Sedimentasi

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

    Teknik tertua yang dikenal pada pemurnian air adalah proses Klarifikasi. Proses ini digunakan untuk mengolah air permukaan terutama untuk menghilangkan padatan tersuspensi kasar maupun halus termasuk partikel koloid.

Proses klarifikasi mencakup proses-proses koagulasi, flokulasi dan sedimentasi. Proses koagulasi merupakan suatu penambahan beban kimia atau koagulan tertentu ke dalam air yang disertai dengan pengadukan cepat sehingga terbentuk flok partikel koloid yang sangat halus. Flok – flok halus tersebut selanjutnya mengalami proses flokulasi. Dalam proses ini, flok-flok halus akan membentuk flok yang lebih besar. Proses pemisahan flok – flok itu dapat dilakukan dengan  cara sedimentasi.

Sedimentasi (pengendapan) merupakan salah satu cara pemisahan padatan yang tersuspensi dalam suatu cairan dimana akan terjadi peristiwa turunya partikel – partikel padat yang semula tersebar atau tersuspensi dalam cairan karena adanya gaya berat atau gaya grafitasi, tetapi selama proses sedimentasi ini berlangsung, terdapat tiga gaya yang berpengaruh

a. Gaya Grafitasi

b. Gaya Apung

c. Gaya dorong

(Warren. L. Mc cabe, dkk, 1993).

   Banyak metode separasi mekanik yang didasarkan atas gerakan partikel zat padat atau tetesan zat cair melalui fluida itu mungkin gas atau zat cair dan mungkin berada pada keadaan mengalir atau keadaan diam. Dalam beberapa situasi, tujuan dari pada proses itu adalah untuk mengeluarkan partikel dari arus fluida dan untuk mengeluarkan pengotor yang terdapat didalam fluida atau untuk memulihkan partikel sebagaimana dalam pembersihan udara atau gas buang terhadap debu dan uap racun atau untuk membuang zat padat dari air limbah. Dalam soal-soal lain, partikiel itu sengaja disuspensikan di dalam fluida supaya dapat dipisahkan menjadi fraksi – fraksi yang berbeda ukuran atau densitasnya.

Operasi sedimentasi ini banyak digunakan pada proses pemisahan kimia, metalurgi, maupun pada proses – proses pengurangan polusi  dari air limbah industri. Rancangan peralatan untuk sedimentasi selalu didasarkan pada percobaan sedimentasi pada skala  yang lebih kecil.

Pada percobaan ini bubur di endapkan laju pengendapanya  diukur dengan cara mengamati perubahan konsentrasi pada padatan maupun cairan bening dari atas kebawah yang mana akan terjadi endapan. Dalam percobaan sedimentasi ini akan dibahas juga pembagian zona antara lain zona jernih, zona encer, zona pekat.

Dalam industri  yang digunakan adalah air jernihnya untuk air proses maupun air produksi biasanya untuk mempercepat pengendapan ditambahkan juga koagulan, prosesnya yaitu mengikat butiran butiran kapur menjadi flok – flok sehingga akan lebih cepat jatuh karena semakin besar flok akan semakin besar juga gaya grafitasi yang berpengaruh pada proses pengendapan tersebut.                                                                                                                                                                                                                                                        

1.2  Tujuan Percobaan

Mempelajari cara pemisahan padatan dari suatu suspensi dengan pengukuran laju   pengendapan.

1.3  Batasan Masalah

Pada percobaan sedimentasi ini merupakan proses pemisahan padatan dari suspensi dengan cara mengukur kedalaman lembah dan ketinggian bukit. Adapun pengamatan ini dilakukan sebanyak 9 kali dengan laju alir yang berbeda-beda,mulai dari 10,30 dan 50.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pengertian sedimentasi

Sedimentasi merupakan peristiwa turunya partikel-partikel padat yang semula tersebar merata dalam cairan karena adanya gaya berat, setelah terjadi pengendapan  cairan jernih dapat dipisahkan dari zat padat yang menumpuk di dasar atau biasa disebut dengan pengendapan. Selama proses ini berlangsung, terdapat tiga gaya yang berpengaruh :

a. Gaya Grafitasi

Gaya ini bisa dilihat pada saat terjadi endapan atau mulai turunya pertikel padatan menuju kedasar tabung untuk membentuk endapan. Hal ini terjadi karena massa jenis partikel padatan lebih besar dari massa jenis fluida.

              Fg = m . g ………………………………………….……….(1)

b. Gaya Apung

Gaya apung terjadi jika massa jenis partikel lebih kecil dari massa jenis fluida. Sehingga partikel padatan berada pada permukaan cairan,

m. r. g  r p

 

   Fa =       ………………………………………………...(2)

c. Gaya Dorong

Gaya dorong terjadi pada saat larutan dipompakan ke dalam tabung klarifier. Larutan ini akan terdorong pada ketinggian tertentu. Gaya dorong dapat juga kita lihat pada saat mulai turunya partikel padatan karena adanya gaya Gravitsi, maka fluida akan memberikan gaya yang besarnya sama dengan berat padatan itu sendiri. Gaya inilah yang disebut gaya dorong dan juga gaya yang memiliki arah yang berlawanan dengan gaya gravitasi.

