Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Adsorpsi Prinsip Sistem Pendinginan Adsorpsi

20 adsorben. Sebagai contoh, S0 merupakan silika gel dengan tidak ada garam, dan S40 mewakili adsorben komposit dibuat dengan 40 CaCl 2 . Gambar 2.7. menunjukkan bahwa peningkatan dalam kesetimbangan kuantitas adsorpsi dengan konsentrasi larutan menurun bila konsentrasi larutan lebih tinggi dari 40. Garam dengan mudah dapat mencair selama proses adsorpsi, saat campuran ini disusun dengan konsentrasi tinggi, konsentrasi terbaik untuk menghindari masalah seperti dan memastikan kapasitas adsorpsi tinggi akan sekitar 40.[6].

2.3. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Adsorpsi

Daya adsorpsi dipengaruhi oleh tiga faktor, yaitu : 1. Tekanan P, tekanan yang dimaksud adalah tekanan adsorbat. Kenaikan tekanan adsorbat dapat menaikan jumlah yang diadsopsi. 2. Temperatur absolut T, temperatur yang dimaksud adalah temperatur adsorbat. Pada saat molekul-molekul gas atau adsorbat melekat pada permukaan adsorben akan terjadi pembebasan sejumlah energi yang dinamakan peristiwa exothermic. Berkurangnya temperatur akan menambah jumlah adsorbat yang teradsopsi demikian juga untuk pristiwa sebaliknya. 3. Interaksi Potensial E, interaksi potensial antara adsorbat dengan dinding adsorben sangat bervariasi, tergantung dari sifat adsorbat-adsorben. [1].

2.4. Adsorben

Luasnya permukaan spesifik, sangat mempengaruhi besarnya kapasitas penyerapan dari adsorben. Semakin luas permukaan spesifik dari adsorben, maka semakin besar pula kemampuan penyerapannya. Volume adsorben membatasi jumlah dan ukuran pori-pori pembentuk permukaan dalam internal surface yang menentukan besar atau kecilnya permukaan penyerapan spesifik. Karakteristik adsorben yang dibutuhkan untuk adsorpsi : 1. Luas permukaannya besar, sehingga kapasitas adsorpsinya tinggi. 2. Memiliki aktifitas terhadap komponen yang diadsorp. 3. Memiliki daya tahan guncang yang baik. 4. Tidak ada perubahan volume yang berarti selama proses adsorpsi dan desorpsi. [1]. 21

