Pengukuran konsentras gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakuistik berbasis laser CO2 - USD Repository

  i

  

PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN HASIL EMISI SEPEDA

MOTOR MENGGUNAKAN DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS

LASER CO

  2 Skripsi

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Sains

  

Jurusan Fisika

Oleh:

Bernadet Yati Sumaryati

  

NIM: 073214004

PROGRAM STUDI FISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2011 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI ii

  2 LASER – BASED PHOTOACOUSTIC

DETECTOR

Skripsi

  

Presented as Partial Fulfillment of the Requirement

To Obtain The Sarjana Sains

In Physics Department

  

By:

Bernadet Yati Sumaryati

NIM: 073214004

PHYSICS STUDY PROGRAM

  

PHYSICS DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2011

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

THE MEASUREMENT OF ETHYLENE GAS CONCENTRATION FROM

  

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI iv

  

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI “I can do all things through Christ which strengthened me” (Philippians 4:13)

“If you want something you’ve never had, you must be willing to do

something you’ve never done” (Thomas Jefferson) “God grant me the serenity to accept the things I cannot change, courage to change the things I can, and the wisdom to know the difference”

  Saya persembahkan karya ini kepada Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai dan menguatkanku Bunda Maria yang selalu menolongku Santa Bernadet, Santa pelindungku Ayah dan Ibuku yang telah membesarkan dan memberikan kasih sayang yang begitu tulus dan tanpa batas untukku Adikku tersayang yang selalu menemaniku Yulius Fendy Pradianto, yang selalu memotivasi dan mengasihiku

  v

  

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ABSTRAK

PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN HASIL EMISI SEPEDA

MOTOR MENGGUNAKAN DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS

LASER CO

  2 Detektor fotoakustik merupakan instrumen pendeteksi keberadaan suatu

  gas. Detektor tersebut mampu mengukur konsentrasi berbagai molekul gas secara simultan. Pengukuran konsentrasi molekul gas menggunakan detektor fotoakustik berdasarkan pada prinsip serapan cahaya. Supaya diperoleh nilai konsentrasi molekul gas yang akurat, keberadaan pengganggu dalam pengukuran perlu ditapis.

  Dalam penelitian ini, telah dilakukan pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO .

  2 Gas buang hasil emisi sepeda motor terdiri dari berbagai jenis gas seperti CO 2 ,

  H

  2 O dan gas etilen. CO 2 dan H

  2 O dapat menyerap radiasi laser CO 2 pada posisi

  garis laser CO tertentu. Selain itu, CO dapat mempengaruhi fase dan amplitudo

  2

  2

  sinyal akustik. Dengan demikian, keberadaan CO

  2 dan H

  2 O dapat mengganggu

  pengukuran konsentrasi gas etilen sehingga CO

  2 dan H

  2 O perlu ditapis. Penapisan

  CO

  2 dan H

2 O dilakukan menggunakan KOH dan CaCl 2 .

  viii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ABSTRACT

THE MEASUREMENT OF ETHYLENE GAS CONCENTRATION FROM

VEHICLE EMISSION USING CO

  2 LASER – BASED PHOTOACOUSTIC

DETECTOR

  Photoacoustic detector is an instrument for trace gas detection. The detector is able to measure various gas molecules concentration simultaneously. The measurement of gas molecules concentration uses photoacoustic detector based on light absorption principle. In order to obtain accurate gas molecule concentration, the existence of noise in the measurement must be filtered.

  In this research, ethylene gas concentration from vehicle emission was measured using CO

  2 laser – based photoacoustic detector. Exhaust gas from

  vehicle emission consists of various kinds of gas such as CO , H O and ethylene

  2

  2

  gas. CO

  2 and H

  2 O can absorb the selected CO 2 laser lines. CO 2 can also influence

  the phase and amplitude of acoustic signal. Thereby, the existence of CO

  2 and

  H O can disturb the measurement of ethylene gas concentration. As a

  2

  consequence, CO

  2 and H

  2 O must be filtered. CO 2 and H

  2 O were filtered with

  KOH and CaCl 2 . ix

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala rahmat, kasih, karunia serta penyertaan yang diberikan kepada penulis selama penyusunan skripsi yang berjudul “PENGUKURAN KONSENTRASI GAS

  

ETILEN HASIL EMISI SEPEDA MOTOR MENGGUNAKAN

DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO 2 ”. Skripsi ini disusun

  sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana sains di Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik karena adanya bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

  1. Bapak Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa, M.S selaku dosen program studi Fisika dan dosen pembimbing skripsi yang dengan penuh kesabaran telah membimbing, membantu, mendampingi, memotivasi serta meluangkan waktunya kepada penulis selama masa perkuliahan, penelitian dan proses penulisan skripsi ini.