Fd =

                            Ap.V². Cd. r  ……………………..………………………....(3)

                                         2

2.2 Laju Pengendapan

Suatu partikel yang mengendap dalam air karena adanya gaya gravitasi akan mengalami percepatan sampai gaya dari tahanan dapat mengimbangi gaya gravitasi, setelah terjadi kesetimbangan partikel akan terus mengendap pada kecepatan kostan yang dikenal sebagai kecepatan akhir atau kecepatan pengendapan bebas.

Contoh grafik tinggi lumpur (Batas antara zone A dan zone B) V/s waktu ditunjukan pada gambar 1.1 dan selama tahap awal pengendapan kecepatanya tetap sebagai mana terlihat pada bagian pertama kurva itu setelah zat padatnya mengumpul pada zona D laju pengendapan itu berkurang dan berangsur-angsur turun hingga mencapai tinggi akhirnya. Titik kritisnya dicapai pada titik C dalam gambar 1.1

Laju pengendapan lumpur berbeda-beda satu sama lainnya, demikian pula tinggi relatif berbagai zona pengendapanya. Untuk menentukan karakteristik pengendapanya secara teliti, setiap lumpur itu harus diperiksa dengan melakukan eksperimen terhadap masing-masingnya (Mc.Cabe and Smith, “Operasi Teknik Kimia”, Erlangga,1990)

    

                                    Zo

                                           Laju tetap            

                         Z       Zu            

                                                C                 tinggi patah  

                                  Waktu.t

                                 Gerafik 2.1 Laju Sedimentasi

      Laju pengendapan  partikel dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu :

1. Berat jenis air

2. Berat jenis partikel padatan

3. Viskositas air

4. Aliran dalam bak pengendapan

5. Bentuk dan ukuran partikel

Berat jenis fluida lebih besar dari pada berat jenis partikel padatanya, maka laju pengendapanya lamban. Begitu juga sebaliknya, semakin besar berat jenis partikel maka laju pengendapannya cepat.

Laju pengendapan sangat dipengaruhi oleh viskositas dimana viskositas sangat berkaitan erat dengan suhu yang ada. Bila temperatur tinggi maka viskositas menurun sehingga bantuk dan ukuran partikel semakin kecil sehingga laju pengendapan cepat.

Aliran dalam bak pengendapan akan mempengaruhi laju endapan. Pada aliran laminer laju pengendapan cepat sedangkan pada aliran turbulen laju pengendapan akan sangat terganggu maka akan sangat lambat mengendap.

Laju pengendapan partikel – partikel dalam air tergantung pada jenis bentuk dan ukuran dari partikel tersebut dan viskositas cairan yang digunakan. Adanya pengendapan zat uji kemungkinan besar mempengaruhi laju pengendapan sehingga dapat ditentukan lajunya dan mengetahui pangaruh zat uji tersebut. Dimana dilakukan pengambilan sampel tiap selang waktu tertentu dan menimbang berat endapan serta menghitung beberapa konsentrasi endapan yang terjadi sehingga kita dapat membandingkan  kecepatan laju pengendapan dari tiap gerakan partikel pada fluida dalam proses. Partikel yang mempunyai ukuran yang besar dan kasar akan sangat mudah mengendap dari pada partikel halus, untuk padatan yang halus diusahakan menggumpal menjadi partikel yang lebih besar agar cepat mengendap.

(Parikesit, F, Diktat Alat Industri Kimia)

Padatan yang tersuspensi dalam air dapat dibedakan menjadi dua golongan yaitu:

1. Padatan kasar

Adalah padatan yang dapat dipisahkan dengan cara pengendapan yang sederhana dalam waktu yang singkat dimana pada padatan kasar mudah terjadi pengendapanya besar. Pengendapan padatan kasar terjadinya sangat mudah, hal itu terjadi karena pengendapanya lebih besar. Bila terjadi gerakan relatif dengan suatu pertikel yang disekitarnya dikelilingi oleh air tersebut. Maka air akan memberikan tahanan gesek (Drag) kepada partikel itu sebesar :

              

F_d = C_d  .  A_p                      ……………………………………………(4)

2. Padatan halus

Adalah padatan yang tidak dapat dipisahkan dengan cara pengandapan yang sederhana didalam waktu yang relatif singkat atau tidak mempunyai peralatan pengendap yang dapat beroperasi secara komersial mekanisme penggerak  (rake) yang dipasang pada dasar tangki pengendap agar dapat mempermudah pengumpulan suspensi pekat dari dasar tangki.

Berdasarkan tujuan dari bahan yang ingin didapatkan maka sedimentasi ini dapat digolongkan jadi dua macam yaitu :

1. Penjernihan

Klarifier adalah pengendapan partikel padat yang jumlahnya relatif sedikit   (1-5%) dengan suatu tujuan untuk memperoleh cairan yang jernih, proses klarifier mencakup proses flokulasi dan koagulasi. Proses koagulasi merupakan suatu proses dimana penambahan zat kimia atau koagulan tertentu kedalam air yang diolah dan disertai pengadukan cepat sehingga terbentuk flok suatu partikel yang halus selanjutnya mengalami proses flokulasi yaitu penggabungan flok-flok membentuk flok yang lebih besar .

