mendapat tambahan energi untuk
melakukan proses ionisasi selanjutnya. Apabila
medan listrik di dalam lucutan sudah cukup
tinggi maka akan terjadi breakdown. Dimana hal
ini sangat dipengaruhi oleh kerapatan jenis gas N
dan diameter dari tabung reaktornya (Shira,
1998).
Gambar 3. Konfigurasi bidang paralel dalam
daerah lucutan breakdown (Shira, 1998)
Lintasan bebas rerata partikel (free path)
Setiap molekul gas akan sering menumbuk
antara satu dengan yang lainnya (walaupun pada
tekanan rendah sekalipun) sehingga hal ini dapat
menyebabkan kerapatan gas menjadi berkurang.
Apabila pengaruh grafitasi dan pengaruh medan
listrik pada muatan-muatan partikel dapat
diabaikan maka molekul dapat dianggap
bergerak dalam garis lurus diantara dua
tumbukan berturut-turut. Lintasan dengan garis
lintang partikel di antara dua tumbukan yang
terjadi secara berturut-turut dapat disebut dengan
lintasan bebas rerata.
Dengan jelas bahwa lintasan bebas rerata
merupakan besaran yang random dengan nilai
yang bergantung pada konsentrasi atom atau
densitas gas. Dapat diasumsikan bahwa molekul
gas berbentuk bola padat yang elastis dengan
diameter yang jauh lebih kecil daripada dengan
jarak antar molekul. Hal ini jelas bahwa salah
satu molekul menempuh jarak yang lebih jauh
sebelum mengalami dua tumbukan berturutturut, sedangkan molekul yang lain menempuh
jarak yang lebih pendek sebelum akhirnya saling
bertumbukan. Oleh karena itu, masing-masing
lintasan bebas rerata akan menghasilkan nilai
yang berbeda-beda, tetapi akan terdistribusi
secara merata dengan nilai rata-rata.
Lintasan bebas rerata partikel dapat
dinyatakan dalam persamaan 2:
dekomposisi (decomposition speed) ozon di
udara adalah 16 jam (Miyoshi, 2000).
Ozon yang dihasilkan secara kinetis dari
lucutan plasma senyap dengan penghalang
dielektrik (silent plasma with dielectric barrier
discharge) dalam gas oksigen dapat dibentuk
dengan lima dasar reaksi yang disebutkan di
bawah ini:
I. Produksi pada atom oksigen
(R-1)
e  O2  e  O  O
II. Konversi atom oksigen menjadi ozon
O  O2  O2  O3  O2
(R-2)
1
(2)
N
Hasil N berbanding terbalik dengan lintasan
bebas rerata, yang juga merupakan jumlah
tumbukan-tumbukan yang terjadi pada setiap
lintasan partikel (Nasser, 1971).
Ozon (O3)
Ozon adalah oksidan terkuat yang bereaksi
dengan mengurangi senyawa inorganik beserta
dengan material organiknya. Sedangkan gas
yang tidak stabil yang dapat ditentukan oleh
oksigen yang terionisasi pada medan listrik yang
diperoleh dari tegangan tinggi dengan lucutan
violet merupakan ozon (Bechaux, 1979).
Dalam proses pembentukan gas ozon, harus
mengikuti bentuk karakteristik dari ozon antara
lain masa molar sebesar 48 g/mol, densitas
terhadap udara sebesar 1.657, masa yang spesifik
pada suhu 0 C dengan tekanan sebesar 760
kolom mmHg adalah 2.143 kg/m3, dan bentuk
panas pada mol yang memberikan volume
konstan sebesar 143 kJ (34,2 kcal) (Bechaux,
1979). Ozon dapat mudah larut 13  lebih cepat
di dalam air daripada oksigen. Pada saat terjadi
saturasi dalam air pada temperatur 20 C, 2 %
campuran berat ozon dan kandungan oksigen
sekitar 11 mg pada ozon, dengan 40 mg
oksigen/liter. Ozon harus dapat diproduksi hanya
pada saat pemakaiannya, hal ini disebabkan
karena ozon memiliki short lived di dalam air
yaitu sekitar 40 menit dengan PH yang sebesar
7,6 (Williams, 1986). Sedangkan kecepatan
(R-6)
 
III. Dekomposisi pada ozon
O  O3  O2  O2
(R-3)
e  O3  O2  O  e
(R-4)

 O  O2
e  O3  O2  O
O2  O3  O2  O2  O
(R-5)
(R-7)
(Rahel, et al, 2000)
Oksigen (O2)
Dalam keadaan bebas, oksigen terdapat di
dalam atmosfir sebagai molekul O2. Jumlah
volume oksigen di udara sebesar 20,953 %
(Oxtoby, 1986).
Pada keadaan temperatur kamar, oksigen
tidak berwarna dan tidak memiliki bau. Molekul
oksigen merupakan diatomik dan paramagnetik
(elektron-elektron yang tidak sepasang per
molekulnya). Energi ikat oksigen sebesar 494 kJ.
Dengan massa jenis pada temperatur kamar (200
C) sebesar 1,429
kg
m3
.
Dielektrik
Dielektrik dapat memperlemah medan
listrik di antara kedua konduktor karena dengan
hadirnya medan listrik, molekul-molekul dalam
dielektrik akan menghasilkan medan listrik
tambahan yang arahnya berlawanan dengan
medan listrik luar.