  3. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua program studi Fisika dan dosen program studi Fisika yang telah mendampingi dan memberikan ilmu selama perkuliahan.

  4. Drs. Vet. Asan Damanik selaku dosen pembimbing akademik yang telah mendampingi dan membimbing selama perkuliahan.

  5. A. Prasetyadi, S.Si, M.Si., dan Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si sebagai dosen program studi Fisika yang telah mendampingi dan membimbing penulis selama perkuliahan.

  6. Mas A. Bima Windura, Bapak Ngadiono dan Bapak Sugito sebagai laboran yang telah banyak membantu penulis selama masa studi dan selama penelitian. x

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  7. Segenap karyawan FST Universitas Sanata Dharma yang telah membantu selama masa studi.

  8. Ayahku, Yosep Suparman dan Ibuku, Marselina Inah yang selama ini selalu mendoakan, memberikan kasih sayang, memotivasi, membimbing dan mendukung penulis dalam banyak hal.

  9. Adikku Deovita Karlina yang selama ini selalu menemani, menyemangati, memotivasi dan mendengarkan keluhan penulis dengan sabar.

  10. Keluarga besar Kakek Wijaya Jamur yang selama ini selalu setia menemani, mendoakan, memotivasi, mendukung dan membimbing penulis.

  11. Yulius Fendy Pradianto yang selama ini selalu setia menemani, mendukung, memotivasi, dan mendengarkan keluhan penulis dengan sabar.

  12. Elisabeth Jeanny Oetama yang telah menjadi rekan dalam penelitian.

  13. Niken Sawitri, Maria Fransiska Putriany, Elisabeth Jeanny Oetama, dan Laurensius Jerniat Telambanua yang senantiasa menyemangati, membantu serta menguatkan penulis.

  14. Teman – teman Fisika angkatan 2002, 2004, 2005 serta 2008 yang selalu memberikan semangat kepada penulis.

  15. Teman – teman kos yang selama ini telah mendukung, menyemangati dan membantu penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.

  16. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu penulis selama menyelesaikan studi dan menyelesaikan skripsi.

  Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan dan penulisan skripsi ini masih belum sempurna. Penulis dengan besar hati mengharapkan kritik dan saran untuk menyempurnakannya. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan untuk Ilmu Pengetahuan.

  Yogyakarta, 31 Mei 2011 Penulis xi

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

DAFTAR ISI

  Halaman HALAMAN JUDUL .................................................................................... i HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING .......................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... iv HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ........................................... v HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .................................. vi LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA

  ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ..................................... vii ABSTRAK .................................................................................................... viii ABSTRACT .................................................................................................. ix KATA PENGANTAR .................................................................................. x DAFTAR ISI ................................................................................................. xii DAFTAR TABEL ......................................................................................... xv DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN .............................................................................

  1 A.

  1 Latar Belakang ..................................................................................

  B.

  4 Rumusan Masalah .............................................................................

  C.

  4 Batasan Masalah ...............................................................................

  D.

  4 Tujuan Penelitian ............................................................................. xii

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI E.

  5 Manfaat Penelitian ...........................................................................

  F.

  6 Sistematika Penulisan .......................................................................

  BAB II DASAR TEORI ...............................................................................

  7 A.

  7 Teori Atom dan Molekul ..................................................................

  B.

  ........................................

  8

  2 Detektor Fotoakustik Berbasis Laser CO C. 2 dan H 2 O sebagai Pengganggu Pengukuran ..............................

  14 CO D.

  2 dan H

  2 O yang menjadi Pengganggu

  Metode Eliminasi CO Pengukuran ........................................................................................

  15 BAB III METODE PENELITIAN ...............................................................

  16 A.

  16 Tempat Penelitian .............................................................................

  B.

  16 Alat dan Bahan ................................................................................. B.1. Alat – alat .................................................................................

  16 B.2. Bahan ........................................................................................

  19 C.

  20 Prosedur Penelitian ........................................................................... C.1. Penapisan CO dan H O dari Gas Buang Sepeda Motor ..........

  20

  2

  2 C.2. Kalibrasi ...................................................................................

  21 C.3. Pengukuran Konsentrasi Etilen dari Gas Buang Sepeda Motor .........................................................................................

  23 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .....................................................

  27 A.

  27 Hasil ................................................................................................. A.1. Penapisan CO

  2 dan H 2 O dari Gas Buang Sepeda Motor ....

  27 xiii

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI A.2. Kalibrasi ..............................................................................