2. Pemekatan (Thickener)

Thickener adalah peningkatan konsentrasi atau konsentrasi zat padat dari campuran yang memiliki zat padat yang relatif banyak (15 - 30 %) dan biasanya hasil padatnya yang diperlukan. Didalam sedimentasi perlu dibedakan antara:

a)      Discrate pertikel adalah partikel yang memiliki ukuran bentuk dan spesifik    

Gravitasi tetap (tidak berubah dengan waktu) selama proses    pemisahan berlangsung.

b)      Flocullant partikel adalah  partikel yang memiliki sifat permukaan yang dapat membesar atau bergabung dengan partikel-partikel lain ketika akan bersinggungan sehingga ukuran bentuk mungkin akan berubah.

2.3   Pemisahan atas dasar gerakan partikel melalui fluida

Banyak metode separasi mekanik yang didasarkan atas gerakan partikel zat padat atau tetesan zat cair melalui fluida itu mungkin gas atau zat cair dan mungkin berada pada keadaan mengalir atau keadaan diam. Dalam beberapa situasi, tujuan dari pada proses itu adalah untuk mengeluarkan partikel dari arus fluida dan untuk mengeluarkan pengotor yang terdapat didalam fluida atau untuk memulihkan partikel sebagaimana dalam pembersihan udara atau gas buang terhadap debu dan uap racun atau untuk membuang zat padat dari air limbah. Dalam soal soal lain, partikel itu sengaja disuspensikan di dalam fluida supaya dapat dipisahkan menjadi fraksi – fraksi yang berbeda ukuran atau densitasnya. Fluida itu lalu dipulihkan, kadang – kadang untuk digunakan kembali, dari partikel yang telah di fraksionasi.

Jelaslah bahwa tiap partikel itu mulai dari keadaan diam terhadap fluida tempat partikel itu terendam, lalu bergerak melaui fluida itu karena adanya gaya–gaya luar, gerakan itu dapat dibagi menjadi dua tahap. Tahap pertama merupakan satu periode singkat dimana berlangsung percepatan, yaitu selama waktu kecepatan itu meningkat dari nol sampai kecepatan terminal. Tahap kedua ialah periode dimana partikel itu berada dalam kecepatan terminalnya.

         

2.4   Proses pengendapan gravitasi

Partikel – partikel yang lebih berat dari fluida tempat patikel itu tersuspensi dapat dikeluarkan didalam kotak pengendapan atau tangki pengendap (Settling Tank) dimana kecepatan fluida itu cukup kecil dan partikel itu mendapat waktu yang cukup untuk mengendap keluar dari suspensi itu akan tetapi, peranti sederhana seperti itu terbatas kegunaanya karena pemisahanya tidak lengkap disamping memerlukan tenaga kerja untuk mengeluarkan zat padat yang mengendap dari dasar tangki.

Separator – separator industri hampir semua mempunyai fasilitas untuk mengeluarkan zat padat yang mengendap pemisahan itu bisa pula hampir lengkap. Peralatan pengendap yang dapat memisahkan hampir seluruh partikel dari zat cair dinamakan klarifikator (Clarifier) sedang peranti yang memisahkan zat padat menjadi dua fraksi disebut klasifikator (Clasifier). Pada kedua alat itu berlaku prinsip sedimentasi yang sama.

2.5    Klasifikator gravitasi

Kebanyakan klasifikator yang digunakan dalam pengolahan kimia memisahkan zat padat atas dasar ukuran partikel dimana densitas partikel halus dan partikel besar itu sama.

Klasifikator mekanik banyak digunakan dalam penggilingan rangkaian tertutup, lebih – lebih dalam operasi metalurgi di sini, partikel yang relative kasar disebut pasir (Sand), sedang bubur partikel halus disebut lanyau (smile). Waktu diatur sedemikian sehingga pasir mengendap ke dasar peranti sedang lanyau terbawa oleh zat cair keluar.

2.6   Flokulasi

Flokulasi adalah proses penggabungan muatan positif dan negatif sehingga membentuk muatan yang lebih besar dengan tujuan menetralisir muatan yang ada pada partikel itu. Banyak yang terdiri dari partikel yang mempunyai muatan listrik karena adanya gaya saling tolak antara muatan yang sama, cenderung selalu terdispersi. Jika kita tambahkan elektrolit, maka ion yang terbentuk di dalam larutan itu akan menetralisir muatan partikel tadi. Partikel itu lalu dapat dialogmerasikan menjadi flok – flok yang masing-masingnya terdiri dari banyak pertikel. Bila partikel semula bermuatan negatif, kation elektrolit itulah yang efektif dan bila muatanya negatif, maka anion yang  aktif. Metode lain untuk flokulasi mencakup pengunaan bahan aktif permukaan dan penambahan bahan, seperti perekat gamping, alumina atau natrium sillikat, yang menyeret partikel itu turun bersamanya.

(Brown, Willey and Sons, “Unit Operation”, 1991)

  Partikel yang terflokulasi mempunyai dua karakteristik pengendapan yang penting. Karakteristik pertama adalah bahwa struktur flok itu sangat rumit. Agregasinya longgar dan ikatan antara partikelnya lemah, dan flok itu mengandung air yang cukup banyak di dalam strukturnya, maka akan ikut bersama flok itu turun ke bawah, walaupun pada mulanya flok itu mengendap dalam pengendapan bebas atau terganggu, dan persamaan umum pada prinsipnya berlaku namun tidaklah praktis bila kita menggunakan hukum-hukum pengendapan secara kuantitatif  karena diameter dan bentuk flok itu tidak mudah didefinisikan.

