Difusi Fasa Gas(DFG)

LAPORAN PRAKTIKUM BPS3202

LABORATORIUM TEKNOLOGI BIOPROSES

Modul Praktikum: Difusi Fasa Gas (DFG) Dosen: Yulisa Lestari., S.Si, M.T

Praktikan:

Mario Apulizer Manurung (31S14021) Regina Sianturi (31S14023)

Tanggal Praktikum: 25 April 2017

PROGRAM STUDI TEKNIK BIOPROSES FAKULTAS BIOTEKNOLOGI

i ABSTRAK

Telah dilakukan percobaan tentang difusi. Difusi merupakan pertistiwa perpindahan massa yang berpindah dari suatu keadaan yang memiliki konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Perpindahan massa yang terjadi dapat berlangsung dalam fasa gas maupun fasa cair. Proses difusi massa merupakan berpindahnya suatu kuantitas massa (fluks) akibat adanya gradien konsentrasi atau fraksi dari suatu senyawa pada bidang yang berbeda. Peristiwa difusi akan terus berlangsung hingga tercapainya kondisi kesetimbangan antara dua keadaan, dimana sebelumnya terdapat perbedaan besarnya konsentrasi suatu komponen pada masing-masing keadaan. Tujuan percobaan ini untuk mengamati, menganalisis serta menentukan difusivitas dari proses difusi fasa gas senyawa etanol yang berdifusi dengan udara.

Pada percobaan ini, pertama kali dilakukan memasukkan air kran kedalam Water bath, dan dipanaskan sesuai suhu pemanasan yang ditugaskan, yaitu 35 ⁰C dan 45 ⁰C. kemudian senyawa volatil yaitu etanol ditempatkan pada pipa kapiler dengan ketinggian cairan tertentu, dan senyawa B dalam fasa gas (udara) dialirkan pada permukaan atas tabung. Pengamatan ketinggian cairan dicatat setiap 10 menit hingga mencapai 5 titik pada temperatur 35 ⁰C dan 45 ⁰C, kemudian akan diperoleh koefisien difusivitas dari persamaan linier yang dibentuk oleh hubungan ketinggian cairan dengan waktu perpindahan cairan. Hubungan antara temperatur dengan difusivitas ditentukan dengan melakukan pengamatan terhadap ketinggian cairan dengan temperatur yang berbeda-beda, yaitu 35⁰C dan 45 ⁰C, dengan interval waktu pengamatan setiap 10 menit hingga dicapai 5 titik.

Dari percobaan, diperoleh nilai � pada suhu 35 ⁰C adalah 7,66 mm2_{/menit dan, nilai} �= 0; 0,0378; 0,0189; 0,0126; 0,0009 (mol/cm2_{s) sedangkan pada suhu 45 ⁰C nilai D}

AB adalah 10,07 dan nilai NAZ =0; 0,0006; 0,0003; 0,0002; 0,0002 pada waktu t = 0; 10; 30; 40; 50 pada temperatur 40⁰C.dari hasil dapat disimpulkan bahwa difusivitas berbanding lurus dengan suhu pemanasan. Kemudian, diperoleh profil konsentrasi senyawa A yang berdifusi dengan temperatur 35 ⁰C dan 45 ⁰C.

2 BAB I PENDAHULUAN

I.1 Tujuan Umum Percobaan

• Praktikan dapat memahami proses difusi fasa gas. I.2 Tujuan Khusus Percobaan

• Menentukan koefisien difusivitas dari etanol menurut Hukum Fick pada temperatur 35 ºC dan 45 ºC

• profil densitas fluks molar etanol terhadap waktu pada temperatur 35 ⁰C dan 45 ⁰C • Menentukan pengaruh temperatur terhadap difusivitas dengan 2 temperatur berbeda,

yaitu 35 ⁰C dan 45 ⁰C

• Menggambarkan profil konsentrasi senyawa yang berdifusi dengan gas, yaitu A sebagai etanol dan B sebagai udara.