  29 A.3. Pengukuran Konsentrasi Etilen dari Gas Buang Sepeda Motor ...................................................................................

  32 B.

  36 Pembahasan ......................................................................................

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................

  43 A.

  43 Kesimpulan ......................................................................................

  B.

  43 Saran ................................................................................................. DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................

  44 LAMPIRAN ..................................................................................................

  45 xiv

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 4.1: Perbandingan hasil pengukuran konsentrasi gas etilen dari gas buang sepeda motor dengan nomor mesin

  F405ID488879 dan 2S6342838 ..................................................

  36 Tabel 1: Data pengukuran konsentrasi gas etilen 0,853 ppm ...................

  45 Tabel 2: Data konsentrasi gas etilen dari sampel sepeda motor dengan nomor mesin F405ID488879 dengan putaran mesin 1000 RPM ..................................................................................

  46 Tabel 3: Data konsentrasi gas etilen dari sampel sepeda motor dengan nomor mesin F405ID488879 dengan putaran mesin 3500 RPM ..................................................................................

  47 Tabel 4 : Data konsentrasi gas etilen dari sampel sepeda motor dengan nomor mesin 2S6342838 ................................................

  48 xv

  xvi

  2

  28 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  30 dan KOH pada cuvet tabung U ....................................

  2 Gambar 4.3. Grafik hubungan sinyal ternormalisir (au) terhadap posisi steppermotor pada saat sel fotoakustik dialiri gas udara. ........

  CaCl

  waktu pengukuran (jam) dengan adanya penambahan O (%) terhadap

  2

  28

  2 Gambar 4.2. Grafik hubungan konsentrasi H dan KOH pada cuvet tabung U ....................................

  CaCl

  waktu pengukuran (jam) dengan adanya penambahan (ppm) terhadap

  26 Gambar 4.1. Grafik hubungan konsentrasi CO

  

DAFTAR GAMBAR

  20 Gambar 3.4. Rangkaian alat yang digunakan pada saat mengalirkan gas udara ke dalam sel fotoakustik ..........................................

  23 ......................................................................

  2 Gambar 3.3. Rangkaian alat yang digunakan pada saat kalibrasi .................

  O dari gas buang sepeda motor menggunakan

  2 KOH dan CaCl

  dan H

  2

  19 Gambar 3.2. Rangkaian alat yang digunakan dalam penapisan CO

  10 Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian ...................

  Halaman Gambar 2.1. Komponen penting dalam detektor fotoakustik ......................

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

Gambar 4.4. Grafik hubungan sinyal ternormalisir (au) terhadap posisi steppermotor pada saat sel fotoakustik dialiri

  gas etilen 0,853 ppm . ...............................................................

  30 Gambar 4.5. Grafik hubungan konsentrasi etilen (ppb) terhadap waktu pengukuran (jam) pada pengukuran konsentrasi gas etilen 0,853 ppm ................................................................

  32 Gambar 4.6. Grafik hubungan konsentrasi etilen (ppb) terhadap waktu pengukuran (jam) pada pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel sepeda motor dengan nomor mesin F405ID488879 dengan putaran mesin 1000 RPM ...........................................

  33 Gambar 4.7. Grafik hubungan konsentrasi etilen (ppb) terhadap waktu pengukuran (jam) pada pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel sepeda motor dengan nomor mesin F405ID488879 dengan putaran mesin 3500 RPM ...........................................

  34 Gambar 4.8. Grafik hubungan konsentrasi etilen (ppb) terhadap waktu pengukuran (jam) pada pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel sepeda motor dengan nomor mesin 2S6342838 ..

  34 xvii PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Udara merupakan salah satu faktor penting dalam kehidupan manusia

  sehingga kualitas udara harus tetap terjaga. Kemajuan di bidang pembangunan, industri, dan transportasi mengakibatkan terjadinya perubahan kualitas udara.

  Udara yang dulu terasa segar, kini berubah menjadi kotor. Perubahan kualitas udara ini umumnya disebabkan oleh masuknya zat pencemar atau polutan ke dalam udara.

  Contoh sumber polutan adalah kendaraan bermotor. Gas buang hasil emisi kendaraan bermotor menjadi polutan yang berpengaruh besar bagi lingkungan terutama bagi kualitas udara. Polutan tersebut menyebabkan terjadinya pencemaran udara. Pencemaran udara dapat diartikan sebagai hadirnya substansi di udara dalam konsentrasi yang cukup untuk menyebabkan gangguan pada manusia, hewan, tanaman, maupun material. Substansi ini dapat berupa gas, zat cair, maupun partikel padat.