Apabila medan listrik yang menyebabkan
pengutuban molekul dielektrik disebut medan
molekul, yang merupakan medan listrik pada
tempat kedudukan molekul dalam dielektrik, dan
yang dihasilkan oleh semua sumber luar dan
oleh semua molekul terkutub di dalam dielektrik
(Reitz, 1993). Molekul di dalam dielektrik akan
terpolarisasi oleh medan listrik luar, yang dapat
menghasilkan medan listrik E yang merupakan
medan listrik awal E0 diantara kedua konduktor
yang berkurang karena adanya medan listrik di
dalam dielektrik Eb. Medan listrik E ini
merupakan medan listrik yang digunakan untuk
membuat
muatan di
dalam dielektrik
terpolarisasi (sebagai gaya torka) agar dapat
searah dengan medan listrik awal E0 yang
diberikan di antara kedua konduktor sejajar
(Wangsness, 1986). Molekul di dalam dielektrik
yang terpolarisasi oleh medan listrik awal E0
dapat ditunjukkan pada gambar 4 sedangkan
gambar 5 menunjukkan kapasitor dengan
dielektrik di antara kedua plat dimana pada
permukaan dielektriknya memiliki sedikit jarak
yang terpisah dengan konduktornya. Dimana
molekul dielektrik yang terikat kuat akan
terpolarisasi karena adanya medan listrik awal
E0, memiliki tanda muatan yang sesuai dengan
masing-masing plat. Muatan permukaan di
dalam dielektrik ini akan menghasilkan medan
listrik Eb dengan arah seperti yang ditunjukkan
pada gambar 5 sejak muatan Q masih
menghasilkan medan listrik awal E0, resultan
dari medan listrik E ditunjukkan dengan:
E = E0 – Eb, dimana E<E0
(3)
Gambar 4. Molekul di dalam
dielektrik yang terpolarisasi
karena medan listrik awal E0
di antara kedua konduktor
Gambar 5. Muatanmuatan dan medanmedan yang terjadi di
antara kedua plat yang
disisipkan bahan
dielektrik
(Wangsness, 1986)
Gelas Pyrex
Gelas pyrex merupakan isolator listrik yang
termasuk dalam material keramik yang memiliki
resistivitas 1014 ohm.m (pada temperatur 20
C), dengan kekuatan dielektrik adalah 14.000
V/mm. Gelas pyrex ini memiliki nilai konstantakonstanta dielektrik relatif sebesar 4,3 (pada 60
Hz) dan 4 (pada 106 Hz). Konstanta dielektrik
relatif merupakan salah satu sifat dari material
yang digunakan sebagai dielektrik. Dimana
dielektrik tersebut dapat peka terhadap suhu dan
frekuensi (Vlack, 2001).
METODE PENELITIAN
Alat dan Bahan
Secara keseluruhan alat yang digunakan dalam
penelitian ini adalah:
1. Reaktor plasma
Reaktor
plasma
yang
digunakan
menggunakan geometri elektroda koaksial
Elektroda positif berada ditengah silinder
koaksial (kawat spiral) dengan bahan logam
sedangkan elektroda negatif berada diluar
silinder koaksial
(aluminium) yang
dihalangi dengan bahan dielektrik yang
berupa gelas pyrex.
2. Stopwatch
Stopwatch (Japan CBM Corp Water Resist,
ketelitian 0,01 sekon) digunakan untuk
mengukur waktu perlakuan gas ozon
terhadap larutan penyerap.
3. High Voltage (HV) Probe
HV Probe (HV Probe DC max Voltage DC
40 kV; AC 28 kV nomor kode EC 1010, En
G1010. made in Taiwan.) digunakan untuk
membagi tegangan agar tegangan yang
masuk ke dalam multimeter digital dapat
terbaca.
4. Multimeter Analog
Multimeter (Sunwa Taiwan TRXn 360)
digunakan untuk mengukur arus dan
tegangan bolak balik (AC) yang terdapat
pada rangkaian reaktor plasma lucutan
penghalang dielektrik
5. Jangka sorong
Jangka sorong (Mitutoyo Japan nomer kode
530-104 dengan ketelitian 0,05 mm)
digunakan untuk mengukur panjang tabung
elektroda koaksial pada sistem pembangkit
plasma.
6. Mikrometer sekrup
Mikrometer sekrup (mitutoyo made in Japan
nomer kode 103-137, MI 10-25 dengan
ketelitian 0,01 mm) digunakan untuk
mengukur ketebalan dinding elektroda
geometri silinder koaksial.
7. Spektrofotometer UV vis
Spektrofotometer UV vis 1201 (Japan
SHIMADZU Corp, No. Serial A1005)
digunakan untuk mengukur absorbansi dari
gas ozon yang dihasilkan serta yang telah
diserap oleh larutan senyawa penyerapan
(pada panjang gelombang 352 nm).
8. Tabung erlenmeyer
Tabung erlenmeyer digunakan sebagai
tempat zat yang disertai dengan perlakuan
gas ozon.
9. Tabung reaksi
Tabung
reaksi
digunakan
untuk
mereaksikan zat-zat kimia dalam jumlah
sedikit.
10. Gelas ukur
Gelas ukur digunakan untuk mengukur
volume zat fase cair.
11. Labu ukur
Labu ukur digunakan untuk membuat
larutan standar atau larutan tertentu dengan
volume tertentu secara tepat.
12. Kertas Aluminium
Kertas aluminium digunakan sebagai
pembungkus erlenmeyer agar keluaran gas
ozon yang dihasilkan dari reaktor plasma
tidak menguap karena terkena (exposed)
sinar UV matahari.
13. Tabung Oksigen
Tabung
oksigen
digunakan
untuk
mendapatkan gas oksigen murni sebagai gas
sumber (bahan) yang terionisasi. Tabung
Oksigen dilengkapi dengan regulator gas
sebagai pengatur keluaran kecepatan alir gas
oksigen.
Bahan
Bahan yang digunakan adalah:
1. Gas sumber oksigen murni, dengan tingkat
kemurnian 99,6 % dan kelembaban sebesar
0,3 C
2.
3.
4.
5.
6.
Kalium Dihidrogen Fosfat (KH2PO4)
Natrium Hidrogen Fosfat (Na2HPO4)
Kalium Iodida (KI)
Iodin (I2)
Larutan penyerap. Penyiapan larutan sampel
dengan melarutkan 14,20 g Na2HPO4, 13,61
g KH2PO4 dan 10,00 g KI di dalam labu
ukur dengan volume 1 liter air akuadest.
Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian ini dimulai dengan
perancangan sistem reaktor plasma dengan
teknik lucutan plasma penghalang dielektrik
yang dihubungkan dengan tabung gas sumber
oksigen dan peralatan bagian luar lainnya untuk
memulai penelitian. Proses penelitian dimulai
dengan memberikan tegangan sumber AC yang
dikondisikan plasma senyap, kemudian dengan
mengalirkan gas sumber oksigen pada elektroda
dengan konfigurasi geometri spiral-silinder yang
terdapat di dalam reaktor plasma. Selanjutnya
adalah mengukur konsentrasi keluaran gas ozon
dan konsentrasi gas ozon yang terlarut dalam air
dengan variasi waktu keluaran gas ozon dari
reaktor plasma, kecepatan alir gas sumber
oksigen, dan tegangan sumber AC.
