8 Pada umumnya proses adsorpsi diklasifikasikan menjadi dua proses yaitu
proses adsorpsi secara fisik yang disebabkan oleh gaya van der Waals, dan secara kimia yang disebabkan melalui reaksi kimia antara molekul-molekul adsorbat
dengan atom-atom penyusun permukaan adsorben. Jika interaksi antara padatan dan molekul yang mengembun tadi relatif lemah, maka proses itu disebut sebagai
adsorpsi fisik. Walaupun adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan ke suatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas ke
suatu permukaan cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefinisikan sebagai adsorbat dan material pada mana adsorbat
terakumulasi didefinisikan sebagai adsorben. [1].
Pada dasarnya adsorben dibagi menjadi tiga yaitu, adsorben yang mengadsorpsi secara fisik karbon aktif, silika gel dan zeolit, adsorben yang
mengadsorpsi secara kimia calcium chloride, metal hydrides, dan complex salts , dan composite adsorbent adsorben yang mengadsorpsi secara kimia dan fisik. [1].
2.2.1 Adsorpsi Secara Fisika
Proses adsorpsi atau penyerapan adalah fenomena fisik yang terjadi saat molekul-molekul gas atau cair dikontakan dengan suatu padatan dan sebagian dari
molekul-molekul tadi mengembun pada permukaan padatan tersebut. Apabila interaksi antara padatan dan molekul yang mengembun tadi relatif lemah, maka
proses ini disebut adsorpsi fisik yang terjadi hanya karena gaya van der Waals. [1].
Penyerapan yang digolongkan berdasarkan interaksi permukaan adsorben dengan adsorbat dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu penyerapan secara fisika
adsorpsi dan penyerapan secara kimia. Pada adsorpsi jenis ini, adsorpsi terjadi tanpa adanya reaksi antara
molekul-molekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Molekul-molekul adsorbat terikat secara lemah karena adanya gaya van der Waals. Adsorpsi ini
relatif berlangsung cepat dan bersifat reversibel reversible. Karena dapat berlangsung di bawah temperatur kritis adsorbat yang relatif rendah, maka panas
adsorpsi yang dilepaskan juga rendah. Adsorbat yang terikat secara lemah pada permukaan adsorben, dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke bagian
9 permukaan lain. Peristiwa adsorpsi fisika menyebabkan molekul-molekul gas
yang teradsorpsi mengalami kondensasi. Besarnya panas yang dilepaskan dalam proses adsorpsi fisika adalah kalor kondensasinya. [1].
Proses adsorpsi fisik terjadi tanpa memerlukan energi aktifasi, sehingga proses tersebut membentuk lapisan jamak multilayers pada permukaan
adsorben. Ikatan yang terbentuk dalam adsorpsi fisika dapat diputuskan dengan mudah, yaitu dengan cara degassing atau pemanasan pada temperatur 150-200
C selama 2-3 jam. [1].
Gambar 2.2. Siklus refrigerasi adsorpsi Clapeyron diagram. [6]. Keterangan gambar:
Dalam adsorber: 1-2, panas masuk pemanasan isosteric; 2-3, panas masuk pemanasan isobarik dan desorpsi; 3-4, panas keluar pendinginan
isosteric 3-4-1, panas keluar pendinginan dan isobarik adsorpsi. Dalam evaporator-kondensor,:2’-3’ panas keluar kondensasi isobarik; 3’-4’-1,
efek pendinginan isosteric refrigeran pendingin diri dan isobarik penguapan.
Persamaan kuantitas adsorbsidesorbsi secara fisika di dalam mikropores biasanya dihitung dengan persamaan Dubinin-Astakhov D-A [6] :
2.1
10 Atau
2.2
Dimana : , k, D dan n adalah koefisien, yang tidak hanya berbeda
karena pasangan adsorben-adsorbat, tapi juga berbeda untuk pasangan adsorben-adsorbat yang sama, tergantung merek dan tipe adsorben, T adalah
temperatur adsorbsi K, P
s
adalah Tekanan saturasi dari refrigeran Pa, P adalah tekanan dalam sistem Pa, x adalah kuantitas adsorbsi refrigeran pada
adsorber kgkg.
