Pengaruh Laju Alir Dan Tegangan Listrik Terhadap Proses

Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
Pengaruh Laju Alir Dan Tegangan Listrik Terhadap Proses Pengayaan
Oksigen Dari Udara Menggunakan Medan Elektromagnet
Nelson Saksono, Setijo Bismo, Danu Febiyanto
Departemen Teknik Gas dan Petrokimia , Fakultas Teknik Universitas Indonesia,
Kampus UI Depok , Depok 16424 Tel. 786-3515, 786-3516
E-mail : [email protected]
Abstrak
Metode pemisahan udara yang lazim dikenal dapat memisahkan oksigen dengan kadar oksigen cukup
tinggi antara lain adalah teknologi kriogenik, PSA, VSA dan membran. Selain metode tersebut, ada metode
alternatif lain yang telah dikembangkan beberapa tahun terakhir ini, yaitu metode pemisahan udara dengan
magnetisasi. Prinsip teknologi pemisahan ini berdasarkan sifat kemagnetan dari oksigen yang bersifat
paramagnetik, dan nitrogen yang bersifat diamagnetik. Jika suatu udara dilewatkan pada daerah yang
termagnetisasi, maka oksigen akan tertarik dan nitrogen akan tertolak sehingga kedua unsur tersebut akan
terpisahkan. Untuk membuktikan hipotesis tersebut, digunakan alat pengayaan oksigen menggunakan medan
elektromagnetik. Penelitian dilakukan dengan cara mengalirkan udara dengan laju alir tertentu melalui alat
pengayaan tersebut, udara yang keluar melalui salah satu pipa adalah udara yang kaya oksigen dan di pipa lain
akan kaya nitrogen. Berdasarkan penelitian yang dilakukan dengan variasi laju alir udara dan tegangan listrik
didapat peningkatan konsentrasi oksigen sebesar 1,05 % dan 0,66 %. Hasil tersebut cukup membuktikan
kebenaran akan hipotesis bahwa oksigen dapat terpisahkan dari udara menggunakan metode elektromagnet.
Abstract
The method of air separation with high oxygen rate that has widely known are cryogenic technology,
PSA, VSA and membrane. Besides the method, there is another alternative method which have been developed
at this last some years, that is method of air separation with magnetization. The principal of this technology is
the nature of magnetism from oxygen which is paramagnetic, and nitrogen which is diamagnetic. If air is
passing through an area with the magnetic field, the oxygen will be sligthly attracted by the magnetic field and
the nitrogen will be repelled, so that both of the element will be dissociated. To prove the hypothesis, an
appliance of oxygen enrichment using electromagnetic field is constructed. Research conducted by flowing air
with certain flow rate through the appliance of the enrichment, the air flowing out through one of the outlet pipe
is rich of oxygen and the othe pipe will be rich of nitrogen. Based on the of research conducted with variation of
air flow rate and the electricity voltage, the improvement of oxygen concentration is equal to 1,05 % and 0,66
%.. The result prove hypothesis that oxygen can be separated from the air using electromagnet method.
1. Pendahuluan
Dewasa ini, ada beberapa teknologi pemisahan udara yang lazim digunakan untuk mendapatkan oksigen
dengan kadar yang cukup tinggi. Metode yang sering digunakan antara lain adalah metode pemisahan kriogenik,
metode PSA (Pressure Swing Adsorption), metode VSA (Vacuum Swing Adsorption), dan metode pemisahan
membran. Metode yang telah disebutkan di atas banyak digunakan dalam dunia industri dalam skala besar,
prosesnya relatif rumit, dan tentunya memerlukan biaya yang tidak murah [1].
Selain metode tersebut, ada metode alternatif lain yang telah dikembangkan beberapa tahun terakhir ini,
yaitu metode pemisahan udara dengan magnetisasi. Proses pemisahan ini memiliki tujuan utama untuk
meningkatkan kadar oksigen yang dipisahkan (enrichment) yang nantinya akan sangat berguna dalam proses
aplikasi oksigen lainnya
Proses magnetisasi merupakan salah satu metode pemisahan dan pengayaan oksigen (oxygen enriching)
untuk keperluan industri dan rumah tangga yang tidak membutuhkan kadar oksigen yang tinggi, seperti proses
pembakaran, pembuatan baja, pengelasan, dan proses air conditioning.