2.4.1 Adsorben Fisik

a. Silika gel Silika gel cenderung mengikat adsorbat dengan energi yang relatif lebih kecil dan membutuhkan temperatur yang rendah untuk proses desorpsinya, dibandingkan jika menggunakan adsorben lain seperti karbon atau zeolit. Kemampuan desorpsi silika gel meningkat dengan meningkatnya temperatur. Silika gel terbuat dari silika dengan ikatan kimia mengandung air kurang lebih 5. Pada umumnya temperatur kerja silika gel sampai pada 200 °C, jika dioperasikan lebih dari batas temperatur kerjanya maka kandungan air dalam silika gel akan hilang dan menyebabkan kemampuan adsorpsinya hilang [1]. Bentuk butiran silika gel yang banyak digunakan untuk proses adsorpsi adalah seperti gambar 2.8. Gambar 2.8 Bentuk butiran silika gel . [1]. b. Karbon Aktif Karbon aktif dapat dibuat dari batu bara, kayu, gambut,tulang, kulit kacang dan tempurung kelapa melalui proses pyrolizing dan carburizing pada temperatur 700 sampai 800 °C. Hampir semua adsorbat dapat diserap oleh karbon aktif kecuali air. Aktif karbon dapat ditemukan dalam bentuk bubuk dan granular. Pada umumnya karbon aktif dapat mengadsorpsi metanol atau amonia sampai dengan 30, bahkan karbon aktif super dapat mengadsorpsi sampai dua kalinya. [1]. Bentuk butiran karbon aktif adalah seperti gambar 2.9. 22 Gambar 2.9 Bentuk butiran karbon aktif. [1]. Struktur dari pori karbon aktif terdiri dari saluran yang tidak teratur, yang memiliki luas pori-pori yang lebih besar pada permukaan butiran, dan area pori sempit dalam butiran. Alasan di atas yang membedakan antara karbon aktif dan jenis lainnya adsorben adalah bentuk permukaan. Seluruh permukaan aktif karbon ditutupi oleh oksida matriks dan oleh beberapa bahan anorganik, dan karena itu karbon aktif adalah non-polar atau memiliki polaritas lemah. Panas adsorpsi karbon pasangan aktif lebih rendah dari pada jenis lain atau pasangan adsorben fisik. Karbon aktif jenis serat umumnya digunakan dalam produksi kain, seperti pakaian, tisu, dll. Dibandingkan dengan karbon aktif jenis butiran, serat karbon mempunyai kinerja pindahan panas yang lebih baik. Permukaan karbon aktif jenis serat lebih besar daripada karbon aktif , pori-pori karbon aktif serat lebih seragam daripada karbon aktif, dan kinerja pindahan panas dari karbon aktif serat juga lebih besar dari karbon aktif . Kelemahan dari serat karbon aktif adalah anisotropic thermal conductivity, dan kontak resistansi termal antara serat yang tinggi terhadap dinding adsorber, bila dibandingkan dengan karbon aktif butiran. [6]. Struktur karbon aktif dapat dilihat pada gambar 2.10. 23 Gambar 2.10 Struktur karbon aktif. [6]. c. Zeolit Zeolit mengandung kristal zeolit yaitu mineral aluminosilicate yang disebut sebagai penyaring molekul. Zeolit terdiri alkali dan alkali tanah. Mineral aluminosilicate ini terbentuk secara alami. Zeolit buatan dibuat dan dikembangkan untuk tujuan khusus, diantaranya 4A, 5A, 10X, dan 13X yang memiliki volume rongga antara 0.05 sampai 0.30 cm3gram dan dapat dipanaskan sampai 500 °C tanpa harus kehilangan mampu adsorpsi dan regenerasinya. Zeolit 4A NaA digunakan untuk mengeringkan dan memisahkan campuran hydrocarbon. Zeolit 5A CaA digunakan untuk memisahakan paraffins dan beberapa Cyclic hydrocarbon. Zeolit 10X CaX dan 13X NaX memiliki diameter pori yang lebih besar sehingga dapat mengadsorpsi adsorbat pada umumnya. [1]. Bentuk butiran zeolit adalah seperti gambar 2.11. Gambar 2.11 Bentuk butiran zeolit. [1]. 24