Hasil
pengukuran konsentrasi gas ozon dan konsentrasi
gas ozon yang terlarut dalam air dapat dianalisis
dengan menggunakan alat spektrofotometer UV
vis. Keseluruhan sistem digunakan untuk
mengetahui kadar konsentrasi keluaran gas ozon
yang dihasilkan dari sistem reaktor untuk
penghilangan polutan-polutan dalam air.
Prosedur Penelitian Pengukuran Ozon (O3)
Pengukuran kadar konsentrasi gas ozon dan
konsentrasi gas ozon terlarut dalam air dilakukan
dengan menggunakan spektrofotometer UV vis.
Setelah perlakuan (gas ozon yang dihasilkan
dari reaktor plasma) dialirkan ke dalam
campuran
larutan
penyerap.
Kemudian
diletakkan ke dalam tabung reaksi dengan
jumlah volume sebesar 5 ml.
Memindahkan sebagian dari bahan reagen
yang diarahkan untuk setiap 1 cm sel serapan
dan menentukan absorbansi dari larutan
penyerapan
dengan
menggunakan
spektrofotometer UV vis pada panjang
gelombang 352 nm. Mempersiapkan rangkaian
standar kalibrasi sebagai berikut. Siapkan larutan
standar iodin (I2) sebesar 0,025 M dengan
melarutkan 3,2 g KI dan 0,635 g I2 di dalam labu
ukur dengan volume aquadest sebesar 100 ml.
Sebelum digunakan larutan tersebut harus
didiamkan selama satu hari dalam temperatur
kamar. Ambil 4 ml dari larutan ini dan kemudian
larutkan kembali dengan volume aquadest
sebesar 100 ml di dalam labu ukur dengan
reagent absorbansi yang tidak terkena sinar
matahari agar dapat membentuk larutan I2 0,001
M.
Menggunakan
larutan
ini
untuk
mempersiapkan rangkaian standar kalibrasi di
dalam labu ukur dengan volume sebesar 50 ml,
setiap kali mengencerkan larutan dengan reagent
absorbansi. Dengan mengambil volume larutan
dari 0,001 M I2 untuk memperoleh konsentrasi
I2: 0,5 ml-6,0 ml dengan interval sebesar 0,5 ml,
dengan molaritas larutan 10  M-12  M pada
interval 1  M.
Pengukuran absorbansi pada larutan reagen,
dimana absorbansi yang dihasilkan tidak boleh
terkena sinar matahari (unexposed absorbing
reagent) karena dengan mengurangi nilai
absorbansi dari suatu sampel. Adapun absorbansi
yang dihasilkan harus dikalibrasi terlebih dahulu
dengan
kalibrasi
standar
I2
(iodin).
Mempersiapkan grafik kalibrasi standar dengan
memplotkan absorbansi versus konsentrasi I2.
Grafik kalibrasi standar digunakan untuk
membandingkan
nilai
absorbansi
dari
konsentrasi I2 dengan nilai absorbansi dari
konsentrasi ozon di dalam absorbing solution.
Grafik kalibrasi standar larutan iodin digunakan
untuk mengetahui nilai absorbansi dan
kemolaran (M) dari larutan sampel ozon
sehingga dapat memperoleh konsentrasi ozon di
dalam larutan penyerap.
Rangkaian Sistem Pembangkit Plasma
Gambar 6. Rangkaian sistem pembangkit plasma
melalui teknik lucutan penghalang dielektrik
Deskripsi
Sistem
Pembangkit
Plasma
Lucutan Penghalang Dielektrik
Sistem pembangkit plasma yang digunakan
dalam penelitian ini memiliki bentuk kofigurasi
silinder koaksial. Elektroda aktif menggunakan
kawat spiral yang mengikuti bentuk konfigurasi
sistem pembangkit plasma, sedangkan untuk
elektroda pasif menggunakan lapisan aluminium.
Untuk penghalang dielektrik pada sistem
menggunakan gelas pyrex karena memiliki nilai
resistivitas yang tinggi.
Adapun gambar sistem pembangkit lucutan
plasma penghalang dielektrik dapat ditunjukkan
pada gambar 7secara detail dan jelas.
Gambar 7. Sketsa sistem pembangkit plasma
berkonfigurasi silinder koaksial
Pada elektroda kawat (aktif), dibentuk
menjadi bentuk spiral dengan jumlah lilitan
sebanyak 30 buah, dengan diameter lilitan kawat
sebesar 0,266 cm. Panjang kawat ini secara
keseluruhan (apabila tidak dililitkan menjadi
bentuk spiral atau kawat lurus) adalah 47 cm,
sedangan
jarak
diantara
masing-masing
lilitannya sebesar 0,128 cm. Lapisan elektroda
negatif pada sistem pembangkit plasma ini
menggunakan lapisan aluminium dengan
ketebalan sebesar 0,015 cm. Lapisan ini
merupakan lapisan terluar dari reaktor plasma.
Kedua elektroda ini dihalangi oleh lapisan
dengan bahan dielektrik, yang berupa gelas
pyrex. Adapun nilai resistivitas pada gelas pyrex
sebesar 1014 ohm.m (pada temperatur 20 C).
Gelas pyrex ini memiliki tebal sebesar 0,160 cm
dan diemeter sebesar 0,64 cm. Diantara kawat
spiral dengan lapisan dielektrik terpisah oleh
jarak sebesar 0,093 cm (lebar celah), sedangkan
panjang keseluruhan tabung reaktor plasma
lucutan penghalang dielektriknya adalah 9,52cm.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Arus-Tegangan dari Sistem
Pembangkit Plasma
Sumber tegangan yang digunakan dalam
sistem pembangkit plasma senyap adalah sumber
tegangan arus bolak-balik (AC) yang dapat
menghasilkan medan listrik tinggi di antara
kedua elektroda dengan melewati efek
pengisolasian gas oksigen di dalam tabung
reaktor plasma. Beda potensial yang diberikan di
dalam tabung reaktor yang berisi gas oksigen
dapat bervariasi sehingga nilai arus yang
dihasilkan pun bervariasi. Perubahan nilai arus
pada sistem ini bergantung kepada nilai tegangan
yang dikenakan pada sistem pembangkit plasma.