3 BAB II

HASIL DAN PEMBAHASAN

II.1 Difusivitas Etanol Menurut Hukum Fick

Difusi adalah perpindahan atau mengalirnya suatu zat dalam pelarut dari bagian yang berkosentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Keadaan dimana partikel telah tersebar secara merata disebut keadaan setimbang. Pada percobaan ini terjadi peristiwa difusi dari cair ke gas dengan menggunakan senyawa etanol yang ditempatkan pada sebuah pipa kapiler. Terjadi proses pemanasan pada pipa kapileryang dilakukan dengan mengkontakkan pipa kapiler dengan water bath yang telah diatur suhunya. Pengukuran ketinggian cairan dilakukan dengan mengamati penurunan cairan pada tiap skala milimeter (mm) menggunakan travelling microscope monocular. Difusi terjadi karena dorongan dari tekanan uap etanol yang sangat rendah dan perbedaan konsentrasi etanol di dalam dan di bagain luar pipa kapiler. Koefisien difusivitas etanol-udara dapat ditentukan dari persamaan garis linearisasi hubungan selisih ketinggian cairan (mm) terhadap �

�−� (menit/mm) yang diperoleh dari turunan Hukum Fick. Garis yang dibentuk oleh perbedaan penurunan cairan setiap interval waktu dapat dilihat pada grafik berikut ini:

Gambar 2.1.1 Hubungan selisih ketinggian cairan (Z-L) terhadap t/(Z-L) pada suhu 35 ºC

y = 10x + 6 R² = 0.3846

0 5 10 15 20 25 30 35

0 0.5 1 1.5 2 2.5

t/(Z

-L)

(m

e

n

it/m

m

)

4

Gambar 2.1.2. Hubungan Selisih Ketinggian (Z-L) terhadap t/(Z-L) pada suhu 45 ºC Berdasarkan Gambar 2. 1.1 , diperoleh persamaan linier yang dibentuk oleh garis pada suhu 35 ºC, yaitu y = 10x + 6 dengan nilai R2 = 0,3846 dan pada suhu 45 ºC yaitu, y = 7,8571x + 3,5714 dengan nilai R2 = 0,6173. Dari kedua Suhu yang ditugaskan terlihat bahwa Garis yang dibentuk tidak menghasilkan garis regresi linier yang tidak bagus, yang disebabkan oleh kondisi suhu air pemanas yang rendah dan jauh dari titik didih etanol yaitu 78 ºC, yang menyebabkan lamanya proses difusi terjadi, dan dari hasil yang kami dapat pada suhu pemanasan 35 ºC terjadi proses difusi yang sangat lambat dari menit ke 10 hingga menit ke 30. Dan pada kondisi ini lah yang menyebabkan tidak bagusnya nilai R pada regresi linier tersebut.

Dari persamaan garis linier yang dibentuk, maka dilakukan perhitungan untuk memperoleh nilai koefisien difusivitas (� ) yang contoh perhitungan nya dapat dilihat pada lampiran B.1. Maka diperoleh nilai DAB pada suhu 35 ºC sebesar 7,66 mm2/menitdan pada suhu 45

ºC sebesar 10,07 mm2/menit. Dengan demikian dapat dilihat bahwa pada proses difusi fasa gas etanol dengan interval 10 menit, etanol memiliki kemampuan untuk berdifusi sebesar 7,66 mm2/menit pada suhu 35 ºC dan 10,07 mm2/menit pada suhu 45 ºC. Sehingga semakin cepat laju penguapan etanol, maka semakin cepat laju pengurangan cairan etanol. Karena jumlah cairan etanol yang berkurang sama dengan banyaknya cairan etanol yang menguap.

y = 7.8571x + 3.5714 R² = 0.6173

0 5 10 15 20 25

0 0.5 1 1.5 2 2.5

t/(Z

-L)

(m

e

n

it/m

m

)

5

II.2 Profil Densitas Fluks Molar Terhadap Waktu

Fluks molar (NA) merupakan laju pengurangan cairan dalam pipa kapiler dalam satuan waktu. Nilai _� (mol/cm2s) diperoleh dari perhitungan pada lampiran B.2. berdasarkan percobaan diperoleh nilai densitas fluks molar (NAZ) pada tabel berikut :

