APLIKASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2 DALAM PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN SECARA REAL – TIME

APLIKASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO

2 DALAM PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN

SECARA

REAL – TIME

Skripsi

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Sains

Jurusan Fisika

Disusun Oleh: Laurensia Trimeta Platini NIM : 053214002 PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2010

THE APLICATION OF CO

2 LASER – BASED PHOTOACOUSTIC

DETECTOR IN THE REAL – TIME MEASUREMENT OF ETHYLENE

GAS CONCENTRATION

A THESIS

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain The Sarjana Science

In Physics Department

by : Laurensia Trimeta Platini NIM : 053214002 PHYSICS STUDY PROGRAM PHYSICS DEPARTMENT FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2010

“ Trimalah didikanku, lebih dari pada perak

dan pengetahuan lebih dari pada emas pilihan

“ (Amsal 8:10)

“ Sukses tidak diukur dari posisi yang

dicapai seseorang dalam hidup, tapi dari

kesulitan – kesulitan yang berhasil diatasi ketika berusaha meraih sukses”

(Booker T Washington )

“ Segala sesuatu yang awalnya sulit akan

terasa mudah bila kita selalu berfikir positif,

berusaha dan selalu tersenyum dalam menghadapinya”

Kupersembahkan karya ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus yang selalu menyertai

setiap langkah hidupku dan selalu

mendengarkan permohonanku.

Bunda Maria penolongku.

Kedua orang tua, dan saudaraku tercinta

Universitas Sanata Dharma almamaterku.

INTISARI

APLIKASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER

CO DALAM PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN

2 SECARA REAL – TIME

Detektor fotoakustik merupakan alat untuk mengukur konsentrasi gas dari berbagai sampel. Detektor tersebut bekerja bila terjadi penyerapan energi laser oleh gas di dalam sel fotoakustik yang dapat menimbulkan bunyi. Detektor tersebut mampu mengukur konsentrasi gas dengan waktu tanggap cepat, sensitif, selektif, dan tidak mengganggu sampel.

Dalam penelitian ini, telah dilakukan aplikasi detektor fotoakustik berbasis laser CO dalam pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel secara real – time.

2 Aplikasi detektor dalam pengukuran secara real – time, mengakibatkan proses

perubahan produksi gas etilen dari sampel dapat diketahui setiap waktu. Pada penelitian ini, buah apel fuji diusahakan agar tidak memproduksi gas etilen lagi. Usaha tersebut dilakukan dengan cara mengurangi kandungan Oksigen dari 20% menjadi 10% dalam total campuran gas pada lingkungan penyimpanan, bahkan menghilangkan gas Oksigen pada lingkungan penyimpanan. Dengan diketahuinya proses perubahan produksi gas etilen setiap waktu pada masing – masing lingkungan penyimpanan, dapat diketahui bahwa Gas Oksigen berpengaruh pada produksi gas etilen. Pada penelitian ini, gas etilen paling banyak dihasilkan pada lingkungan penyimpanan yang mengandung 20% Oksigen. Sedangkan, setelah dilakukan pengukuran konsentrasi gas secara real – time selama 5 jam 45 menit pada lingkungan penyimpanan tanpa Oksigen, gas etilen tidak diproduksi lagi.

ABSTRACT

THE APLICATION OF CO LASER – BASED PHOTOACOUSTIC

2 DETECTOR IN THE REAL – TIME MEASUREMENT OF ETHYLENE

GAS CONCENTRATION

Photoacoustic detector is a device to measure gas concentration of various samples. The detector works when gas absorbs laser energy in the photoacoustic cell which causes sound. The detector is able to measure gas concentration quickly, sensitively and selectively without affecting the samples.