Plasma senyap dapat dibangkitkan
dengan tegangan AC pulsa. Adapun foto pulsa
tegangan dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8. Foto bentuk gelombang sinusoidal
yang dihasilkan dari sumber tegangan AC yang
digunakan dalam sistem pembangkit plasma
senyap
Gambar 8 menunjukkan pulsa tegangan AC
dengan bentuk gelombang sinusoidal yang
ditampilkan pada osiloskop. Pulsa tegangan ini
dihasilkan pada tegangan 3 kV dengan
amplitudo sebesar 2 div (setengah gelombang
sinusoidal), pada 2 volt/div. Siklus pulsa
tegangan ini terjadi secara berulang-ulang
dengan periode tegangan sebesar 140  s pada
satu siklus pulsa tegangan (satu panjang
gelombang sebesar 1,4 div dengan 100  s/div).
Sehingga besarnya frekuensi tegangan AC
adalah 7.142,857 Hz. Karena frekuensi yang
digunakan pada sistem pembangkit plasma ini
tinggi (memiliki laju perubahan arus yang tinggi)
maka digunakan induktor untuk membatasi arus
listrik agar tetap pada nilai arus yang
diperbolehkan (Tipler, 1991).
Arus listrik yang terukur dari sistem reaktor
plasma lucutan peghalang dielektrik ini akibat
adanya muatan yang terakumulasi di dalam
reaktor. Muatan listrik terbentuk dari adanya
ionisasi berantai karena medan listrik
mempercepat elektron sehingga elektron
memiliki energi yang cukup untuk mengionisasi
gas. Adapun elektron awal disinyalir terbentuk
oleh adanya radiasi sinar kosmis pada molekul
atau gas.
V
maksimal pada sistem pembangkit plasma
lucutan penghalang dielektrik menghasilkan nilai
arus sebesar 17 A . Tegangan yang diberikan
pada sistem pembangkit plasma ini dinaikkan
sehingga arus yang dihasilkan akan semakin
meningkat. Hal ini disebabkan karena timbulnya
medan listrik yang semakin tinggi sehingga
energi elektron pun semakin besar dan terjadinya
tumbukan antara elektron dengan molekulmolekul oksigen yang dapat mengakibatkan
terjadinya proses ionisasi berantai sehingga
menghasilkan elektron lebih banyak lagi.
Pada tegangan 3 kV–3,6 kV, mulanya arus
meningkat dengan kenaikan arus 1 A pada
setiap kenaikan tegangannya. Akan tetapi, pada
tegangan 3,8 kV-4,2 kV arus meningkat dengan
nilai yang lebih besar dari tegangan sebelumnya.
Kemudian untuk tegangan 4,4 kV-5 kV, arus
meningkat tajam sebesar 3 A pada setiap
kenaikan tegangannya. Karena kenaikan arus
yang tidak berbanding lurus dengan tegangannya
maka grafik ini akan memiliki kecendrungan
bentuk persamaan I s  V 2 . Bentuk grafik ini
menyamai kecendrungan pada arus saturasi
untuk lucutan plasma korona berkonfigurasi
point to plane (Sigmond, 1982). Pada grafik arus
saturasi ini menghasilkan nilai mobilitas arus
unipolar  diperoleh 0,513 cm2 / Vs.
Konsentrasi Gas Ozon sebagai Fungsi
Tegangan dengan Waktu Konstan
Pada sistem pembangkit lucutan plasma
penghalang dielektrik yang digunakan dalam
penelitian ini dimulai pada tegangan 3,8 kV
sampai dengan 5 kV karena pada kisaran
tersebut telah terbentuk plasma yang dapat
menghasilkan ozon.
20
5
0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
Tegangan (kV)
Gambar 9. Grafik karakteristik arus listrik
sebagai fungsi tegangan
Gambar 9 menunjukkan arus sebagai fungsi
tegangan pada sistem pembangkit plasma
diawali pada tegangan 3 kV yang menghasilkan
arus sebesar 1 A . Sedangkan pada tegangan
260
240
220
200
180
1 menit
2 menit
3 menit
4 menit
5 menit
6 menit
7 menit
160
140
120
100
80
60
40
20
0
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
Tegangan (kV)
(a)
4,8
5,0
Konsentrasi Ozon (µppm)
10
1 menit
2 menit
3 menit
4 menit
5 menit
6 menit
7 menit
180
280
Konsentrasi Ozon (µppm)
Arus (µA)
15
160
140
120
100
80
60
40
20
0
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
Tegangan (kV)
(b)
4,8
5,0
50
45
40
35
1 menit
2 menit
3 menit
4 menit
5 menit
6 menit
7 menit
30
25
20
15
10
5
0
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
Tegangan (kV)
(c)
Gambar 10. Grafik hubungan antara konsentrasi
sebagai fungsi tegangan dengan debit alir gas
(a). 0,5 L/menit, (b). 1,5 L/menit, dan (c). 2,5
L/menit
Dari grafik 10 dapat terlihat bahwa
karakteristik dari ketiga debit alir gas
mempunyai kecendrungan bentuk yang sama.
Konsentrasi ozon semakin meningkat dengan
peningkatan tegangan yang diberikan. Pada
tegangan 3,8 kV sampai dengan 4 kV (debit alir
gas 0,5 L/menit) konsentrasi ozon yang
dihasilkan mengalami kenaikan dengan gradien
yang kecil. Kenaikan ini disebabkan karena
semakin meningkatnya kuat medan listrik
diantara kedua elektroda untuk mengionisasi gas,
sehingga semakin banyak spesies aktif yang
dihasilkan untuk menghasilkan ozon dari reaksi
kimia yang terjadi.