Karakteristik kedua dari pada pulp yang terflokulasi ialah peliknya mekanisme pengendapanya. Secara umum riwayat pengendapan suspensi yang terflokulasi adalah sebagai berikut :

                                                                                                              

                                                        A                                                        A

                        

                         B                                                               B

                                                     C

                       C                                                                                         D

                                                        D

     (A)                           (B)                         (C)                        (D)                        (E)

Gambar 2.1. Sedimentasi tumpak

Keterangan Gambar

a.       Gambar (A) menunjukan suspensi yang terdistribusi secara seragam didalam zat cair dalam keadaan siap untuk mengendap.

b.      Gambar (B) jika tidak terdapat pasir dalam campuran itu, zat padat pertama yang menampakan diri ialah endapan pada dasar bejana pengendap, yang terdiri dari flok yang berasal dari bagian bawah campuran zat padat yang berupa flok tergeletak longgar diatas satu sama lain, membentuk suatu lapisan, yang kita namakan zona D diatas zona D itu terbentuk lagi lapisan lain yaitu zona C, yang merupakan lapisan transisi, dimana kandungan zat padatnya bervariasi dari yang seperti pada pulp asal sampai seperti di dalam zona D. Diatas zona C terdapat zona B, yang terdiri dari suspensi homogen yang konsentrasinya sama dengan pulp asal. Diatas zona B terdapat lagi zona A yang jika partikel itu telah terflokulasi penuh, merupakan zat cair jernih.

c.       Gambar (C) dalam pulp yang terflokulasi  dengan baik batas antar zona A dan zona B itu tajam. Jika terdapat pertikel yang teragmolerasi, zona A itu keruh dan batas antara zona A dan B kabur . dengan adanya pengendapan, kedalam zone D dan A bertambah, dan tebal zona C tetap, zona B berkurang.

d.      Gambar (D) setelah pengendapan selanjutnya, zona B dan C hilang, dan seluruh zat padat itu akan terdapat pada zone D.

e.       Gambar (E) Sesudah itu efek lain, yang disebut pemampatan (compresion) berlangsung saat dimana pemampatan itu bermula disebut titik kritis atau critical point. Pada pemampatan sebagaian dari zat cair yang tadinya ikut bersama flok kedalam zona kompressi D akan terperas keluar dimana bobot endapan itu menggambarkan struktur flok. Selama pemampatan itu berlangsung, sebagian dari zat cair di dalam flok itu menyembur keluar seperti geiser – geiser kecil, dan ketebalan zone itu berkurang. Dan akhirnya, bila bobot zat padat itu telah mencapai keseimbangan mekanik dengan kekuatan tekan flok proses pengendapan itu akan berhenti pada saat itu, lumpur sudah mencapai tinggi akhirnya.

      (Mc.Cabe, “Operasi Teknik Kimia”, erlangga, 1990)

2.7   Zona Sedimentasi Di Dalam Kolom Pengendapan Kontinyu

Sedimentasi merupakan salah satu cara yang paling di ekonomis unuk memisahkan padatan dari suspensi bubur  atau slurry. Operasi ini banyak digunakan pada prosese-proses untuk mengurangi polusi dari limbah industri. Suspensi sendiri dibedakan atas dua bagian yaitu:

a.         Suspensi cair adalah suspensi dan konsentrasi dari partikel yang tidak cukup untuk membentuk batas yang jelas terhadap air saat pengaturan berlangsung.

b.      Concentratif suspensi adalah suspensi dengan suatu konsentrasi batas yang sangat besar sehingga terbentuk batas yang jelas saat pengaturan berlangsung. 

Dalam kolom pengendap (penebal) kontinyu yang diperlengkapi dengan penggaruk untuk mengeluarkan limpahan bawah pulp umpan dimasukan pada garis pusat alat, pada kedalaman kira-kira 1 inc dibawah permukaan zat cair sebagaimana  terlihat gambar 2, diatas ketinggian peggumpalan itu terdapat zona klarifikasi yang hampir tidak mengandung zat padat sama sekali, disini kebanyakan zat cair yang masuk bersama umpan mengalir keatas sehingga dapat dikeluarkan ke selokan limpahan. Zat cair itu mengendap ke bawah dari ketinggian pengumpanan, bersama sebagian zat cair yang keluar dari unit itu sebagai limpahan bawah.