  Pada saat ini, pencemaran udara yang disebabkan oleh gas seperti CH

  4 ,

  C

  2 H 4 , SO 2 , NO 2 , CO 2 , dan CO mendapatkan perhatian khusus. Hal ini disebabkan

  karena pencemaran udara tersebut memberikan berbagai dampak negatif bagi kehidupan. Contoh dampak negatif tersebut adalah berbahaya bagi kesehatan manusia, menghambat pertumbuhan tanaman, menyebabkan terjadinya hujan

  

1

  2 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  asam, menyebabkan terjadinya pemanasan global, menimbulkan lubang pada lapisan ozon dan menimbulkan kabut asap fotokimia [Gondal, 1997].

  Salah satu polutan gas yang banyak dihasilkan oleh emisi kendaraan bermotor adalah etilen (C

  2 H 4 ). Gas etilen memiliki pengaruh negatif bagi

  kesehatan manusia. Gas etilen bersifat karsinogen. Penambahan kadar gas etilen dalam tubuh manusia secara terus menerus dapat mengakibatkan kanker.

  Pada awalnya, untuk mendeteksi keberadaan suatu molekul gas seperti gas etilen digunakan metode analisis konvensional seperti Gas Chromatography (GC) dan Mass Spectroscopy (MS). Metode tersebut memiliki kelemahan, yaitu: tidak memiliki jangkauan pengukuran konsentrasi yang lebar dan tidak dapat digunakan untuk pengukuran secara real – time. Metode – metode tersebut tidak dapat digunakan untuk memonitor beberapa jenis gas secara simultan [Gondal, 1997].

  Dalam satu kali pengukuran, metode analisis konvensional hanya bisa digunakan untuk mendeteksi satu jenis molekul gas.

  Kemudian dikembangkan suatu teknik berbasis laser untuk menyelesaikan permasalahan di atas. Teknik ini memiliki kelebihan yaitu dapat digunakan untuk pengukuran secara real – time dengan selektivitas dan sensitivitas yang tinggi [Gondal, 1997]. Contoh detektor yang menggunakan teknik berbasis laser adalah spektroskopi fotoakustik berbasis laser CO

  2 .

  Detektor fotoakustik memiliki sensitivitas dan selektivitas yang tinggi. Laser yang menjadi basis dalam detektor fotoakustik juga memiliki range pengukuran panjang gelombang yang lebar. Karena memiliki range panjang

  3 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  gelombang yang lebar maka detektor fotoakustik dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas secara simultan.

  Pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi kendaraan bemotor dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO . Jenis kendaraan bermotor yang digunakan dalam penelitian ini adalah

  2

  sepeda motor. Gas buang hasil emisi sepeda motor terdiri dari berbagai jenis gas dengan konsentrasi yang berbeda. Untuk mengukur konsentrasi gas etilen dari suatu campuran gas diperlukan detektor yang memiliki selektivitas dan sensitivitas yang tinggi. Dengan alasan itulah maka dalam pengukuran ini digunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO .

2 Salah satu hal yang penting untuk diperhatikan dalam pengukuran

  konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakustik adalah adanya faktor pengganggu. Keberadaan berbagai jenis gas dalam gas buang sepeda motor dapat menjadi faktor pengganggu dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor. Faktor pengganggu tersebut dapat mempengaruhi dan mengubah hasil pengukuran. Oleh karena itu, faktor pengganggu harus dikurangi bahkan jika bisa dieliminasi. Contoh metode yang sering digunakan untuk mengeliminasi faktor pengganggu adalah metode penapisan (filter). Dengan digunakannya detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2

  dan adanya penapisan terhadap faktor pengganggu dalam pengukuran konsentrasi gas etilen ini, diharapkan diperoleh hasil konsentrasi gas etilen yang akurat.

  4 B.

C. Batasan Masalah 1.

2. Untuk mengeliminasi faktor pengganggu dalam pengukuran gas etilen hasil emisi sepeda motor digunakan metode penapisan (filter).

D. Tujuan Penelitian 1.

  2 .

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor.

  2

  Dapat memahami cara kerja detektor fotoakustik berbasis laser CO

   Rumusan Masalah

  yang terdapat di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat, Universitas Sanata Dharma.

  2

  Pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor tersebut dilakukan dengan menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2. Bagaimana cara mengeliminasi faktor pengganggu dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor.

  2 dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor.

  1. Bagaimana cara menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO

  Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan di atas, pokok permasalahan yang diangkat dalam skripsi ini dapat dirumuskan sebagai berikut :

2. Dapat mengaplikasikan detektor fotoakustik berbasis laser CO

  5 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI 3.