2.4.2 Adsorben Kimia

Pada dasarnya adsorben kimia mencakup logam klorida, logam hidrida dan oksida logam. a. Logam klorida Logam klorida untuk refrigerasi adsorpsi pada umumnya adalah kalsium klorida, stronsium klorida, magnesium klorida dan barium klorida . Reaksi adsorpsi antara logam klorida dan refrigeran merupakan sebuah reaksi kompleksasi, dan senyawa kompleks direaksikan berdasarkan dari koordinat senyawa itu. Pada umumnya adsorbat yang dipakai untuk logam klorida adalah ammonia. Selama proses adsorpsi, pemuaian garam dan aglomerasi dapat terjadi dan mempengaruhi kinerja panas dan perpindahan massa. [6]. b. Garam dan Logam hibrida Hidrogen dapat bereaksi hampir dengan semua elemen, dari semua reaksi ada empat tipe dari hidrida. Tipe pertama terdiri dari garam hidrida, seperti LiH dan CaH . Tipe pertama ini dapat terbentuk dari reaksi antara hirogen dengan unsur golongan IA dan IIA. Tipe kedua hidrida adalah logam hidrida. Atom hidrogen memasuki kisi kristal dari logam induk bila bereaksi dengan logam transisi, dan bentuk-bentuk hidrida logam. Tipe lain dari hidrida adalah hidrida kovalen polimerisasi tinggi, dan non-logam molekul hidrida. Garam hidrida dan logam hidrida dapat digunakan untuk refrigerasi adsorpsi. Para garam hidrida mempunyai kisi struktur kristal heksagonal dengan kerapatan besar. Dalam proses adsorpsi, atom H menjadi proton ketika memasuki ruang antara kisi-kisi kristal heksagonal. Gerak electron mirip dengan gerak elektron pada ikatan logam. Hidrida dengan struktur khusus nampak ketika jumlah hidrogen yang tersedia untuk reaksi memiliki jumlah yang berlebih. Kepadatan dari garam hidrida lebih besar dari kepadatan logam biasa, tetapi kepadatan logam hidrida lebih kecil daripada kepadatan logam sederhana karena volume dan massa jenis terdahulu tidak meningkat secara proporsional dalam proses adsorpsi. [6]. 25 c. Logam oksida Logam oksida biasanya bekerja sebagai katalis untuk oksidasi dan reaksi deoxidation. Ketika oksida logam digunakan sebagai adsorben dalam adsorpsi pompa panas, oksigen merupakan refrigeran. Pada permukaan logam oksida, unsur-unsur yang mempengaruhi kinerja adsorpsi adalah nomor koordinat dari ion logam, tingkat jenuh dari koordinat, arah ikatan kimia pada permukaan bahan kimia, karakteristik simetris logam transisi medan ligan, jumlah electron dari logam transisi ligan , dan susunan pusat atom. [6].