Tabel 2.2.1 Nilai Fluks Molar terhadap waktu pada suhu 35 ºC

Tabel 2.2.2 Nilai Fluks Molar terhadap waktu pada suhu 45 ºC

Berdasarkan kedua tabel diatas, diperoleh nilai dari _� = 0 (mol/cm2s) pada t = 0 menit, hal ini disebabkan karena pada saat waktu ini, senyawa etanol belum mengalami difusi atau jumlah mol A tidak mengalami penguapan. Sedangkan untuk konsdisi waktu yang lain, dapat disimpulkan bahwa waktu berbanding terbalik dengan nilai NAZ yang berarti semakin lama waktunya, maka semakin kecil jumlah mol A yang mengalami penguapan, dan teori ini dapat dibuktikan dari persamaan NAZ.MA = ρժ_ժ�_�.

II.3 Pengaruh Temperatur Terhadap Difusivitas

Pada praktikum yang dilakukan, digunakan suhu dengan 2 variasi, yaitu 35 ºC dan 45 ºC dengan pengambilan data yang dilakukan setiap 10 menit dan didapatkan 5 variasi dengan waktu yang berbeda. Dan pengaruh kedua suhu tersebut terhadap difusivitas dapat dilihat pada tabel dan grafik berikut:

t (menit) t(s) Z(cm) NAZ(mol/cm2s)

0 0 22,1 0,00000

10 600 22 0,037878261 20 1200 22 0,01893913 30 1800 22 0,012626087 40 2400 2,19 0,000942652

t (menit) t(s) Z(cm) NAZ (mol/cm2s) 0 0 22,8 0,0000 10 600 22,7 0,000651391 20 1200 22,7 0,000325696 30 1800 22,6 0,000216174 40 2400 22,6 0,00016213

6

Tabel 2.3.1 Data pengaruh suhu terhadap Difusivitas

Gambar 2.3.1 Grafik hubungan antara suhu dan Difusivitas

Berdasarkan gambar 2. 3. 1 dapat dilihat bahwa peningkatan suhu akan mengakibatnya meningkatkan koefisien difusivitas, yang artinya semakin tinggi suhu maka proses difusi semakin cepat. Hal ini disebabkan oleh senyawa etanol yang semakin cepat menguap pada suhu yang tinggi. Hasil ini sesuai dengan pendapat dari (Brid, 1924) yang mengatakan koefisien difusivitas pada sistem biner merupakan fungsi dari suhu, dimana suhu akan meningkatkan laju difusi Karena akan menambah dryving force proses difusi dengan meningkatkan laju penguapan etanol. Pada jurnal (Agustina, 2013) juga dijelaskan bahwa suhu pemanasan berbanding lurus dengan koefisien konduktivitas. Namun variasi suhu tidak boleh melebihi suhu titik didih dari etanol, yaitu 78,32 ⁰C (Krik & R F, 1951) Jika variasi suhu melebihi dari suhu titik didih etanol, maka pada saat melakukan percobaan, pengamatan difusi fasa gas dari etanol tidak akan tercapai. Karena pada saat suhu 78,32⁰C, etanol akan mendidih atau mengalami penguapan, sehingga pengamatan difusi setiap interval waktu tidak dapat lagi diamati.

II.4 Profil Konsentrasi Senyawa yang Berdifusi

Percobaan ini dilakukan untuk mengamati profil konsentrasi senyawa A pada saat berdifusi. Nilai yang diperoleh dengan interval waktu 10 menit merupakan perbedaan konsentrasi pada setiap kondisi batas selama proses difusi.

suhu (ºC)

DAB (mm/menit) 35 7,66 45 10,07

6 7 8 9 10 11

30 35 40 45 50

DAB (m m /m e n it)

7

Tabel 2.4.1 Hasil perhitungan konsentrasi etanol dan konsentrasi udara pada suhu pemanasan 35ºC

Z (mm) XA XB

221 0,96 0,04 220 0,801 0,198 220 0,64 0,36 220 0,48 0,52 219 0,329 0,671

Tabel 2.4.2 Hasil Perhitungan konsentrasi etanol dan konsentrasi udara pada suhu pemanasan 45ºC

Z (mm) XA XB

228 0,96 0,04 227 0,801 0,198 227 0,64 0,36 226 0,486 0,514 226 0,32 0,68

Gambar 2.4.1. Profil konsentrasi A dan B terhadap sumbu z untuk difusi fasa gas pada suhu pemanasan 35 ºC