Konsentrasi
ozon
yang
dihasilkan
meningkat sampai pada waktu perlakuan 7 menit
karena konsentrasi ozon meningkat dengan
meningkatnya jumlah elektron (akibat proses
ionisasi) dalam setiap waktu yang digunakan gas
untuk mengubah O 2 menjadi O 3 . Molekul gas
yang bertumbukan dengan elektron akan
menghasilkan atom oksigen dengan reaksi
sebagai berikut:
e+O 2  O+O+e
(R-8)
Tumbukan tak elastis pada elektron bebas akan
mengionisasi molekul gas yang ada di dalam gas
oksigen yang melewati celah antar elektroda
sehingga menghasilkan lebih banyak elektron
bebas yang akan mengalami reaksi yang
berulang-ulang sehingga terjadi pelipatgandaan
elektron (streamer). Lucutan yang dibangkitkan
oleh ion akan terdistribusi pada permukaan
dielektrik. Lucutan mikro yang terjadi dalam
jumlah besar akan meningkatkan konsentrasi
ozon.
Konsentrasi ozon terus meningkat secara
tajam pada tegangan 4,0 kV sampai dengan 4,8
kV dengan gradien yang besar, karena pada
range tegangan ini breakdown lucutan gas telah
tercapai. Sedangkan pada range tegangan 4,8
kV sampai 5,0 kV, konsentrasi ozon naik dengan
gradien yang kecil karena breakdown lucutan
gas yang tercapai ini menghasilkan pergerakan
elektron yang sangat cepat dari tegangan
sebelumnya. Sehingga konsentrasi ozon pada
tegangan ini mengalami kenaikan yang kecil
dibandingkan dengan kenaikan konsentrasi ozon
pada tegangan 4,0 kV-4,8 kV.
Jumlah elektron yang semakin meningkat
karena
penambahan
tegangan
dapat
meningkatkan proses ionisasi gas untuk produksi
ozon. Kenaikan ozon yang kecil pada tegangan
4,8 kV-5,0 kV disebabkan karena jumlah
partikel gas yang mengalir lebih sedikit
dibandingkan dengan jumlah elektron primer
yang dihasilkan dari tegangan yang diberikan.
Dalam keadaan ini, energi kinetik elektron yang
dihasilkan untuk menumbuk atom atau molekul
gasnya akan semakin besar karena adanya fotonfoton yang terbentuk dari emisi elektron (Shira,
1998).
Proses pelipatgandaan elektron karena
tumbukan tak elastik yang terjadi secara
berulang kali akan terdistribusi secara merata
terhadap ruang dan waktu, yang juga semakin
banyaknya gas yang terionisasi di dalam tabung
lucutan. Kumpulan streamer ini akan
membentuk lucutan mikro karena durasi
pendistribusian pada permukaan dielektrik yang
sangat pendek. Lucutan yang terbentuk tersebut
akan berkumpul pada permukaan dielektrik yang
akan menghasilkan medan listrik balik dan akan
menghentikan arus dalam waktu nanodetik
(Malik, et al, 2000).
Pengaruh debit alir gas oksigen murni
terhadap konsentrasi ozon
Debit alir gas sangat mempengaruhi hasil
konsentrasi ozon seperti yang ditunjukkan pada
gambar 10.
0,5 L/men
1,5 L/men
2,5 L/men
250
Konsentrasi Ozon (µppm)
Konsentrasi Ozon (µppm)
55
200
150
100
50
0
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
Tegangan (kV)
Gambar 11 Grafik hubungan konsentrasi ozon
sebagai fungsi tegangan dengan waktu 4 menit
Pada gambar 11 ini merupakan karakteristik
konsentrasi ozon sebagai fungsi tegangan
dengan debit alir gas 0,5 L/menit, 1,5 L/menit,
dan 2,5 L/menit (pada waktu konstan 4 menit).
Pada debit aliran gas 0,5 L/menit, konsentrasi
ozon sebagai fungsi tegangan yang dihasilkan
lebih tinggi karena energi elektron yang
digunakan saat terjadi tumbukan dengan molekul
gas lebih sedikit karena kecepatan alir molekul
gas oksigen ini lebih lambat dibandingkan
dengan debit aliran gas 1,5 L/menit dan 2,5
L/menit. Gas oksigen dengan debit aliran yang
lebih kecil akan menghasilkan ozon yang lebih
tinggi karena gerak aliran yang semakin lambat
maka semakin lama molekul gas itu tinggal di
dalam sistem pembangkit lucutan plasma
menyebabkan semakin banyaknya molekul gas
yang dapat terionisasi di dalam celah antar
elektroda.
Pada debit alir gas 1,5 L/menit dan 2,5
L/menit
dapat
menyebabkan
semakin
menurunnya konsentrasi ozon yang dihasilkan.
Hal ini disebabkan karena semakin banyak gas
yang mengalir ke dalam tabung reaktor, dapat
menyebabkan berkurangnya waktu molekul gas
yang berada pada saat proses ionisasi
berlangsung (daerah ionisasi) sehingga molekul
gas yang terionisasi hanya sedikit.
Dalam penelitian ini lintasan bebas rerata
juga harus diperhitungkan secara fisis dan
teoritik. Hal ini disebabkan karena dalam proses
pembentukan plasma akan terjadi proses
tumbukan yang terjadi secara terus menerus.
Dimana molekul-molekul gas akan sangat sering
menumbuk
partikel-partikel
atau
saling
menumbuk satu sama lainnya (walaupun pada
tekanan rendah sekalipun) sehingga dapat
menyebabkan kerapatan gas menjadi berkurang.
Konsep lintasan bebas rerata digunakan
untuk mengetahui peristiwa-peristiwa yang
terjadi di dalam konduksi gas. Lintasan bebas
rerata merupakan lintasan dengan garis
penampang lintang di antara partikel-partikel
yang bertumbukan secara berturut-turut. Adapun
lintasan bebas rerata dapat dinyatakan di dalam
rumus:   1 . Secara teoritik, dapat diketahui
N
bahwa lintasan bebas rerata berbanding terbalik
dengan kerapatan gasnya. Sehingga semakin
besar jumlah partikel gas di dalam tabung
reaktor dapat menyebabkan nilai lintasan bebas
rerata partikel semakin kecil (Nasser, 1971).
Secara fisis, bahwa semakin besar debit alir
gas akan menghasilkan jumlah molekul gas di
dalam tabung semakin meningkat sehingga
lintasan bebas reratanya semakin kecil. Hal ini
disebabkan karena seringnya proses tumbukan
yang terjadi secara berturut-turut antara partikel
gas dengan ozon karena lintasan bebas rerata
partikel gas yang kecil. Semakin rapat partikel
gas dalam tabung reaktor (debit alir besar) maka
dapat mengakibatkan elektron-elektron tidak
mudah untuk menambah energinya (dari medan
listrik maupun melalui proses ionisasi).