2.4.3 Adsorben Komposit

Adsorben komposit dikembangkan dan dipelajari dengan dua tujuan: 1 Meningkatkan kinerja panas dan kinerja pindahan panas pada adsorben kimia, khususnya karena pemuaian dan fenomena aglomerasi. Garam yang memuai mengurangi pindahan panas, dan aglomerasi garam mengurangi perpindahan massa. Oleh karena itu, aditif untuk adsorben kimia harus memiliki pori struktur dan konduktivitas termal tinggi, seperti grafit yang diperluas, untuk membantu menghindari masalah yang disebutkan di atas. 2 Meningkatkan kuantitas adsorpsi dari adsorben fisik. Penambahan sorben kimia dalam sorben fisik meningkatkan kapasitas adsorpsi, menghilangkan masalah sebelumnya. [6]. Adsorben komposit dibuat dari media berpori dan sorben kimia umumnya merupakan kombinasi dari logam klorida dan karbon aktif, atau serat karbon aktif, atau grafit , atau silica gel atau zeolit. Metode untuk menghasilkan adsorben komposit antara lain: 1 Campuran sederhana Dalam proses tersebut, adsorben kimia dan aditif dicampur sesuai dengan perbandingan massa dan perbandingan volume. Pada umumnya metode ini digunakan ketika bahan aditiv berbentuk butiran, seperti karbon aktif. 26 2 Impregnasi Pada umumnya metode ini digunakan untuk serat karbon aktif, serat grafit atau grafit yang diperluas. Dalam metode ini, Pertama-tama adsorben kimia dilarutkan dalam air atau pelarut lainnya. Setelah itu aditiv tersebut dimasukkan ke dalam campuran, dan selanjutnya pelarut akan kering. Satu keuntungannya, adsorben jenis ini memiliki porositas besar, dimana akan menguntungkan refrigeran pindahan massa. Adsorben jenis ini dapat memiliki konduktivitas termal yang tinggi pada arah membujur, jika serat karbon dipakai sebagai aditifnya.Kerugian jika menggunakan serat karbon adalah konduktivitas termal rendah pada arah radial dan tahanan termal tinggi antara serat dan dinding reaktor. Tahanan termal bisa menjadi lebih besar jika adsorben komposit memuai pada saat adsorpsi. 3 Campuran atau impregnasi dan konsolidasi Adsorben konsolidasi dapat dibuat dengan mengompres bubuk komposit yang disiapkan oleh campuran atau impregnasi, seperti yang dijelaskan di atas, atau dengan pertama-tama mengompres aditif atau sorben fisik, dan kemudian, mencampurkan itu dengan larutan garam, selanjutnya dikeringkan sampai pelarut hilang. Keuntungannya jenis adsorben ini adalah konduktivitas termal tinggi dalam arah kompres yang tegak lurus. Kerugiannya terkait dengan jumlah pengoperasian yang luas diperlukan untuk mencapai senyawa akhir. Kinerja pindahan massa sepenuhnya dipengaruhi oleh perbandingan antara komponen dan berat jenis, maka parameter-parameter pemilihannya harus hati-hati. [6]. 2.5. Refrigeran 2.5.1 Refrigeran pada umumnya Teknologi adsorpsi dapat digunakan tidak hanya untuk AC dan pendinginan tetapi juga untuk meng-upgrade panas dengan transformator termal, dan jenis refrigeran harus dipilih sesuai dengan aplikasi. 27 Sifat-sifat yang harus dimiliki oleh refrigeran, antara lain : 1 panas penguapan laten tinggi per satuan volume atau unit massa, 2 stabilitas termal, 3 tidak berbahaya terhadap lingkungan 4 nonflammable, 5 tidak berbahaya, 6 saturasi tekanan antara 1 dan 5 atm pada suhu kerja nilai sempurna akan mendekati 1 atm. [6]. Sayangnya, tidak ada refrigeran yang memiliki semua karakteristik di atas, dan refrigeran yang biasa di pakai untuk sistem pendingin adsorpsi adalah amonia, air dan metanol. Beberapa sifat fisik refrigeran untuk sistem adsorpsi ditunjukkan pada Tabel 2.2. Tabel 2.2. Sifat fisik refrigeran [6]. Refrigeran dengan titik didih di bawah -10 o C pada 1 atm adalah refrigeran tekanan positif, sedangkan yang lainnya refrigeran vakum. Ammonia adalah contoh refrigeran tekanan positif, dan dapat digunakan dengan klorida, karbon aktif dan serat karbon aktif. Tekanan saturasi etanol dan metanol adalah sama, tetapi panas laten etanol adalah sekitar 30 lebih rendah dibanding metanol. Metanol biasanya digunakan dengan karbon aktif atau serat karbon aktif. Air dapat dianggap sebagai pendingin yang sempurna, kecuali untuk tekanan saturasi ekstrim yang rendah dan tidak mungkin untuk menghasilkan suhu di bawah 0 C. Biasanya air dipasangkan dengan silika gel atau zeolit. [6]. 28 Refrigeran yang biasa digunakan untuk pendinginan adalah air, metanol, dan ammonia. 1 Air Merupakan adsorbat yang ideal karena memiliki kalor laten spesifik terbesar, mudah didapat, murah, dan tidak beracun. Air dapat dijadikan pasangan zeolit, dan silika gel. Tekanan penguapan air yang rendah merupakan keterbatasan air sebagai adsorbat, sehingga menyebabkan : - Temperatur penguapan rendah 100 C, sehingga penggunaan air terbatas hanya untuk air-conditioning dan chilling. - Tekanan sistem selalu dibawah tekanan normal 1 atm. Sistem harus memiliki instalasi yang tidak bocor agar udara tidak masuk. - Rendahnya tekanan penguapan air menyebabkan rendahnya tekanan proses adsorpsi di batasi oleh transfer massa. [1]. 2 Metanol Di banyak hal kemampuan atau performa metanol berada diantara air dan ammonia. Metanol memiliki tekanan penguapan yang lebih tinggi dibandingkan dengan air meskipun pada tekanan 1 atm, sehingga sangat cocok untuk membuat es. Meskipun demikian pada temperatur lebih dari 120 C, tekanan menjadi tidak stabil. Untuk temperatur aplikasi lebih dari 200 C adsorben yang biasa digunakan adalah karbon aktif, silika gel, dan zeolit. [1]. 3 Ammonia Besarnya panas laten spesifik ammonia adalah setengah lebih rendah dari panas laten spesifik air, pada temperatur 0°C dan memiliki tekanan penguapan yang tinggi. Ammonia memiliki keuntungan yang ramah lingkungan dan dapat digunakan sebagai refrigeran sampai -40 C, dan dapat dipanaskan sampai 200 C. Kerugian dari ammonia : - Beracun, sehingga penggunaannya dibatasi. - Tidak dapat ditampung pada instalasi yang terbuat dari tembaga atau campurannya. [1]. 29