Daerah dibawah ketinggian pengumpanan disebut zone pengendapan dimana masing-masing flok berada dalam sentuhan longgar satu sama lain, dan semua partikel turun kebawah dengan kecepatan yang sama tanpa tergantung pada ukuran partikel. Didekat dasar terdapat zone kompresi dimana konsentrasi zat padat meningkat dengan cepat sampai nilainya sama dengan nilai pada limpahan bawah. Zona ini setara dengan zone D pengendap tumpak, walaupun tentu pada pengendap kontinyu ketebalanya tidak berubah dengan waktu. Dan penggaruk yang berkerja pada dasar zonakompresi ini cenderung memecah struktur flok dan memampatkan limpahan bawah itu sehingga kandungan zat padatnya lebih besar dari pada zona D pada pengendap tumpak

                                             Puncak zat cair

                                          

                                           Tingkat umpan         klarifikasi

                                                                                                          

Zona pengendapan

 

                                                                Kompresi

                                          cp                                             cu             Konsentrasi C

            gerafik 2.1. Hubungan konsentrasi dengan tinggi puncak zat cair

pembagian zona-zona pengendapan pada alat pengendap dapat dilihat pada gambar 4. dalam percobaan sedimentasi yang akan kita pelajari ada 3 zone yang terjadi, yaitu :

a.       Zona A, merupakan cairan jernih atau zona bening yang dimana pengendapan berlangsung sesuai dengan prinsip yang telah di jelaskan, karena efek penyaring oleh partikel yang lebih besar, makin tinggi konsentrasi bubur maka makin jernih produk cairan pada lapisan atas. Pengendapan pada zona ini merupakan bagian yang paling penting karena diharapkan adalah cairan jernihnya bukan suspensi pekatnya.

b.      Zona B, zona ini sering disebut sebagai zona pengendapan bebas (Free setling) atau zona encer. Hal ini dikarenakan pada zona ini belum terjadi gaya dorong tetapi yang sangat tampak adalah gaya gravitasinya dan padatan turun, dimana partikel yang lebih besar menyaring partikel yang lebih kecil, konsentrasi padatan ini lebih tinggi dibandingkan pada konsentrasi bubur atau slurry yang asli.

c.       Zona C, merupakan cairan  yang pekat  dan tercapai pada saat saluran kapiler yang terisi oleh cairan terdesak oleh slurry atau lumpur. pada kondisi ini saluran yang tersedia telah terisi penuh dengan suspensi yang sangat ketat. Laju pengendapan pada zona ini sangat lambat sehingga tidak banyak untuk di perhitungkan pada perancangan peralatan.

                                                                                               

                                                                                                Zona bening

                                                                                                Zona encer

                                                                                                Zona pekat        

Gambar 2.2 Zona sedimentasi

2.8   Jenis Peralatan Sedimentasi

       Berdsarkan tujuan dari bahan apa yang ingin didapatkan maka sedimentasi ini dapat digolongkan menjadi dua macam yaitu:

a. Penjernihan (klarifier)

 Klarifier adalah pengendapan partikel padat yang jumlahnya relative sedikit (1-5%) dengan suatu tujuan untuk memperoleh cairan yang jernih, proses klarifier mencakup proses flokulasi dan koagulasi .Proses koagulasi merupakan suatu proses dimana penambahan zat kimia atau koagulan tertentu kedalam air yang diolah dan disertai pengadukan cepat sehingga terbentuk flok suatu partikel yang halus, selanjutnya mengalami proses flokulasi  yaitu bergabungnya flok-flok membentuk flok yang leih besar.

b. Pemekatan (Thickener)

Thickener adalah peningkatan konsentrasi atau konsentrasi zat padat dari campuran yang memiliki zat padat yang relatif banyak (15-30%), dan biasanya hasil padatnya yang diperlukan.

Didalam sedimentasi perlu dibedakan antara :

1. Discrate partikel adalah partikel yang memiliki ukuran bentuk dan spesifik gravitasi tetap (tidak berubah dengan waktu) selama proses pemisahan berlangsung.   
2. Flocullant partikel adalah partikel yang memiliki sifat permukaan yang dapat membesar atau bergabung dengan partikel-partikel lain ketika akan bersinggungan sehingga ukuran bentuk mungkin akan berubah.

Sedimentasi merupakan salah satu cara yang paling ekonomis untuk memisahkan yang padatan dari suspensi bubur atau slurry. Operasi ini banyak digunakan pada proses-proses untuk mengurangai polusi dari limbah industri. Suspensi sendiri dibedakan atas dua bagian yaitu :

a.       Suspensi cair adalah suspensi dan konsentrasi dari partikel yang tidak cukup untuk membentuk batas yang jelas terhadap air saat pengaturan berlangsung.

b.      Concentratif suspensi  adalah suspensi dengan suatu  konsentrasi batas yang jelas sangat besar sehingga terbentuk batas yang jelas saat pengaturan berlangsung. 

Perbedaan kedua suspensi diatas mengakibatkan pola setting berbeda dan membutuhkan dan rancangan peralatan sedimentasi selalu didasarkan pada percobaan sedimentasi pada skala yang lebih kecil.

      (F. Parikest, Ir. “Diklat Alat-Alat Industri Kimia”, 1985)

                                                                                                                                                                                                    

2.9 Hukum – Hukum Yang Mempengaruhi Sedimentasi

a. Hukum Newton I

Suatu benda akan tetap bergerak dalam kecepatan tetap atau diam bila jumlah gaya yang berkerja pada benda sama dengan nol.

F = 0…………………………………………………..……………(5)

b. Hukum Newton II

Gaya yang berkerja pada suatu benda akan berbanding lurus dengan massa benda dan sebanding dengan percepatan pada benda .

F =  m. a……………………………………………...…………….(6)

c. Hukum Newton III

Suatu gaya sebetulnya adalah hasil interaksi dari dua benda tapi arahnya berlawanan.