Elektron-elektron ini akan mudah kehilangan
energi kinetiknya karena seringnya tumbukantumbukan yang terjadi secara berturut-turut,
sehingga elektron-elektron tersebut akan sukar
untuk membelah molekul gas oksigen dalam
proses dissosiasi. Adapun tumbukan awal yang
terjadi di antara keduanya disinyalir merupakan
tumbukan lenting karena elektron-elektronnya
menumbuk partikel-partikel gas yang rapat maka
elektron-elektron tersebut hanya akan kehilangan
sedikit energi, yang tidak dapat menyebabkan
ionisasi atom gas. Adapun hal ini dapat
mengakibatkan atom-atom gas yang terionisasi
sangat sedikit sehingga proses pelipatgandaan
elektron yang terjadi dalam plasma lebih lama
tercapai untuk proses ionisasi selanjutnya.
Sehingga pembentukan ozon dan senyawasenyawa radikal bebas melalui reaksi kimia yang
terjadi di dalam plasma akan semakin berkurang
karena terhalangnya proses ionisasi atom gas
tersebut. Hal inilah yang dapat menyebabkan
konsentrasi ozon akan semakin berkurang
dengan semakin tingginya debit alir gas di dalam
tabung reaktor.
Sedangkan untuk debit alir gas yang rendah,
partikel-partikel gas di dalam tabung memiliki
kerapatan gas yang kecil. Karena kerapatan gas
berbanding terbalik dengan lintasan bebas rerata
partikelnya maka lintasan rerata partikel gas
yang dihasilkan menjadi lebih besar. Adapun
tumbukan awal antara elektron-elektron dengan
partikel gas merupakan tumbukan tidak lenting
karena seluruh energi elektronnya digunakan
untuk mendissosiasi partikel-partikel gas. Hal ini
dapat menyebabkan elektron-elektron tersebut
memiliki energi yang lebih besar untuk
membentuk ion-ion dan radikal bebas dalam
proses ionisasi. Dimana elektron-elektron
tersebut akan mendapatkan tambahan energi dari
medan listrik agar dapat melakukan proses
5 menit
10 menit
15 menit
20 menit
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
Tegangan (kV)
Konsnetrasi dissolved ozon (µppm)
(a)
(b)
1,6
5 menit
10 menit
15 menit
20 menit
1,4
1,2
1,0
0,8
O3 + O
 O2 + O2
(R-9)
sehingga ozon yang telah terbentuk akan
terurai kembali menjadi molekul oksigen. Reaksi
yang
berulang-ulang
akan
mengurangi
konsentrasi ozon yang terbentuk di udara,
konsentrasinya juga mengalami penurunan,
karena ozon mempunyai sifat yang tidak stabil
dan mudah berubah kembali menjadi oksigen.
Pada kebanyakan reaksi (pada temperatur
kamar), ozon dapat beroksidasi dengan cepat di
dalam air daripada oksigen. Hasil dari keluaran
reaktor plasma senyap tidak seluruhnya
menghasilkan ozon, akan tetapi spesies-spesies
aktif lain juga dihasilkan di dalam reaktor ini.
Spesies-spesies aktif yang dihasilkan dari
lucutan plasma penghalang dielektrik, antara
lain; e-, O2 , O  , O  , dan O3 .
Ozon yang dilarutkan kedalam air ini akan
mengalami proses dekomposisi dengan air.
Konsentrasi gas ozon di udara selalu lebih besar
daripada konsentrasi dissolved ozon di dalam air
untuk waktu dan tegangan yang sama. Hal ini
ditunjukkan pada gambar 13 yang merupakan
hubungan antara konsentrasi ozon di udara dan
konsentrasi dissolved ozon di dalam air sebagai
fungsi tegangan pada waktu konstan 5 menit.
0,6
Gas ozon di udara
Dissolved ozon di dalam air
0,4
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
Tegangan (kV)
(c)
Gambar 12. Grafik hubungan konsentrasi
dissolved ozon di dalam air sebagai fungsi
tegangan dengan debit alir gas (a). 0,5 L/menit,
(b). 1,5 L/menit, dan (b). 2,5 L/menit
Seperti yang terlihat pada gambar 12
Konsentrasi dissolved ozon di dalam air
mengalami kenaikan yang berbanding lurus
dengan tegangan yang diberikan karena semakin
besar medan listrik yang dihasilkan, pada
kondisi ini proses ionisasi dapat terus
berlangsung. Dimana molekul-molekul gas
oksigen yang tereksitasi pun semakin besar,
sehingga dapat meningkatkan reaksi kimia yang
terjadi dengan memproduksi ozon.
Penurunan yang terjadi pada konsentrasi
dissolved ozon di dalam air dapat disebabkan
karena molekul ozon di dalam sistem
pembangkit
lucutan
plasma
penghalang
dielektrik ini mengalami tumbukan lagi dengan
atom oksigen yang akan menyebabkan reaksi
sebagai berikut:
250
Konsentrasi Ozon (µppm)
Konsnetrasi dissolved ozon (µppm)
ionisasi selanjutnya. Dalam hal ini, proses
pelipatgandaan elektron lebih mudah tercapai
sehingga proses ionisasi akan terus berlangsung
untuk meningkatkan jumlah plasma yang disertai
dengan peningkatan konsentrasi ozonnya.
Konsentrasi Dissolved Gas Ozon di dalam Air
sebagai Fungsi Tegangan dengan Waktu
Konstan
Pada subbab ini dibahas karakteristik
konsentrasi dissolved ozon di dalam air sebagai
fungsi tegangan dengan waktu keluaran gas dan
kecepatan alir gas yang konstan.
200
150
100
50
0
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
Tegangan (kV)
Gambar 13. Grafik hubungan konsentrasi ozon
di udara dan konsentrasi dissolved ozon di dalam
air sebagai fungsi tegangan dengan debit alir gas
0,5 L/menit
Ozon yang terlarut di dalam air ini
mengalami proses reaksi reduksi-oksidasi
dengan air. Dimana waktu perlakuan dissolved
ozon lebih lama daripada waktu perlakuan ozon
yang tidak dilarutkan di dalam air (di udara).