2.5.2. Refrigeran yang lain

Hidrogen dan oksigen adalah contoh refrigeran lain yang dapat digunakan dalam sistem refrigerasi adsorpsi. Hidrida adalah adsorben untuk hidrogen, yang dihasilkan dari dekomposisi air, mudah terbakar, meledak dan harus ditangani dengan hati-hati. Jenis oksigen yang dapat terserap oleh oksida adalah O 2 , O 2 - , O - dan O 2 2- . Reaksi antara oksida dan oksigen memiliki entalpi besar, dengan demikian, biasanya bekerja di pompa panas kimia. Namun, pasangan ini juga cocok untuk sistem cryogenic dengan suhu di bawah 120 K Refrigeran lainnya adalah R134a, R22, R407c dan etanol, yang dapat menggunakan karbon aktif atau serat karbon aktif sebagai absorbennya. Namun, dibandingkan dengan metanol, mereka memiliki daya pendinginan massa unit yang lebih kecil karena jumlah mereka yang kecil atau adsorpsi karena panas laten penguapan yang rendah. Selain keterbatasan yang dijelaskan di atas, HCFC dan HFC juga tidak direkomendasikan karena mereka relatif high GWP values. [6].

2.6. Prinsip Sistem Pendinginan Adsorpsi

Siklus pendingin adsorpsi berlangsung dengan penyerapan refrigeranadsorbat dalam fasa uap kedalam adsorben pada tekanan rendah, kemudian refrigeran yang terserap pada adsorben didesorpsi dengan memberikan panas pada adsorben. [1]. Bentuk sederhana dari siklus pendingin adsorpsi seperti dua botol labu yang berhubungan seperti pada Gambar 2.12. Pada awalnya sistem dikondisikan pada tekanan dan temperatur rendah. Dua buah botol labu vessel yang berhubungan, dimana pada labu pertama terdapat adsorben karbon aktif yang mengandung adsorbat berkonsentrasi tinggi sedangkan pada labu yang kedua terdapat adsorbat dalam fasa uap Gambar 2.12a. 30 Gambar 2.12 Siklus sistim pendingin adsorpsi [1]. Labu pertama yang berisi adsorben dengan kandungan adsorbat berkonsentrasi tinggi dipanaskan, sehingga tekanan sistim meningkat dan menyebabkan kandungan adsorbat yang ada di dalam adsorben berkurang atau menguap. Proses berkurangnya kandungan adsorbat pada adsorben pada kasus ini disebut desorpsi. Adsorbat yang menguap kemudian terkondensasi dan mengalir ke botol labu yang kedua, disini panas dilepaskan ke lingkungan dimana tekanan sistem masih tinggi. Pemanasan pada botol labu pertama dihentikan, lalu pada botol labu yang pertama terjadi perpindahan panas ke lingkungan sehingga tekanan sistem menjadi rendah. Tekanan sistem yang rendah menyebabkan adsorbat cair pada botol labu yang kedua menguap dan terserap ke botol pertama yang berisi adsorben. Proses terserapnya adsorbat ke adsorben pada kasus ini disebut adsorpsi. Proses adsorpsi meghasilkan efek pendinginan yang terjadi pada botol labu kedua, dimana pada tekanan rendah panas dari lingkungan diserap untuk menguapkan adsorbat Gambar 2.12b sampai sistem kembali ke kondisi awal dimana pada botol labu pertama berisi adsorben dengan kandungan adsorbat berkonsentrasi tinggi dan pada botol labu kedua terdapat adsorbat dalam fasa gas Gambar 2.12c. [1]. 31

2.7. Siklus Ideal Sistim Pendingin Adsorpsi