F_aksi = F_reaksi……………………………………...……………….(7)

d. Hukum Archimedes                                                                                          Suatu benda dalam suatu fluida mendapatkan gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dapat dipindahkan oleh benda tersebut.

e. Hukum Stokes                                                                                                               Suatu benda  dengan  jari – jari r    dijatuhkan      dalam suatu fluida yang mempunyai kekentalan maka gaya yang berkerja pada benda tersebut adalah  beratnya sendiri.

Partikel di dalam suatu fluida tertentu mengendap di bawah pengaruh gaya gravitasi pada laju maksimum tertentu. Untuk meningkat laju dari suatu pendapan tertentu, maka gaya grafitasi yang berkerja pada suatu partikel itu dapat digantikan dengan gaya sentrifugal yang lebih kuat.

Gaya sentrifugal juga bermanfaat untuk pemisahan secara pengendapan dan penyaringan. Kedua cara tersebut bila menggunakan gaya sentrifugal sebagai gaya pendorong disebut sentrifugal dan peralatanya disebut sentrifugasi dan peralatnya disebut Centrifuge.

Dalam hal ini penjernihan dilakukan untuk dapat memisahkan suspensi yang mengandung bahan padat yang lebih berat dengan kecepatan pengendapan yang lebih baik atau bahan padat yang lebih ringan dengan kecepatan pengapungan yang baik. Dalam proses ini, kecepatan pemisahan pemisahan oleh gaya berat adalah tinggi jika terdapat perbedaan yang besar antara kerapatan cairan dan kerapatan bahan padat. Apabila perbedaan itu kecil maka pemisahan metode ini tidak ekonomis. Dalam hal yang demikian kecepatan pemisahan dapat diperbesar beberapa kali dengan menggunakan gaya- gaya sentrifugal. Selanjutnya kecepatan pemisahan akan dapat dipengaruhi oleh perbandingan luas permukaan terhadap massa oleh bentuk padatan dan volume viskositas cairan tersebut. (Brown G.G weilley and sons,”Unit Operation”, 1991)

              Rumus yang digunakan dalam perhitungan sedimentasi

1.      Konsentrasi larutan (N)

    N        ....................................................................(1)

2.      Konsentrasi awal suspensi (gr/ml)

Co  =

                             Berat CaCO₃        

                                  V_total                      .....................................................................(2)

         3.    Kecepatan sedimentasi (V_L)

                V_L   =                       ................................................................................(3)

                                                                    

4.   Konsentrasi suspensi (C_L)                                                                           

          C_L =                                ........................................................................(4)

2.10 Laju Pengendapan Pada Sedimentasi

Laju pengendapan partikel –partikel dalam air tergantung pada berat jenis, bentuk dan ukuran atau dari partikel tersebut dan viskositas cairan yang digunakan. Adanya penambahan zat uji kemungkinan besar mempengaruhi laju  pengandapan sehingga dapat ditentukan zat uji yang dapat mempercepat laju dari pengendapan sehingga dapat ditentukan lajunya dan mengetahui pengaruh zat uji tersebut. Dimana dilakukan penganbilan sample tiap selang waktu tertentu dan menimbang berat endapan serta menghitung berapa konsentrasi endapan yang terjadi, sehingga kita dapat membandingakan kecepatan laju pengendapan dari tiap gerakan pada partikel pada fluida dalam proses yang pengendapannya terjadi.

Contoh grafik tinggi Lumpur  (batas antara zona A dan zona B) dengan waktu yang ditunjukkan pada gambar 2c, selama tahap awal pengendapan kecepatannya tetap,sebagaimana terlihat pada bagian pertama kurva itu.setelah zat padatnya menggumpal di dalam zona D laju pengendapan itu berkurang dan berangsur-angsur turun hingga mencapai tinggi akhirnya. titik kritis  dicapai pada titik C dalam gambar .2c

Laju pengendapan lumpur berbeda-beda satu sama lain, demikian pula tinggi relatif berbagai zona pengendapannya. Untuk menentukan karakteristik pengendapannya secara teliti, setiap Lumpur itu harus diperiksa dengan melakukan eksperimen terhadap masing-masingnya.

                          Z₀

                          Z_u

                                                    tinggi patah

                     0                         t_u

                           0                        WAKTU

Gerafik . 2.2 laju sedimentasi

Padatan yang tersuspensi dalam air dapat dibedakan menjadi dua golongan yaitu :

1.      Padatan kasar

Adalah padatan yang dapat dipisahkan dengan cara pengendapan yang sederhana  dalam waktu yang singkat.