Pasangan adsorben dan adsorbat untuk adsorpsi fisik antara lain : a. Karbon aktif atau serat karbon aktif dengan amonia dan metanol.
Proses adsorpsi karbon aktif-metanol dan karbon aktif-amonia sama, dan larutan adsorbat akan mengisi dan memenuhi pori-pori adsorben.
Adsorpsi biasanya terjadi pada micropores, dimana volume jenis sekitar 0,15- 0,50 cm
3
g
-1
, dan area permukaan sekitar 95 dari luas seluruh permukaan karbon aktif. Fungsi dari besar pori adsorben yang relatif sedang
dan besar sebagai penghantar molekul adsorbat ke mikropori. Karbon aktif-metanol merupakan salah satu yang paling umum
digunakan, karena kuantitas adsorpsi besar dan panas adsorpsi rendah, yang sekitar 1800-2000 kJkg. Paling utama konsumsi panas dalam fase desorpsi
berkaitan dengan panas adsorpsi, nilai nilai yang rendah dari panas adsorpsi bermanfaat bagi COP Coefficient Of Performance. Karbon aktif-metanol
juga merupakan pasangan kerja yang sesuai untuk menggunakan panas matahari sebagai sumber panas karena suhu desorpsi rendah,
dimana sekitar 100 C. Suhu yang lebih tinggi dari 120
C harus dihindari karena menurut Hu, dekomposisi metanol menjadi senyawa lain terjadi di
atas suhu ini. Namun, karbon aktif-metanol tidak dapat bekerja secara maksimal di bawah tekanan sub-atmosfer. Perlunya vakum di dalam mesin
pada saat menggunakan pasangan ini meningkatkan kompleksitas manufaktur, dan mengurangi keandalan sistem, bahkan sebuah infiltrasi
udara kecil dapat mengubah efisiensi mesin. [6].
11 2.3
• Dimana Q
Cool
adalah produksi dingin, dan Q
Drive
adalah panas disediakan.
Koefisien persamaan D-A untuk karbon aktif dihasilkan dari tempurung kelapa dan metanol adalah :
x = 0,45
k = 13,38 n = 1,5 [6].
Pasangan karbon aktif-amonia biasa digunakan. Dibandingkan dengan karbon aktif-metanol, walaupun kedua pasangan memiliki panas adsorpsi
yang sama, namun pasangan karbon aktif-amonia memiliki keuntungan dari tekanan kerja yang lebih tinggi, yaitu sekitar 16 bar di kondensasi
temperatur 40 C. Karena operasi yang lebih tinggi tekanan pasangan
karbon aktif-amonia memiliki kinerja perpindahan massa lebih baik, dan waktu siklus dapat dikurangi. Keuntungan lain dari karbon aktif-amonia bila
dibandingkan dengan pasangan karbon aktif-metanol adalah kemungkinan untuk menggunakan sumber panas pada 200
C atau di atas. Kerugian dari pasangan karbon aktif-amonia berhubungan dengan toksisitas dan bau
menyengat dari amonia, ketidakcocokan antara amonia dan tembaga, dan kuantitas adsorpsi siklus yang lebih kecil, jika dibandingkan dengan nilai
yang diperoleh dengan pasangan karbon aktif-metanol, pada kondisi kerja yang sama.
Dengan asumsi karbon aktif terbuat dari tempurung kelapa kuantitas adsorpsi tertinggi dengan metanol sebagai refrigeran adalah 0,45 kg kg,
sedangkan dengan amonia, hanya 0,29 kg kg.
Koefisien persamaan D-A untuk karbon aktif dan amonia adalah :
x = 0,29
k = 3.57 n = 1,38
[6].
12 b. Silika gel dan air
Dalam proses adsorpsi antara air dan silika gel, molekul air terhubung dengan kelompok silika alkohol = Si-OH…OH
2
dimana tingkat cakupan permukaan rendah. Untuk memenuhi seluruh tingkat permukaan, ikatan
hidrogen menjadi penghubung gaya. Panas adsorpsi untuk pasangan ini adalah sekitar 2500 kJ kg dan suhu desorpsi bisa sangat rendah, tetapi di
atas 50 C.