218.5 219 219.5 220 220.5 221 221.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Z

(m

m

)

XA dan XB

Etanol Udara

8

Gambar 2.4.2. Profil konsentrasi A dan B terhadap sumbu Z untuk difusi fasa gas pada suhu pemanasan 45 ºC

Dari gambar diatas, dapat dilihat bahwa, awalnya senyawa etanol memiliki � yang tinggi, karena pada t=0, etanol belum mengalami proses difusi. Namun seiring waktu, nilai dari � turun, hal ini disebabkan oleh senyawa etanol yang telah banyak berdifusi. Sehingga, semakin lama waktu yang diberikan kepada etanol untuk berdifusi, maka konsentrasi A (� ) semakin turun. Sedangkan nilai � , semakin lama semakin meningkat. Namun pada suhu pemanasan 35 ºC dan 45 ºC terdapat Z yang sama, misalnya pada saat 35 ºC terdapat Z yang sama pada saat saat t = 10, 20, 30 menit yang dikarenakan suhu penasaan yang kurang panas dan jauh dari titik didih etanol, dengan akibatnya tidak terlalu terlihat kenaikan pada profil A dan penurunan pada profil B.

225.5 226 226.5 227 227.5 228 228.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Z

(m

m

)

XA dan XB

etanol udara

9 BAB III

KESIMPULAN DAN SARAN

III.1 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan difusi fasa gas, dapat disimpulkan bahwa:

• Koefisien difusivitas dari etanol menurut Hukum Fick pada suhu pemanasan 35 ⁰C adalah � = 7,66 mm2/menit, dan pada suhu pemanasaan 45 ⁰C adalah DAB = 10,07 mm2/menit.

• Densitas fluks molar etanol terhadap waktu pada suhu 35 ⁰C, yaitu _�= 0; 0,0378; 0,0189; 0,0126; 0,0009 (mol/cm2s) dan pada suhu 45 ⁰C, yaitu NAZ= 0; 0,0006; 0,0003; 0,0002; 0,0002 pada waktu t = 0; 10; 30; 40; 50. Berdasarkan nilai _� dapat dinyatakan bahwa, semakin lama waktunya, maka semakin kecil jumlah mol A yang mengalami penguapan.

• Semakin tinggi suhu pemanasan maka difusivitas juga semakin tinggi.

• Semakin lama waktu yang diberikan kepada etanol untuk berdifusi, maka � semakin turun. Sedangkan nilai � , semakin lama semakin meningkat.

III.2 Saran

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, maka disarankan untuk memberikan penugasan pada praktikan dengan suhu yang lebih besar, namun tetap dibawat suhu titik didih senyawa volatile yang akan digunakan.

10

DAFTAR PUSTAKA

Agustina, N. d. (2013). Pengaruh Suhu Perendaman Terhadap Koefisien Difusi dan Sifat Fisik Kacang Merah (Phaseolus Vulgaris L). Jurnal Teknik Pertanian Lampung, Vol.2, No 1: 35-42.

Brid, B. R. (1924). Transport Phenomena. United States of America: Hamilton Printing.

Krik, R. E & Othmer, R.F. (1951). Encyclopedia of Chemical Technology. Canada: John Wiley and Sons Ltd.

11

LAMPIRAN A DATA LITERATUR A.1 Sifat Fisik Etanol

Titik didih normal : 78,32 ⁰C Massa relatif : 46 g/mol (Sumber: Kirk, 1951)

A.2 Gas Law Constant (R) dan Tekanan

R : 82,0578 cm3_{atm/mol K}

1 atm : 760 mmHg

12 LAMPIRAN B DATA PERHITUNGAN B.1 Difusivitas Etanol Menurut Hukum Fick

Pada suhu 35 ºC diplot antara t/(Z-Z0) dan (Z-Z0) dan diperoleh persamaan y = 10x + 6, dan nilai difusivitas dapat direntukan dengan menggunakan persamaan :

� − � = �. � � − � +

� �. �

Kemudian dibuat menjadi persamaan linear y = ax + b, Maka diperoleh persamaan :

� = �.� � − � � � = �. � � = �.