Sehingga semakin lama ozon yang dilarutkan di
dalam air dapat menyebabkan dissolved ozonnya
semakin berkurang. Hal ini disebabkan karena
ozon memiliki short lived yang terbatas di dalam
air daripada short lived ozon di udara. Sehingga
semakin lama waktu perlakuan ozon yang
terlarut di dalam air ini dapat menyebabkan
konsentrasi dissolved ozonnya akan semakin
berkurang. Hal ini disebabkan karena molekulmolekul ozon yang terlarut di dalam air tersebut
telah kembali menjadi gas oksigen, dimana hal
ini merupakan reaksi oksidasi-reduksi yang
terjadi antara ozon dengan air (Montgomery,
1985).
Proses dekomposisi ozon di dalam air
merupakan reaksi kesetimbangan yang terjadi
antara ozon yang beroksidasi dengan air.
Adapun reaksi kesetimbangan yang dapat terjadi
dari ozon di dalam air (larutan asam dan larutan
basa) seperti terlihat pada (R-10) sampai (R-13).
Reaksi antara gas ozon dengan larutan yang
bersifat asam:
O2  4 H   4e E   1,23V (R-10)
2H 2 O
2O3  4 H   4e   2O2  2H 2O E   2,07V (R-11)
---------------------------------------------------------+
2O3 g   3O2
E   0,84V
Reaksi antara gas ozon dengan larutan yang
bersifat basa:

4OH 
O2  2H 2 O  4e E  1,23V (R-12)
2O3  2 H 2O  4e   2O2  4OH  E   2,07V (R-13)
---------------------------------------------------------+
2O3 g   3O2
E   0,84V
(Holum, 1993)
Dari reaksi (R-10) sampai (R-13) diatas
dapat memperlihatkan bahwa ozon memiliki
potensial pereduksi yang besar untuk membunuh
senyawa inorganik beserta material organiknya.
Dimana ozon yang terlarut di dalam air yang
bersifat asam maupun basa akan berubah
kembali menjadi oksigen yang terlarut di dalam
air (dengan short lived 40 menit). Ozon yang
dihasilkan dari lucutan plasma penghalang
dielektrik ini dapat digunakan sebagai aplikasi
desinfektan air, yang dapat menghilangkan
polutan-polutan dalam air.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Dari semua pembahasan dan penjelasan
pada penelitian ini dapat ditarik kesimpulan
sebagai berikut :
1. Sistem
pembangkit
plasma
senyap
menggunakan lapisan penghalang dielektrik
yang memiliki bentuk konfigurasi silinderkoaksial (kawat spiral silinder) dapat
digunakan untuk memproduksi ozon.
2. Konsentrasi gas ozon di udara selalu lebih
besar dari konsentrasi dissolved ozon di
dalam air untuk tegangan dan waktu yang
sama.
3. Kenaikan tegangan yang diberikan dapat
meningkatkan konsentrasi ozon dan
konsentrasi dissolved ozon di dalam air
yang dihasilkan dari sistem pembangkit
plasma lucutan penghalang dielektrik
4. Konsentrasi ozon yang dihasilkan dari
sistem
pembangkit
lucutan
plasma
penghalang dielektrik mempunyai nilai
tertinggi pada penggunaan debit alir gas
terkecil yaitu 0,5 L/menit dibandingkan
dengan debit alir gas 1,5 L/menit dan
2,5L/menit.
5. Semakin besar kerapatan suatu gas (debit
alir gas besar) dapat menyebabkan jalur
jalan bebas rerata partikel gas semakin kecil
yang menghasilkan konsentrasi ozon
semakin berkurang.
6. Konsentrasi dissolved ozon di dalam air
semakin menurun berdasarkan variasi waktu
perlakuan ozon di dalam air.
Saran
Hal yang perlu dilakukan selanjutnya:
1. Tegangan yang diberikan pada sistem
pembangkit lucutan plasma penghalang
dielektrik sebaiknya lebih besar dari 5 kV
agar dapat mengetahui batas tegangan
breakdownnya.
2. Melakukan penelitian dengan debit alir gas
yang lebih kecil dari 0,5 liter/menit agar
ozon yang dihasilkan lebih banyak.
3. Pengujian ozon dan dissolved ozon di dalam
air
sebaiknya
dilakukan
dengan
menggunakan
ozon
analyzer
agar
mendapatkan hasil yang lebih baik daripada
pengujian ozon (dalam larutan penyerapan)
yang dilakukan dengan spektrofotometer
UV vis.
4. Pada sistem pembangkit plasma sebaiknya
dikondisikan dalam keadaan vakum agar
proses lucutan gas yang terjadi di dalam
tabung lucutan gas dapat maksimal.
5. Melakukan pengukuran konsentrasi oksigen
di dalam air agar dapat diketahui nilai dari
konsentrasi dissolved ozon yang telah
berokdidasi kembali menjadi oksigen
6. Melakukan penelitian lebih lanjut agar dapat
memperoleh konsentrasi ozon yang efektif
sebagai aplikasi desinfektan air (konsentrasi
efektif ozon adalah 0,5 ppm-2 ppm).
DAFTAR PUSTAKA
Alonso, M., dan Finn, E.J., 1994, Dasar-Dasar
Fisika Universitas Jilid 2, Edisi Kedua,
Erlangga, Jakarta.
Bechaux, J., 1979, Water Treatment Hand Book
Fifth Edition, John Wiley and Sons,
New York.
Chang, J. S., 1993, Energetic Electron Induced
Plasma Process for Reduction of Acid
and Greenhouse in Combustion Flue
Gas, diedit oleh Penitrante, B. M., and
Schultheis, S. E., NATO ASI Series,
Springer Verlag.
Chapman, B., 1990, Glow Discharge Processes,
John Willey & Sons, New York.
Chen, J., dan Davidson, J.H., 2002, Electron
Density and Energy Distributions in the
Positive DC Corona: Interpretation for
Corona-Enhanced Chemical Reactions,
Plasma
Chemistry
and
Plasma
Processing, Vol. 22, pp 199-224.