Sekitar 4-6 massa air yang terhubung dengan kelompok single hidroksil pada permukaan atom silika, yang tidak dapat dihapus, jika tidak
silika gel akan kehilangan kemampuan adsorpsi. Dengan demikian, suhu desorpsi tidak bisa lebih tinggi dari 120
C, dan umumnya lebih rendah dari 90
C. Peneliti di Jepang mengembangkan tiga tahap sistem adsorpsi dengan
gel silika air sebagai pasangan kerja, dan sistem seperti dapat didukung oleh sumber panas dengan temperatur 50
C. Pendingin adsorpsi dengan silika gel yang dikembangkan oleh Shanghai Jiao Tong University dapat
dijalankan dengan sumber panas dengan suhu 55 C. Suhu desorpsi rendah
sangat cocok untuk pemanfaatan energi surya . Salah satu kelemahan pasangan silika gel-air adalah kuantitas
adsorpsinya rendah, sekitar 0,2 kg kg. Kelemahan lainnya adalah mustahil untuk menghasilkan penguapan temperatur di bawah 0
C. Koefisien persamaan D-A untuk gel silika Ukuran partikel rata-rata 6
mm, ukuran pori yang bervariasi antara 1,5 nm dan 3,0 nm dan air adalah : n = 1,7
x = 0,35
D = 6 x 10
-6
[6]. c. Zeolit dan air
Struktur dan mekanisme adsorpsi zeolit yang berbeda berbeda. Misalnya, tipe A dan tipe X dan Y zeolit memiliki struktur segi delapan
dipotong, dan unit seperti kristal disebut sebagai struktur zeolit sodalite kandang. Ada 24 molekul air dapat terserap di tengah kandang atau pori-
pori unit kristal dan di kandang atau pori-pori delapan sodalite kristal zeolit. Struktur kerangka tipe X dan zeolit Y adalah sama dengan zeolit alam.
13 Volume pori untuk jenis dan zeolit X Y lebih besar dari volume jenis zeolit
lainnya, dan rasio kekosongan mereka tinggi dapat mencapai 50 bila tidak ada air teradsorpsi. Satu unit kristal yang dapat memiliki 235 molekul air
setelah adsorpsi, dan sebagian besar molekul akan terakumulasi di tengah pori.
Pasangan zeolit-air dapat dimanfaatkan dalam sistem pendingin dan sistem pendinginan adsorpsi. Panas adsorpsi untuk pasangan zeolit-air lebih
tinggi daripada pasangan silika gel-air, sekitar 3300-4200 kJ kg. Pasangan zeolit-air stabil pada suhu tinggi, maka pasangan ini dapat digunakan untuk
memanfaatkan kembali panas di atas 200 C. Adsorpsi isoterm sangat
sensitif terhadap tekanan kondensasi, demikian sistem dapat beroperasi dengan kinerja yang sama di berbagai macam kondensasi suhu. Karena
panas adsorpsi yang besar dan desorpsi suhu tinggi, kinerja pasangan zeolit- air lebih buruk dibandingkan dengan pasangan karbon aktif-metanol pada
sumber panas suhu menengah dan rendah lebih rendah dari 150 C, tapi
pasangan zeolit-air dapat memiliki COP yang lebih tinggi jika suhu sumber panas lebih tinggi dari 200
o
C. Kelemahan pasangan ini serupa dengan pasangan silika gel-air,
ketidakmungkinan untuk menghasilkan suhu penguapan di bawah 0 C dan
transfer massa buruk mengarah pada kinerja kerja yang rendah. Disebabkan oleh tingginya nilai panas adsorpsi dan tingginya temperatur desorpsi, untuk
sumber panas dengan daya yang sama, siklus waktu untuk pasangan zeolit- air lebih lama dibandingkan dengan pasangan lainnya.
Koefisien persamaan D-A untuk zeolit butir diameter 2,38 mm - 4,75 mm dan air adalah:
x = 0,261
k = 5,36 n = 1,73
[6].
2.2.2 Adsorpsi Secara kimia