2.      Padatan halus

Adalah padatan yang tidak dapat dipisahkan dengan cara pengendapan yang sederhana didalam waktu yang relative singkat, atau tidak mempunyai peralatan pengendapan yang dapat beroperasi secara komersial mekanisme penggerak (rake) yang dipasang pada dasar tangki pengendap agar dapat mempermudah pengumpulan suspensi pekat dari dasar tangki. (Mc. Cabe and Smith,”OTK II”, Thn:1991)

2.11 Peralatan Dalam Sedimentasi

Dalam industri, proses yang diuraikan di atas itu dilaksanakan dalam skala dengan menggunakan alat yang disebut kolam pengendap atau baik penebal (Thickener). Untuk partakel-partikel yang mengendap dengan cepat tangki pengendap tumpak atau kerucut pengendap kontinyu biasanya cukup memadai. Akan tetapi, untuk berbagai tugas lain diperlukan alat penebal yang diaduk dengan cara mekanik .Tangki yang besar dan agak dangkal yang mempunyai penggaruk radial yang digerakkan dengan lambat dari suatu proses sentral. Dimana dasar alat ini biasa datar biasa pula berbentuk kerucut dangkal. Bubur umpan yang encer mengalir melalui suatu palung miring atau meja cuci masuk ditengah alat penebal itu. Cairan itu lalu mengalir secara radial dengan kecepatan yang kian berkurang, sehingga memungkinkan zat padat itu mengendap ke dasar tangki. Cairan jernih melimpah dari bibir tangki ke dalam suatu palung. Lengan-lengan penggaruk itu mengaduk Lumpur itu secara perlahan-lahan, dan mengumpulkannya ketengah tangki, sehingga dapat mengalir dari situ kedalam bukaan besar yang bermuara pada pipa masuk pompa lumpur. Pada  beberapa rancang tertentu lengan penggaruk itu dibuat  berengsel sehingga dapat bergerak melewati setiap halangan, seperti gumpalan lumpur yang keras  pada dasar tangki.

Kolam pengendap  (penebal) yang dilengkapi dengan pengaduk mekanik biasanya besar, dengan diameter berkisar antara 30-300 ft (10 - 100 ml) dan kedalaman 8-12 ft (2,5 - 3,5 km). Pada alat penebal besar, penggaruknya berputar sekali dalam 30 menit. Kolam pengendap ini biasanya sangat bermanfaat bila kita mempunyai bubur encer dengan volume yang besar yang ketebalannya seperti pada pembuatan semen atau produksi magnesium dari laut. Alat ini juga banyak dipakai dalam pengolahan air limbah dan penjernihan air.

Volume cairan jernih yang dihasilkan persatuan waktu dalam suatu kolam pengendap kontinyu bergantung pada luas penampang  yang tersedia untuk pengendap dan dalam separator industri, hampir tidak bergantung pada kedalaman zat cair, kapasitas yang lebih tinggi persatuan luas lantai biasa didapatkan dengan menggunakan pengendap bertyalam banyak, yang terdiri dari beberapa zona pengendapan yang dangkal, satu diatas yang lain, dalam tangfki berbentuk silinder. Lumpur yang mengendap didorong kebawah dari satu talam ke talam yang berikut dengan bantuan penggaruk atau pengerik. Pada alat ini kita dapat pula melakukan pencurian anjakan lawan arah. Alat ini biasanya lebih kecil diameternya daripada pengendap bertahap tunggal.

2.12  Proses Pengendapan Sentrifugal

Partikel tertentu didalam fluida tertentu mengendap dibawah pengaruh gaya grafitasi pada laju maksimum tertentu. Untuk meningkatkan laju pengendapan, gaya gravitasi yang bekerja pada partikel itu dapat digantikan dengan gaya sentrifugal yang jauh lebih kuat. Dalam operasi produksi, separator sentrifugal sudah banyak menggantikan separator grafitasi karena separator sentrifugal itu jauh lebih efektif dengan partikel dan tetesan halus, disamping volumenya yang jauh lebih kecil untuk kapasitas tertentu.

A Pemisahan zat padat dari gas , siklon

         Kebanyakan separator sentrifugal yang digunakan untuk mengeluarkan partikel dari arus gas tidak mempunyai bagia-bagian yang bergerak sama sekali, contohnya ialah separator siklon yang terlihat pada gambar 2e. Alat ini terdiri dari sebuah silinder vertical yang mempunyai bagian bawah berbentuk kerucut, dengan pemasuk yang merupakan garis singgung  (tangensial) pada bagian atasnya, sedang lubang keluar untuk debu-debunya terletak diujung kerucut disebelah bawah. Lubang masuk itu biasanya berbentuk siku empat. Pipa keluar menjulur kedalam silinder untuk menjaga agar tidak ada aliran pintas udara masuk langsung keluar.

Udara masuk yang mengandung debu mengalir dalam lintasan spiral  mengelilingi silinder kebawah bagian siklon yang berbentuk silinder itu. Gaya sentrifugal yang timbul didalam vorteks cenderung menggerakkan partikel secara radial kearah diding dan partikel yang sampai kedididng itu meluncur kebawah kedalam kerucut sehingga dapat dikumpulkan.

Gas keluar

 

    Debu dan gas                                           

masuk

           

 

                                                           Debu keluar

Gambar. 2.3 Siklon

         Siklon pada dasarnya adalah peranti pengenap dimana gaya sentrifugal yang kuat, yang bekerja secara radial, digunakan sebagai pengganti gaya grafitasi yang relative lemah dan bekerja vertikal itu. siklon merupakan salah satu dari beberapa peranti pemisah yang bekerja lebih baik pada beban penuh daripada beban terbatas. Kadang-kadang dua siklon yang idsentik digunakan dalam susunan seri untuk mendapatkan pengeluaran zat padat yang lebih lengkap, tetapi efisiensi unit yang kedua itu akan kurang dari yang  pertama, karena umpan keunit, yang kedua mempunyai ukuran partikel rata-rata yang lebih kecil. Siklon juga sangat banyak dipakai untuk memisahkan zat padat dari zat cair, lebih untuk tujuan klasifikasi.