Proses pemisahan ini relatif sederhana, sehingga mudah diterapkan dan relatif lebih ekonomis dalam hal
pembiayaan, walaupun dalam hal tingkat pemisahan oksigen relatif lebih rendah dibandingkan proses yang biasa
digunakan dalam industri. Prinsip teknologi ini berdasarkan sifat kemagnetan dari oksigen yang bersifat
paramagnetik, dan nitrogen yang bersifat diamagnetik. Jika udara dilewatkan pada daerah yang termagnetisasi,
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
1
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
maka oksigen akan tertarik dan nitrogen akan tertolak sehingga kedua unsur tersebut akan terpisahkan. Dalam
pembahasan ini, proses magnetisasi yang dilakukan menggunakan medan elektromagnet.
Molekul oksigen bersifat paramagnetik, hal ini dapat dijelaskan berdasarkan konfigurasi elektron oksigen.
Terdapat dua elektron yang memiliki propabilitas untuk tidak berpasangan. Elektron yang tidak berpasangan
inilah yang menyebabkan molekul oksigen bersifat paramagnetik. Sedangkan gas nitrogen semua elektronnya
berpasangan sehingga bersifat diamagnetik [2].
Sifat paramagnetik dan diamagnetik ini dapat dilihat juga berdasarkan nilai magnetic susceptibility. Yaitu
sebuah sifat yang menyatakan seberapa besar kecenderungan suatu zat untuk dapat dipengaruhi oleh adanya
medan magnet.
Tabel 1. Magnetic Susceptibility [3]
Jenis
Magnetic
material
susceptibility (cm3/g)
N2 (gas)
-0,43 x 10-6
O2 (gas)
+106,2 x 10-6
Material yang bersifat paramagnetik memiliki nilai magnetic susceptibilty positif, sedangkan yang bersifat
diamagnetik nilainya negatif.
Berdasarkan sifat ini, maka jika udara dilewatkan pada daerah yang termagnetisasi, oksigen akan tertarik
dan nitrogen akan tertolak sehingga kedua unsur tersebut akan terpisahkan.
Pemisahan oksigen akan efektif jika kekuatan medan magnetnya cukup besar dan adanya variasi kekuatan
medan magnet secara mikroskopik yang dihasilkan dari induksi medan magnet. Variasi kekuatan medan magnet
yang dimaksud mirip dengan fenomena adsorpsi-desorpsi. Ketika kekuatan medan magnet besar, oksigen akan
tertarik (teradsorpsi), dan ketika kekuatan medan magnet kecil, oksigen akan lepas (terdesorpsi). Ketika oksigen
lepas pada satu titik, maka akan ditarik oleh titik setelahnya yang memiki kekuatan medan magnet yang besar
sehingga secara keseluruhan oksigen akan terdorong dan terpisah dari nitrogen.
Untuk menghasilkan fenomena tersebut digunakan kumparan solenoida dengan arus lisrik bolak-balik.