  Dapat menapis faktor pengganggu dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 .

E. Manfaat Penelitian 1.

  Memberikan informasi tentang aplikasi detektor fotoakustik berbasis laser CO dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda

  2 motor.

  2. Memberikan informasi tentang penapisan faktor pengganggu dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 .

  3. Metode dan hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya, khususnya bagi penelitian tentang polutan hasil emisi kendaraan bermotor dengan menggunakan detektor fotoakustik.

  4.

  2 H 4 di udara sebagai hasil

  Memberikan informasi tentang konsentrasi C emisi sepeda motor.

  6 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI F.

   Sistematika Penulisan

  BAB I Pendahuluan Bab I menguraikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian dan sistematika penulisan.

  BAB II Dasar Teori Bab II menguraikan tentang dasar – dasar teori pendukung dalam penelitian dan pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor.

  BAB III Eksperimen Bab III menguraikan tentang tempat pelaksanaan penelitian, alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, dan langkah – langkah penelitian.

  BAB IV Hasil dan Pembahasan Bab IV menguraikan tentang hasil penelitian dan pembahasan hasil penelitian. BAB V Penutup Bab V menguraikan tentang kesimpulan dan saran. PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB II DASAR TEORI A. Teori Atom dan Molekul Menurut Niels Bohr, atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan

  elektron yang bermuatan negatif. Elektron – elektron ini bergerak mengedari inti atom dalam sebuah orbit lingkaran seperti halnya planet – planet mengedari matahari [Krane, 1992]. Orbit elektron menunjukkan kedudukan dan tingkat energi elektron.

  Elektron dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Perpindahan elektron dari tingkat energi rendah (E ) ke tingkat energi tinggi (E

  

1 ) disebut eksitasi. Menurut Bohr, pada proses eksitasi, elektron membutuhkan

  energi dari luar yang besarnya sesuai dengan energi transisi dari kedua tingkat energi tersebut. Energi ini akan diserap oleh elektron pada tingkat energi E dan digunakan untuk berpindah ke tingkat energi E . Besarnya energi transisi tersebut

  1

  mengikuti persamaan 2.1: (2.1)

  ΔΕ = E

  1 − E

  Sedangkan perpindahan elektron dari tingkat energi tinggi (E

  1 ) ke tingkat

  energi rendah (E ) disebut deeksitasi. Pada proses deeksitasi, elektron akan memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan tenaga sebesar 1 akan kehilangan energi.

  ℎ . Elektron yang berada pada tingkat energi E

  8

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  Elektron tersebut akan berpindah ke tingkat energi yang lebih rendah yaitu tingkat energi E . Besarnya energi yang dipancarkan saat deeksitasi mengikuti persamaan 2.2:

  (2.2)

  1

  ℎ = Ε − Ε dengan : E = tingkat energi tinggi

1 E = tingkat energi rendah

• 34

  J.s) ℎ = tetapan Planck (6,63.10 = frekuensi gelombang elektromagnetik

  Molekul adalah gabungan dua atau lebih atom. Molekul memiliki kesamaan sifat seperti atom yaitu dapat memancarkan dan menyerap energi elektromagnetik.

  Molekul juga dapat mengalami proses eksitasi dan deeksitasi [Krane, 1992].

  B.

  2 Detektor Fotoakustik Berbasis Laser CO

  Efek fotoakustik pada dasarnya merupakan konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Efek fotoakustik pertama kali ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880. Namun penemuan tersebut baru berkembang pada tahun 1968 setelah ditemukannya laser. Laser tersebut digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik.

  Detektor fotoakustik memiliki kelebihan yaitu dapat digunakan untuk pengukuran secara real – time dengan selektivitas dan sensitivitas yang tinggi

  9

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  [Gondal, 1997]. Selain itu, detektor ini dapat mendeteksi lebih dari satu jenis molekul gas secara simultan. Karena kelebihannya, detektor fotoakustik berbasis laser dapat digunakan sebagai alat pendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas.

  Laser CO dan sel fotoakustik merupakan komponen penting detektor

  2

  fotoakustik berbasis laser CO 2 .

  a.

2 Laser CO

  Laser merupakan kependekan dari Light Amplification by Stimulated

  Emission of Radiation . Laser memiliki range panjang gelombang yang lebar

  mulai dari spektrum infra merah sampai ultra ungu. Laser memiliki beberapa keunggulan dibandingkan sumber cahaya yang lain, yaitu: memiliki intensitas yang tinggi, bersifat monokromatis, memiliki berkas yang terarah dan tidak menyebar, serta dapat ditala. Oleh karena itu, laser digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik.