2.13 Jenis-Jenis Dekanter Sentrifugal

Zat cair yang tak mampu campur (immiscible) dipisahkan secara industri dalam decanter (pengenap – tuang) sentrifugal (sentrifugal decanter). Gaya pisah disini jauh berlebih besar dari gaya grafitasi dan bekerja pada arah menjauh  dari sumbu putaran dan bukan kearah bawah ke permukaan bumi. Jenis-jenis utama decanter sentrifugal adalah mesin sentrifugal tabung (tubular centrifuge) dan sentrifugal piring (disk centrifuge).

1. Dekanter sentrifugal tabung

            Mesin pisah sentrifugal tabung untuk zat cair. Mangkuknya tinggi dan sempit, dengan diameter 4 sampai 6 in (100 sampai 150 mm) dan berputar didalam rumahan yang stasioner pada kecepatan kira-kira 15.000 put/min. Umpan masuk dari nosel stasioner yang diselipkan dari suatu bukaan pada dasar mangkuk. Zat cair terpisah menjadi 2 lapisan didalam mangkuk itu. Lapisan yang disebelah dalam, atau lapisan ringan menumpah dari tanggul dibagian atas mangkuk dan terlempar keluar ketutup pembuang yang stasioner dan dari situ kesuatu corot. Zat cair berat mengalir melalui sebuah tanggul lain ketutup dan corot pembuang sendiri.Tanggul yang dilewati aliran  zat cair berat dapat ditanggalkan dan digantin dengan tanggul lain yang ukuran bukaanya berbeda. Posisi natar muka zat cair dan zat cair (zona netral)  di jaga dengan keseimbangan hidraulik. Pada beberapa rancang zat cair itu keluar dengan tekanan dan posisi antar muka itu diatur dengan suatu katup luar pada pipa pembuangan.

2. Dekanter sentrifugal piring

Untuk pemisahan zat cair dengan zata cair tertentu mesin sentrifugal jenis piring sangat efektif. Alat ini terdiri dari sebuah mangkuk pendek dan lebar, diameter 8-20 in (200- 500 ml) yang berputar pada suatu sumbu vertical. Mangkuk itu datar pada bagian dasar tetapi berbentuk kerucut pada bagian atas. Umpan masuk dari atas melalui suatu pipa stasioner kedalam leher mangkok. Dua lapisan zat cair akan terbentuk seperti pada decanter sentrifugal tabung masing-masingnya mengalir melalui tanggul yang dapat diatur tanggulnya tingginya kecorot pembuang yang terpisah. Didalam mangkuk itu dan berputar berasama itu ada beberapa “piring” yang tersususn dengan jarak pisah kecil, yang sebetulnya terdiri dari kerucut-kerucut lembaran logam yang tersususn satu diatas yang lain. Pada setiap piring terdapat lubang berpasangan  kira-kira pada jarak ditengah – tengah antara poros dan dinding mangkuk. Lubang-lubang itu membentuk saluran tempat zat cair itu lewat. Dalam operasinya, zat cair umpan masuk kedalam mangkuk dari bawah, lalu mengalir keatas melaui saluran itu melewati piring-piring. Zat cair berat akan terlempar keluar dan mendorong zat cair ringan keararh tengah mangkuk. Dalam perjalanannya keluar, zat cair itu akan menumbuk bagian bawah piring dan akan mengalir dibawah kepinggir mangkuk tanpa terpaksa bertumbukan lagi dengan zat cair ringan, demikian pula mengalir kedalam dan keatas melaui permukaan atas piring. Oleh karena jarak antara piring-piring itu sangat rapat, jarak yang ditempuh oleh setiap tetesan zat cair untuk keluar dari fase yang satu lagi pendek saja, jauh lebih pendek dari decanter sentrifugal tabung dimana lapisan zat cairnya tebal. Disamping itu, didalam mesin piring terdapat geser yang agak besar pada antar muka zat cair dan zat cair pada waktu satu fase mengalir berlawanan arah dengan fase yang satu lagi. Geser ini sangat membantu dalam memecah emulsi. Dekanter sentrifugal piring sangat bermanfaat dalam, hal yang menjadi tujuan bukanlah pemisahan penuh tetapi hanyalah pemekatan konsentrasi didalam satu fase fluida, seperti dalam pemisahan lemak dari susu.

Jika zat cair yang diumpankan kedekanter sentrifugal piring atau tabung itu mengandung kotoran atau partikel zat padat berat, zat padat itu akan mengumpul didalam mangkuk dan harus dibersihkan dengan menghentikan mesin, mengeluarkan dan membongkar mangkuk dan mengikis zat padat yang menumpuk. Cara ini akan menjadi tidak ekonomis apabila kandungan zat padat didalam umpan lebih dari beberapa persen saja.

Dekanter sentrifugal piring atau tabung sangat menguntungkan untuk memisahkan larutan zat padat dari minyak pelumas, zat cair proses, tinta dan minuman yang harus bersih sempurna. Alat ini dapat mengeluarkan zat cair berlendir atau seperti gelatin yang mungkin akan menyumbat filter dengan segera. 

            (Mc. Cabe and Smith, ” OTK II”, Thn :1991)