Gambar 1. Arah Arus Lisrik dan Garis-Garis Gaya Magnetik Pada Kumparan Solenoida [4]
Persamaan matematika untuk kumparan solenoida adalah:
B = k ni
(1)
Dimana,
B = besar kuat medan magnet (weber/m2)
k = konstanta kesebandingan
= K. µ0 = (Relative Permeability).4 π 10-7
n = jumlah lilitan/panjang kumparan (N/L)
i = kuat arus (A)
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
2
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
Selain kuat medan dan gaya magnet, gradien medan medan juga sangat berpengaruh pada proses
magnetisasi dalam kumparan berarus listrik. Gradien medan magnet adalah suatu perbedaan kuat medan magnet
pada suatu tempat, yang dirumuskan sebagai berikut:
Grad = µ02 H (dH/dy)
(2)
Dimana,
Grad = gradien medan magnet (T2/m)
µ0 = 4 π 10-7 Wb/Am
H =intensitas medan magnet (Tesla)
(dH/dy) = perubahan intensitas medan magnet pada jarak tertentu (Tesla/m)
Hubungan H dan B adalah sebagai berikut:
B = µH = µ0 (1+χ) H
(3)
Dimana,
µ = permeabilitas absolut
χ = kemampuan kemagnetan suatu zat
Jika suatu gas dilewatkan dengan kecepatan tertentu pada suatu kumparan, dan jika di dalam kumparan
tersebut terdapat gradien medan magnet, maka gradien tersebut dapat menyebabkan adanya perbedaan
percepatan [5]. Perbedaan percepatan yang ditimbulkan ini menyebabkan gas yang bersifat paramagnetik dapat
tertarik ke dinding kumparan dan bergerak keluar dari kumparan.
Jika di dalam kumparan tidak terdapat gradien medan magnet atau hanya memiliki medan magnet yang
homogen, maka gas yang bersifat paramagnetik tersebut tidak dapat dipengaruhi oleh medan magnet [5].
Besar kuat medan magnet dan gradien medan maganet ini dapat menghasilkan gaya tarik magnet. Secara
matematis besar gaya tarik di dalam medan magnet ini dinyatakan dengan persamaan :
Fm = (χ/µ0) B (dB/dy)
(4)
Dimana,
Fm = gaya tarik magnet (N)
χ = kemampuan kemagnetan suatu zat
µ0 = permeabilitas ruang hampa = 4 π 10-7
B = besar kuat medan magnet (weber/m2)
(dB/dy) = gradien medan magnet
Gaya tarik ini sangat efektif karena memiliki kekuatan tarik yang cukup besar. Untuk 1 mol oksigen, jika
besar kuat medan magnet 1 Tesla dan gradien medan magnet sebesar 120 T2/m, maka dapat menghasikan gaya
sebesar 4,2 Newton atau sebesar tujuh kali besar gaya gravitasi [6]
2. Metodologi
Alat pengaya oksigen menggunakan medan elektromagnet terdiri dari 3 bagian uama yaitu pipa baja
tahan karat, kumparan kawat tembaga dan rangkaian sumber arus listrik AC. Susunannya dapat dilihat pada
Gambar 2. Udara bertekanan masuk dari sebelah kiri alat dengan tekanan 2 bar dan selanjutnya akan
mengalami arah medan magnet (B) sebesar 571 Gauss. Molekul Oksigen yang bersifat paramagetik akan
mengalami gaya tarik magnet (Fm) kearah dinding magnet dan selanjutnya keluar pada pipa keluaran Oksigen
(pipa T), sementara molekul Nitrogen akan bergerak lurus pada arah sumbu pipa dan keluar pada pipa Nitrogen
(pipa lurus). Arus listrik yang digunakan sebesar 1,3 Ampere , sementara tegangan divariasikan sebesar 11 - 14
volt.
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
3
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
Gambar 2. Alat Pengayaan Oksigen Menggunakan Medan Elektromagnet
Pengujian yang dilakukan meliputi variasi laju alir udara masuk dan tegangan listrik pada arus AC,
kemudian sampel keluaran akan dianalisis menggunakan Kromatogrfi Gas DO Meter . Tingkat pemisahan
dilakukan dengan membandingkan secara langsung komposisi oksigen dengan dan tanpa perlakukan medan
elektromagnet.. Diagram alir penelitian yang dilakukan adalah seperti yang terlihat pada Gambar 3 berikut ini :
Gambar 3. Diagram alir penelitian
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
4
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 4. menunjukkan bahwa perubahan komposisi oksigen berfluktuatif terhadap variasi laju alir 60 s/d
100 cc/s, sehingga tidak dapat dilihat bagaimana pengaruh kenaikan laju alir terhadap efektifitas pemisahan
oksigen.