  Laser terdiri dari beberapa jenis, yaitu: laser gas, laser zat padat, dan laser zat cair. Laser CO

  2 merupakan salah satu contoh laser gas [Laud, 1988].

  Laser CO

  2 pertama kali ditemukan oleh Patel pada tahun 1964. Laser CO

  2

  dapat bekerja pada daerah panjang gelombang 9µm - 11µm. Etilen merupakan salah satu gas yang memiliki koefisien serapan yang sangat tinggi di daerah operasi laser CO [Santosa, 2008]. Oleh karena itu, laser CO dapat digunakan

  2 2 untuk mendeteksi keberadaan etilen.

  10 b.

  Sel Fotoakustik Bagian terpenting dari detektor fotoakustik adalah sel fotoakustik. Sel fotoakustik merupakan tempat sampel gas berada. Sel fotoakustik berfungsi sebagai tempat konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Di dalam sel fotoakustik akan terjadi penyerapan tenaga laser oleh gas yang terdapat di dalamnya. Sel fotoakustik terdiri dari resonator dan mikrofon. Komponen penting dalam detektor fotoakustik tampak dalam Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Komponen penting dalam detektor fotoakustik

  Jika laser ditala pada frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam sel fotoakustik, maka molekul dengan tingkat energi E akan dieksitasi ke tingkat tenaga yang lebih tinggi E

  1 . Selanjutnya, molekul – molekul dengan tingkat tenaga

  E

  

1 akan melakukan proses deeksitasi dengan melepaskan tenaga eksitasinya. Pada

saat proses deeksitasi, molekul melepaskan tenaga eksitasinya secara non radiasi.

  Molekul tersebut akan menumbuk molekul lainnya. Kemudian molekul tersebut akan mentransfer tenaga eksitasinya menjadi tenaga translasi molekul yang ditumbuknya. Adanya transfer tenaga eksitasi molekul menjadi tenaga translasi

  laser resonator mikrofon gas sel fotoakustik

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  11

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  molekul yang ditumbuk menyebabkan terjadinya kenaikan tenaga translasi molekul yang ditumbuk. Kenaikan tenaga translasi dari molekul yang ditumbuk menyebabkan terjadinya kenaikan suhu dan tekanan. Jika berkas laser dimodulasi menggunakan chopper, tekanan di dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan secara periodik ini akan menimbulkan bunyi. Bunyi ini kemudian diukur dengan menggunakan mikrofon. Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik yang akan diperkuat menggunakan lock – in amplifier. Daya laser akan diukur menggunakan powermeter. Selanjutnya sinyal akustik dan daya laser diolah menggunakan komputer [Santosa, 2008].

  Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik. Keluaran dari mikrofon dipengaruhi oleh oleh daya laser, koefisien serapan, konsentrasi gas dan konstanta sel fotoakustiknya. Jika di dalam sel fotoakustik hanya terdapat satu macam gas “g”, maka hubungan antara keluaran mikrofon, daya laser, koefisien serapan, konsentrasi gas dan konstanta sel fotoakustiknya dapat dinyatakan dalam persamaan 2.4 [Santosa, 2008]:

  = (2.4) dengan : = sinyal akustik pada garis laser “l” [Volt (V)]

  = konstanta sel fotoakustik � � = daya laser pada garis laser “l” [Watt (W)]

  = konsentrasi gas “g” dalam sel fotoakustik [ppb]

• 1

  = koefisien serapan gas “g” pada garis laser “l” [cm ]

  12

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  Jika nilai sinyal dibandingkan dengan nilai daya, maka akan diperoleh nilai sinyal ternormalisir . Sinyal ternormalisir menyatakan besarnya sinyal

  � �

  yang dihasilkan pada daya sebesar 1 W. Besarnya nilai sinyal ternormalisir mengikuti persamaan 2.5: =

  (2.5)

  � � Persamaan 2.4 dan 2.5 berlaku untuk satu nilai panjang gelombang laser.

  Dalam praktek, untuk menghindari gangguan serapan dari molekul lain, perlu dilakukan pengukuran pada beberapa panjang gelombang laser [Santosa, 2008].