Nilai dari � dapat diperoleh dengan rumus :

� = �._{��� ln − �}− �

,� Nilai dari densitas etanol dapat diperoleh dengan rumus :

� =massa gelas ukur berisi − massa gelas ukur kosong_{volume gelas ukur}

� = , gram − _ml , gram

= 0,792 g/cm

Diketahui nilai P = 70,9 cmHg = 709 mmHg = 0,9328 atm

Dengan T = 35 ºC = 308,15 K, R = 82,0578 cm3atm/molK, MA = 46 g/mol XA = 0,2 dan XA,0 = 0,998

Maka,

� = , � . � � /_{, � �} �

( , , ) � = ,

Sehingga, nilai Difusivitasnya adalah,

13

� = _{� ,}

� = , / � �

B.2 Profil Densitas Fluks Molar Terhadap Waktu

Pada saat suhu pemanasan 35 ºC ( dengan t = 600 s, Z = 22 cm, densitas etanol 0,792 g/cm3 dan diketahui Mr etanol sebesar 46 g/mol. Maka diperoleh nilai NAZ sebesar :

� =

� . � . � � =

� . � . � � =

, �/� . �

� .

� = ,

mol cm s

B.3 Profil Konsentrasi Senyawa yang Berdifusi

Untuk menentukan konsentrasi dari senyawa, dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

� = − ( − � ,�). − �_{− �} ,� ,�

�/�

Pada suhu 35 ºC, diketahui Z = 221 mm dan L=220 mm pada saat t = 10 menit, juga diketahui nilai xA,0 = 0,96 dan nilai xAL = 0,8.

Maka diperoleh nilai XA yaitu :

� = − − , . _{− ,}− , /

� = ,

Kemudian nilai XB diperoleh dengan persamaaan XA + XB = 1, sehingga diperoleh : � = − ,

14

LAMPIRAN D DATA MENTAH

D.1 Tekanan dan Temperatur pada Laboratorium Teknik Bioproses Selasa, 25 April 2017

Tekanan (P) : 70,9 ± 0,05 cmHg Temperatur (T) : 24 ± 0,5 ⁰C

D.2 Penurunan Ketinggian Cairan Senyawa Etanol pada Temperatur 35 ⁰C dan 45 ⁰C Tabel D.2.1 Data mentah ketinggian etanol pada pipa kapiler dalam selang waktu 10 menit pada

suhu pemanasan 35 ºC t

(menit) Z(mm) 0 221 10 220 20 220 30 220 40 219

Tabel D.2.2. Data mentah ketinggian etanol pada pipa kapiler dalam selang waktu 10 menit pada suhu pemanasan 45 ºC

t

(menit) z(mm) 0 228 10 227 20 227 30 226 40 226

9 BAB III

KESIMPULAN DAN SARAN

III.1 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan difusi fasa gas, dapat disimpulkan bahwa:

• Koefisien difusivitas dari etanol menurut Hukum Fick pada suhu pemanasan 35 ⁰C adalah � = 7,66 mm2/menit, dan pada suhu pemanasaan 45 ⁰C adalah DAB = 10,07 mm2/menit.

• Densitas fluks molar etanol terhadap waktu pada suhu 35 ⁰C, yaitu _�= 0; 0,0378; 0,0189; 0,0126; 0,0009 (mol/cm2s) dan pada suhu 45 ⁰C, yaitu NAZ= 0; 0,0006; 0,0003; 0,0002; 0,0002 pada waktu t = 0; 10; 30; 40; 50. Berdasarkan nilai _� dapat dinyatakan bahwa, semakin lama waktunya, maka semakin kecil jumlah mol A yang mengalami penguapan.

• Semakin tinggi suhu pemanasan maka difusivitas juga semakin tinggi.

• Semakin lama waktu yang diberikan kepada etanol untuk berdifusi, maka � semakin turun. Sedangkan nilai � , semakin lama semakin meningkat.

III.2 Saran

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, maka disarankan untuk memberikan penugasan pada praktikan dengan suhu yang lebih besar, namun tetap dibawat suhu titik didih senyawa volatile yang akan digunakan.