Chen, J., dan Davidson, J.H., 2003, Model of the
Negative DC Corona Plasma :
Comparison to the Positive DC Corona
Plasma, Department of Mechanical
Engineering University of Minnesota,
Minneapolis,
http://www.menet.umn.edu/~jhchen/neg
_corona_plasma_final.pdf.
Giancoli, D.C., 1998, Fisika Jilid 1, Edisi
Kelima, Erlangga, Jakarta.
Holum, dan Brady, 1993, Chemistry The Study
of Matter and its Changes, John Wiley
and Sons. inc, New York.
Kickuth, R., et al, 2001, Plasma Technology
with
Process
Diversity
and
Sustainability, Translated by Dr.
Angela Lahee, Federal Ministry of
Education and Research, German.
Kogelschatzt, U., et al, 1999, From Ozone to
Flat Television Screens: History and
Future Potential of dielectric-Barrier
Discharges, ABB Corporate Research
Ltd, Switzerland.
Konuma, M., 1992, Film Deposition by Plasma
Tecniques, Springer_Verlag, Berlin
Korzekwa, R., et al, 1998, Experimental Results
Comparing Pulsed Corona and
Dielectric Barrier Discharges for
Pollution Control, Los Alamos National
Laboratory, Los Alomos.
Kuraica, M. M., et al, 1996, Application of
Coaxial Dielectric Barrier Discharge
for Portable and Waste Water
Treatment, Faculty of Physics, Serbia
and Montenegro.
Lieberman, M. A., dan Lichtenberg, A. J., 2005,
Principles of plasma discharges and
materials processing second edition,
John Wiley and Sons, United State of
America.
Malik, M. M., at al, 2000, Water purification by
Electrical Discharges, PINSTECH,
Pakistan.
Marr, G.V., 1967, Photoionization Processes in
Gases, Academic Press, New York.
McClellan, 2003, The Silent Discharge Plasma
Technology
Nonequilibrium
Nonthermal Plasma to Oxidize Organic
Contaminants,
ENV
America
Incorporation,
United
States
of
America.
Miyoshi, Y., 2000, Treatment Technology for
Colored Waste Water, APEC, The
Tokyo Metropolitan Research Institute
for Environmental Protection, Japan.
Montgomery, J.M., 1985, Water Treatment
Principles and Design, John Wiley and
Sons, Canada.
Nasser, E., 1971, Fundamental of Gasseous
Ionization and Plasma Electronics,
Wiley-Interscience, New York.
Nur, M., 1998, Fisika Plasma dan Aplikasinya,
Stadium General Fisika Universitas
Diponegoro, Semarang.
Orlandini, O., and Riadel, U., 2000, Chemical
Kinetics of NO Removal by Pulsed
Corona Discharges, Journal Phys. D:
Appl. Phys., Vol 33, pp 2467-2474.
Orlandini, O., and Riadel, U., 2001, Modelling of
NO and HC Removal by Non-Thermal
Plasmas, Combustion Theory and
Modelling,
Institute
if
Physics
Publishing, Vol. 5, pp 447-462
Oxtoby, D.W., and Nachtrieb, N.H., 1986,
Principles of Modern Chemistry,
Saunders College Publishing, United
States of America.
Panicker, P, 2003, Ionisation Of Gas By Corona
Discharge, S-2, Thesis, Universitas
Texas, Arlington.
Radojevic, M., dan Bashkin, V.N., 1999,
Practical Environmental Analysis,
Royal Society of Chemistry, England.
Rahel, J., et al , 2000, Study of Ozone
Production by Negative Corona
Discharge in Mixtures of Oxygen with
some
Chlorinated
Methanes,
Department of Plasma Physics,
Comenius University, Slovakia.
Raizer, Y.P., 1991, Gas Discharge Physics,
Springer-Verlag, Berlin.
Reitz, J.R., et al., 1993, Dasar Teori Listrik
Magnet, Edisi ketiga, Terjemahan oleh
Suwarno Wiryosimin, Penerbit Institut
Teknik Bandung (ITB), Bandung.
Shira, 1998, Dielectric Barrier Discharge,
lecture_notes, Plasma Procces,note.pdf,
Japan.
Sigmond, R.S., 1982, Simple Approximation
Treatment of Unipolar Space chargeDominated Corona: The Warburg Law
and
the
Saturation
Current,
J.Appl.Phy., 53(2), 891-898.
Spyrout, N., et al, 1994, New Result on a Point–
to-Plane DC Plasma Reactor in LowPressure Dried Air, Journal Phys. D:
Appl. Phys., Vol. 27, pp 2329-2339.
Stratton, B.C., et al, 1998, Synthesis of ozone at
Atmospheric pressure by a Quenched
Induction-Coupled Plasma Torch,
Princeton Plasma Physics Laboratory,
Princeton University, England.
Sugiarto, A.T., 2002, Atasi Polusi dengan
Plasma, Pusat Penelitian KIM-LIPI,
Tangerang.
Tango, S. M., Gagnon, G.A., 2003, Impact of
Ozonation on Water Quality in Marine
Recirculation Systems, Departement of
Civil
Engineering,
Dalhousie
University, Canada.
Tipler, P.A., 1991, Fisika untuk Sains dan
Teknik Jilid 2, Edisi Ketiga, Erlangga,
Jakarta.
Tseng, C.H., 1999, The application of Pulsed
Corona Discharge Technology in Flue
Gas
Desulfurization
and
Denitrification, The Air & Wasre
Management association’s 92nd Annual
Meeting & Exhibition, St. Louis,
Missouri, USA, http://.chaoheng.ip.com/Awma99Poster.pdf.
Valyi, L., 1977, Atom and Ion Source, Central of
Research Institute for Physics of the
Hungarian Academy of Science, John
Willey and Sons, London.
Vlack Van., L., H., 2001, Elemen-Elemen Ilmu
dan Rekayasa Material, Edisi Keenam,
Penerjemah Ir. Ny. Sriati Djaprie, M.
E., M. Met, Erlangga, Jakarta.
Wangsness, R.K., 1986, Electromagnetic Fields
Second Edition, John Wiley and Sons,
New York.
Williams, R.B., dan Culp, G.L., 1986, Hand
Book of Public Water Systems, VNE,
Van Nostrand Reinhold, New York.