Namun pada laju alir yang sama dapat terlihat bahwa dengan adanya magnetisasi, terdapat perbedaan
komposisi oksigen antara komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ dengan keluaran tanpa magnet dan keluaran
pipa lurus. Pada semua variasi laju alir, terlihat bahwa komposisi oksigen pada pipa ‘T’ lebih besar dari pada
pipa lurus dan keluaran tanpa magnet.
Untuk laju alir 90 cc/s terjadi perbedaan komposisi oksigen tertinggi antara pipa ‘T’ dan keluaran tanpa
magnet yaitu meningkat sebesar 0,214 % atau tingkat efektifitas pemisahannya sebesar 1,05 %. Gambar 5
menunjukkan tingkat efektifitas pemisahan untuk berbagai variasi laju alir. Hal ini menjelaskan bahwa pada
kondisi tersebut ada indikasi terjadinya pemisahan oksigen dari udara yang keluar melalui pipa ‘T’.
Kandungan Oksigen
Kandungan O
dalam udara (%)
20.6
20.5
20.4
20.3
20.2
20.1
20
60
70
80
90
100
Laju A lir Udara ( cc/ s)
Out let Lurus
Out let T
Tanpa M agnet
Gambar 4. Komposisi Oksigen Sebelum dan Sesudah
Termagnetisasi Pada Variasi Laju Alir
1.2
1
O (%)
Kenaikan Kandungan
Tingkat E fektifitas P emisahan O 2
0.8
0.6
0.4
0.2
0
60
70
80
90
100
La ju A lir Uda ra ( c c / s )
Gambar 5. Tingkat Efektifitas Pemisahan Pada Variasi Laju Alir
Fenomena pemisahan ini disebabkan molekul-molekul oksigen terpengaruhi oleh gaya tarik medan magnet,
tertarik ke dinding pipa dan keluar melalui keluaran pipa ‘T’. Sedangkan nitrogen tidak dipengaruhi medan
magnet dan keluar melalui keluaran pipa lurus. Sehingga komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ lebih besar
dari pada keluaran pipa lurus. Jika tidak termagnetisasi, komposisi oksigen di kedua keluaran tersebut akan
bernilai sama.
Terjadinya pemisahan ini disebabkan oleh faktor waktu tinggal udara yang melewati alat. Semakin lama
waktu tinggal, yaitu pada saat laju alir rendah, maka semakin besar pula kemungkinan udara yang lewat untuk
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
5
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
dipengaruhi oleh medan magnet. Tetapi perubahan yang terjadi tidaklah linier, tetapi cenderung fluktuatif. Salah
satu sebab yang mempengaruhinya adalah kemampuan gas untuk berdifusi.
Setelah mengalami proses pemisahan karena pengaruh medan, udara kemungkinan akan berdifusi kembali
dengan udara asalnya. Proses difusi ini kemungkinan besar memiliki driving force yang lebih besar
dibandingkan dengan laju alir udara yang ada. Kita ketahui bahwa oksigen adalah gas yang mudah untuk
berdifusi kembali ke udara asal yang memiliki konsentrasi yang lebih rendah.
Selain itu konfigurasi elektron oksigen di orbital p, memiliki dua elektron yang tidak berpasangan. Menurut
Kaidah Hund, konfigurasi yang lebih stabil adalah yang memiliki subkulit terisi penuh atau setengah penuh. Hal
ini menyebabkan oksigen tergolong molekul yang tidak stabil, sehingga proses pemisahan yang terjadi tidak
berlangsung optimal.
Kandungan Oksigen
Kandungan O
dalam udara (%)
20.8
20.7
20.6
20.5
20.4
20.3
11
12
13
14
15
Tegangan Listrik ( V olt)
Out let Lurus
Out let T
Tanpa M agnet
Gambar 6. Komposisi Oksigen Sebelum dan
Sesudah Termagnetisasi Pada Variasi Tegangan Listrik
Dari Gambar 6 di atas terlihat bahwa pada semua variasi tegangan, komposisi oksigen pada keluaran pipa
‘T’ lebih besar dari pada keluaran pipa lurus dan keluaran tanpa magnet, akan tetapi perubahannya masih
fluktuatif. Hal ini cukup menjelaskan bahwa tegangan listrik (voltase) mempengaruhi efektifitas pemisahan
oksigen. Komposisi oksigen pada keluaran pipa“T“ cenderung terus meningkat bila dibandingkan pada oksigen
pada pipa tanpa magnet, yaitu pada tegangan 11, 12, dan 13 Volt.