  Salah satu kelebihan detektor fotoakustik adalah dapat mendeteksi keberadaan berbagai jenis molekul gas secara simultan. Dengan demikian, dalam suatu pengukuran dapat terukur lebih dari satu molekul gas. Sebagai contoh, pada sel fotoakustik terdapat dua molekul gas yaitu gas A dan gas B. Kedua molekul gas tersebut menyerap radiasi laser pada garis laser l=1. Sinyal yang dihasilkan sebesar S , sedangkan daya yang diserap sebesar P . Masing – masing molekul

  l =1 l =1

  gas tersebut memiliki konsentrasi sebesar dan . Koefisien serapan masing – masing molekul gas pada garis laser l=1 adalah dan . Jika besarnya

  1

  1

  konstanta sel fotoakustik adalah , maka sinyal ternormalisir yang dihasilkan kedua molekul gas tersebut dinyatakan oleh persamaan 2.6:

  

( )

  = (2.6)

• 1

  � �

  1 =1

  13

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  Karena molekul yang terukur terdiri dari dua jenis maka untuk mengetahui besarnya konsentrasi kedua molekul tersebut diperlukan dua buah persamaan sinyal ternormalisir dengan dua buah variabel, yaitu dan . Oleh karena itu, pengukuran sinyal ternormalisir dilakukan pula pada garis laser l=2. Sinyal ternormalisir yang dihasilkan oleh gas A dan gas B pada garis laser l=2 dinyatakan oleh persamaan 2.7:

  ( )

  = + (2.7)

  � �

  2

  2 =2

  S dengan : = sinyal akustik [Volt (V)] P

  = daya laser [Watt (W)]

  l = posisi garis laser

  C = konstanta sel fotoakustik

  � � C _A

  = konsentrasi gas A [ppb]

  C _B

  = konsentrasi gas B [ppb] _A1 -1

   = koefisien serapan gas A pada l = 1 [cm ]

  α _A2 -1

   = koefisien serapan gas A pada l = 2 [cm ]

  α _B1 -1

   = koefisien serapan gas B pada l = 1 [cm ]

  α _B2 -1

   = koefisien serapan gas B pada l = 2 [cm ]

  α

  14

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  Dengan menyelesaikan persamaan 2.6 dan 2.7 dapat diperoleh nilai dan . Persamaan 2.6 dan 2.7 tersebut diselesaikan menggunakan metode eliminasi.

C. 2 dan H

2 O sebagai Pengganggu Pengukuran CO

  Pengukuran yang ideal dan sempurna akan memberikan output yang berasal dari sampel. Namun, dalam prakteknya keadaan seperti itu sulit untuk dicapai. Selain sampel, seringkali terdapat pengganggu yang ikut terukur. Pengganggu dapat mempengaruhi dan mengubah hasil pengukuran. Oleh karena itu, pengganggu harus dikurangi bahkan jika bisa dieliminasi. Sumber pengganggu berasal dari analit, komponen lain dari sampel, dan dari instrumen yang digunakan saat pengukuran [Willard et.al, 1988].

  Laser CO

  2 yang merupakan sumber cahaya pada detektor fotoakustik

  dapat bekerja pada range panjang gelombang 9µm - 11µm. Selain gas etilen, masih terdapat berbagai jenis molekul gas lain yang memiliki koefisien serapan yang tinggi pada daerah kerja laser CO . Gas tersebut adalah CO dan H O.

  2

  2

  2 CO 2 dan H

  2 O dapat menyerap radiasi laser CO 2 pada posisi garis laser CO

  2

  tertentu [Rooth et.al, 1990]. Semakin besar konsentrasi CO

  2 dan H

  2 O maka radiasi

  laser CO

  2 semakin banyak yang terserap sehingga daya laser pun bisa habis

  terserap. CO

  2 juga dapat mempengaruhi beda fase dan amplitudo sinyal akustik

  [Rooth et.al, 1990]. Dengan demikian, CO dan H O merupakan pengganggu

  2

  2

  dalam pengukuran konsentrasi gas etilen hasil emisi sepeda motor menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2 . Supaya diperoleh output berupa sinyal

  dari gas etilen, pengganggu berupa CO

  

2 dan H

2 O perlu dieliminasi.

  15

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI D.

  2 dan H

2 O yang menjadi Pengganggu Pengukuran Metode Eliminasi CO

  Eliminasi terhadap pengganggu penting untuk dilakukan supaya diperoleh hasil pengukuran yang akurat. Eliminasi terhadap pengganggu dapat dilakukan menggunakan metode penapisan/filter. Dalam metode ini, pengganggu dieliminasi dengan cara ditapis atau disaring sehingga pengganggu tidak memberikan output [Doebelin, 1976].