10

DAFTAR PUSTAKA

Agustina, N. d. (2013). Pengaruh Suhu Perendaman Terhadap Koefisien Difusi dan Sifat Fisik Kacang Merah (Phaseolus Vulgaris L). Jurnal Teknik Pertanian Lampung, Vol.2, No 1: 35-42.

Brid, B. R. (1924). Transport Phenomena. United States of America: Hamilton Printing.

Krik, R. E & Othmer, R.F. (1951). Encyclopedia of Chemical Technology. Canada: John Wiley and Sons Ltd.

11

LAMPIRAN A DATA LITERATUR

A.1 Sifat Fisik Etanol

Titik didih normal : 78,32 ⁰C Massa relatif : 46 g/mol (Sumber: Kirk, 1951)

A.2 Gas Law Constant (R) dan Tekanan

R : 82,0578 cm3_{atm/mol K}

1 atm : 760 mmHg

12 LAMPIRAN B DATA PERHITUNGAN

B.1 Difusivitas Etanol Menurut Hukum Fick

Pada suhu 35 ºC diplot antara t/(Z-Z0) dan (Z-Z0) dan diperoleh persamaan y = 10x + 6, dan

nilai difusivitas dapat direntukan dengan menggunakan persamaan :

� − � = �. � � − � + � �. �

Kemudian dibuat menjadi persamaan linear y = ax + b, Maka diperoleh persamaan : � = �.� � − �

� � = �. � � = �. Nilai dari � dapat diperoleh dengan rumus :

� = �._{��� ln − �}− �

,�

Nilai dari densitas etanol dapat diperoleh dengan rumus :

� =massa gelas ukur berisi − massa gelas ukur kosong_{volume gelas ukur} � = , gram − _ml , gram

= 0,792 g/cm

Diketahui nilai P = 70,9 cmHg = 709 mmHg = 0,9328 atm Dengan T = 35 ºC = 308,15 K, R = 82,0578 cm3_{atm/molK, M}

A = 46 g/mol

XA = 0,2 dan XA,0 = 0,998

Maka,

� = , � . � � /_{, � �} �

( , , ) � = ,

Sehingga, nilai Difusivitasnya adalah,

13 � = _{� ,}

� = , / � �

B.2 Profil Densitas Fluks Molar Terhadap Waktu

Pada saat suhu pemanasan 35 ºC ( dengan t = 600 s, Z = 22 cm, densitas etanol 0,792 g/cm3

dan diketahui Mr etanol sebesar 46 g/mol. Maka diperoleh nilai NAZ sebesar :

� = � . �

. �

� = � . �

. �

� =

, �/� . � � . � = ,

mol cm s B.3 Profil Konsentrasi Senyawa yang Berdifusi

Untuk menentukan konsentrasi dari senyawa, dapat digunakan persamaan sebagai berikut : � = − ( − � ,�). − �_{− �} ,�

,� �/�

Pada suhu 35 ºC, diketahui Z = 221 mm dan L=220 mm pada saat t = 10 menit, juga diketahui nilai xA,0 = 0,96 dan nilai xAL = 0,8.

Maka diperoleh nilai XA yaitu :

� = − − , . _{− ,}− , /

� = ,

Kemudian nilai XB diperoleh dengan persamaaan XA + XB = 1, sehingga diperoleh : � = − ,

14

LAMPIRAN D DATA MENTAH

D.1 Tekanan dan Temperatur pada Laboratorium Teknik Bioproses

Selasa, 25 April 2017

Tekanan (P) : 70,9 ± 0,05 cmHg Temperatur (T) : 24 ± 0,5 ⁰C

D.2 Penurunan Ketinggian Cairan Senyawa Etanol pada Temperatur 35 ⁰C dan 45 ⁰C Tabel D.2.1 Data mentah ketinggian etanol pada pipa kapiler dalam selang waktu 10 menit pada

suhu pemanasan 35 ºC t

(menit) Z(mm)

0 221

10 220

20 220

30 220

40 219

Tabel D.2.2. Data mentah ketinggian etanol pada pipa kapiler dalam selang waktu 10 menit pada suhu pemanasan 45 ºC

t

(menit) z(mm)

0 228

10 227

20 227

30 226