Indikasi pemisahan terbesar terlihat pada tegangan 13 Volt, komposisi oksigen pada keluaran pipa ‘T’ lebih
besar 0,136 % dari pada keluaran tanpa magnet atau tingkat efektifitas pemisahannya sebesar 0,66 %. Tingkat
efektifitas pemisahan untuk berbagai variasi tegangan listrik ditunjukkan pada Gambar 7 berikut ini.
Tingkat E fektifitas P emisahan O 2
0.6
0.5
O (%)
Kenaikan kandungan
0.7
0.4
0.3
0.2
0.1
0
11
12
13
14
15
Tegangan Listrik ( V olt)
Gambar 7. Tingkat Efektifitas Pemisahan Pada Variasi Tegangan Listrik
Sesuai dengan persamaan (1), besarnya kuat arus dan jumlah lilitan mempengaruhi besarnya kuat medan
magnet pada kumparan solenoida. Sedangkan besarnya kuat arus yang dtimbulkan bergantung pada besarnya
tegangan listrik yang diberikan. Pada penelitian ini, dengan melakukan berbagai variasi tegangan listrik, belum
dapat dicapai kuat medan magnet yang dapat menghasilkan pemisahan oksigen yang tinggi. Hal ini disebabkan
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
6
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
untuk dapat mencapai kuat medan magnet yang optimal diperlukan juga jumlah lilitan dan arus yang lebih besar
lagi.
4. Kesimpulan
Tingkat pemisahan oksigen dari udara menggunakan alat pengkaya oksigen telah dapat mengamati
terjadinya proses pemisahan oksigen dari nitrogen. Meskipun tingkat pemisahan yang didapat baru sekitar 1 %,
namun hal tersebut telah menunjukkan adanya suatu indikasi kuat terjadinya pemisahan oksigen dan nitrogen
dari udara akibat adanya medan magnet. Pengaruh variabel penting seperti tegangan dan laju alir umpan
memang belum terlihat jelas dalam penelitian ini hal ini dapat disebabkan masih rendahnya tingkat pemisahan
yang didapat . Besarnya kuat medan medan magnet akan sangat berpengaruh terhadap kinerja alat , penggunaan
medan eletromagnet sebagai sumber medan magnet masih belum cukup efektif menghasilkan medan magnet
yang besar jika dibandingkan dengan magnet permanen , untuk itu diperlukan suatu kajian lanjut dengan
menggunakan magnet permanen sebagai sumber medan magnet.
5. Daftar Acuan
[1] Faisal dan Dwi C., 2004, Laporan Kerja Praktek di PT AIR LIQUIDE Cibitung, Teknik Gas dan Petrokimia
Universitas Indonesia, Depok.
[2] Cotton, F. Albert ,1989, “Kimia Anorganik dasar”, UI-Press, Jakarta.
[3] Wakayama, N. I., 1999, “Utilization of Magnetic Force in Space Experiments”, Adv. Space Res., Vol. 24,
No. 10, pp. 1337-1340, Elsevier Science Ltd.
[4] http://hyperphysics.phy-astr.gssu.edu/hbase/solids/ferro.html
[5] Wakayama, N. I., 1994, “Magnetic Acceleration and Deceleration of O2 gas Stream Injected Air”, IEEE
Transactions On Magnetics, Vol. 31, No. 1.
[6] Iwasaki, M., etc, 1993, “Dynamic Behavior of Gas Flow in Gradient Magnetic Fields”, IEEE Transactions
On Magnetics, Vol. 29, No. 6.
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
7