  CO

  2 dan H

2 O yang menjadi pengganggu dalam pengukuran ditapis

  menggunakan KOH dan CaCl

  2 [Santosa, 2002]. KOH mampu menyerap CO 2 ,

  sedangkan CaCl

  2 mampu menyerap H

  2 O. Dengan diserapnya CO 2 dan H

  2 O

  tersebut menyebabkan keberadaan CO dan H O semakin kecil. Dengan demikian

  2

  2

  pengaruh CO

  2 dan H

2 O terhadap pengukuran konsentrasi gas etilen pun semakin kecil.

  2 Detektor fotoakustik berbasis laser CO 2 digunakan untuk mengukur

  konsentrasi gas etilen dari gas buang sepeda motor. Detektor fotoakustik berbasis laser CO

  2

  memiliki komponen sebagai berikut : 1)

  Laser CO

  2 Laser CO 2 digunakan sebagai sumber cahaya pada detektor fotoakustik

  berbasis laser CO

  2 . Laser CO 2 yang digunakan dalam penelitian ini

  adalah laser CO 2 sealed – off. 2)

  Sel fotoakustik Sel fotoakustik merupakan komponen yang berfungsi sebagai tempat konversi cahaya menjadi gelombang bunyi. Di dalam sel fotoakustik

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

BAB III EKSPERIMEN A. Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat, Kampus III Universitas Sanata Dharma, Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta. B. Alat dan Bahan B.1. Alat – alat Alat – alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari : a. Detektor Fotoakustik berbasis Laser CO

  17 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  terdapat resonator dan mikrofon. Resonator berfungsi sebagai tempat terjadinya resonansi bunyi. Sedangkan mikrofon berfungsi untuk menangkap bunyi yang dihasilkan dari peristiwa penyerapan daya laser oleh gas di dalam sel fotoakustik. Keluaran dari mikrofon merupakan sinyal akustik. 3)

  Lock – in amplifier

  Lock – in amplifier berfungsi untuk memperkuat sinyal akustik dan

  sebagai penapis (filter). Kelebihan lock – in amplifier adalah dapat membaca/mengukur sinyal yang sangat kecil dengan teliti walaupun sinyal tersebut dikelilingi oleh pengganggu. 4)

  Powermeter

  Powermeter digunakan untuk mengukur daya yang dihasilkan oleh

  laser CO 2 . 5)

  Komputer 1 Komputer 1 digunakan untuk memonitor dan mengendalikan proses pengukuran menggunakan detektor fotoakustik, serta untuk mencatat, mengolah, dan menampilkan data hasil pengukuran.

  b.

  Kompresor Kompresor digunakan untuk menampung gas buang sepeda motor yang akan diukur konsentrasi gas etilennya.

  c.

  Flowcontroller

  Flowcontroller digunakan untuk mengatur besarnya aliran gas etilen yang masuk ke detektor fotoakustik.

  18 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI d.

  Flowmeter

  Flowmeter berfungsi untuk mengukur dan menampilkan besarnya aliran

  gas yang masuk ke detektor fotoakustik. Satuan untuk aliran gas ini adalah ml/menit.

  e. dan H O

  2

  2 Pendeteksi keberadaan CO

  Pendeteksi keberadaan CO

  2 dan H

  2 O terdiri dari :

  1)

2 Cuvet + Sensor CO

  Cuvet + Sensor CO

  2 berfungsi untuk mengukur konsentrasi CO 2 yang menjadi pengganggu pada saat dilakukan penelitian.

  2) O

2 Cuvet + Sensor H

  Cuvet + Sensor H

2 O digunakan untuk mengukur konsentrasi uap air

  (H 2 O) yang menjadi pengganggu pada saat dilakukan penelitian. 3)

  Komputer 2 Komputer 2 digunakan untuk memonitor pengukuran menggunakan sensor CO dan sensor H O, serta untuk mencatat, mengolah, dan

  2

  2 menampilkan data hasil pengukurannya.

  f.

2 Cuvet KOH + CaCl

  Cuvet KOH + CaCl

  2 digunakan sebagai tempat penyimpanan KOH dan

  CaCl

  2 yang berperan sebagai penapis CO 2 dan H

  2 O yang merupakan pengganggu pengukuran.

  Alat – alat tersebut dirangkai mengikuti Gambar 3.1.

  19 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

  Komputer 2 Flow Controller Detektor Fotoakustik

  Cuvet + Cuvet + sensor CO sensor H O _{2 2} Kompresor Cuvet KOH +

  Flowmeter CaCl ² Komputer 1

Gambar 3.1. Rangkaian alat yang digunakan dalam penelitian.

  B.2. Bahan

  Bahan – bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari : a.

  Gas buang sepeda motor Gas buang sepeda motor digunakan sebagai sampel yang akan diukur konsentrasi gas etilennya.

  b.