In this research, the application of CO laser-based photoacoustic detector

in the real – time measurement of ethylene gas concentration was conducted to several samples. By the application of detector in the real – time measurement, the process of an ethylene gas production can be known every time. In this research, measurement tries to eliminate ethylene production of Fuji apple. An effort was conducted to reduce Oxygen content from 20% to 10% out of the gases intervened in the process. Even, it was desired to completely eliminate the Oxygen in the storage environment. By knowing the change of ethylene production of each time in each storing environment, it was found out that Oxygen influences ethylene production. In the research, ethylene gas is mostly produced in the storage environment containing 20% of Oxygen. Meanwhile, after the real – time gas concentration measurement was conducted for 5 hours 45 minutes in the storage environment without Oxygen, ethylene gas was not produced anymore.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus atas rahmat, kasih, karunia serta penyertaan-Nya yang diberikan kepada penulis selama penyusunan skripsi yang berjudul “APLIKASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO

2 DALAM PENGUKURAN

KONSENTRASI GAS ETILEN SECARA REAL – TIME”. 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. Bunda Maria yang telah mendengarkan segala doa dan permohonan penulis.

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

3. Bapak Dr.Ign.Edi Santosa, M.S selaku dosen pembimbing akademik, dosen pembimbing skripsi dan dosen penguji, yang dengan penuh kesabarannya telah membimbing, membantu, menyemangati serta meluangkan waktunya kepada penulis selama perkuliahan, penelitian dan proses penulisan skripsi ini.

4. Ir.Sri Agustini Sulandari, M.Si selaku ketua program studi Fisika dan dosen penguji, yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk menguji dan memberikan masukan yang berharga bagi penulis

5. A. Prasetyadi, S.Si, M.Si. selaku dosen penguji yang telah meluangkan waktu untuk menguji dan memberikan saran bagi penulis.

6. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si, Dwi Nugraheni Rositawati, M.Si dan segenap Dosen prodi Fisika, FST Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mendidik dan membagikan ilmunya kepada penulis selama ini.

7. Segenap karyawan FST Universitas Sanata Dharma yang telah membantu selama masa studi. Para laboran, Bapak Sugito, Mas Ngadiono dan Mas Bima yang telah banyak membantu penulis selama penelitian.

8. Ayahku, Antonius Pulunggono dan ibuku, Maria Suwartini, yang sabar membimbing, memberikan dukungan, doa dan kasih sayangnya kepada penulis.

9. Stefanus Kristianto Cahyo Purwanto, Benedictus Nugroho Dwi Handoko, Nikolas Catur Pandoyo dan Eduwardus Cahyo Bintoro selaku saudara kandung, yang selalu memberikan doa, semangat dan dukungannya kepada penulis.

10. Eyang Heronimus Tamjiz dan Emma Sri Kartijah Djojosupotro, Yustinus Jumino dan Anastasia Sogiyem Kartopawiro, yang selalu mendoakan dan memberikan motivasi kepada penulis.

11. Tante M. Supiyati yang telah banyak membantu, memberikan motivasi dan mendampingi penulis selama penulisan skripsi ini.

12. Fransiskus Asisi Oktora Dwi Haryanto, Fransiska Yeni Anggarini, dan Lulu Qiuntriani Jisura, yang senantiasa mewarnai angkatan 2005, memberikan motivasi dan masukannya kepada penulis.

13. Rekan penelitianku Fransiska Endang Kinasih dan Katarina Watini, atas segala bantuan dan kerjasamanya.

14. Teman-teman Fisika angkatan 2002 dan angkatan 2004, yang senantiasa membantu serta menguatkan penulis.

15. Brigita Leny Dwi Astuti dan Fransiska Sri Puji Astuti yang selalu berjuang bersama, memotivasi dan mendengarkan curahan hati penulis dengan sabar.

16. Teman-teman kos yang selama ini telah memberikan doa, dukungan dan bantuan baik moral maupun spriritual kepada penulis terutama dalam menyelesaikan skripsi ini.

17. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu selama penulis menyelesaikan studi.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari semua pihak. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi para pembaca dan memberikan sedikit sumbangan buat Ilmu Pengetahuan.

Yogyakarta, 30 Desember 2009 Penulis

DAFTAR ISI

Halaman HALAMAN JUDUL ........................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING .................................................. iii HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................ iv HALAMAN MOTTO .......................................................................................... v HALAMAN PERSEMBAHAN ........................................................................ vi HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ........................................ vii LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ……………………………………. viii

INTISARI ........................................................................................................... ix ABSTRACT ......................................................................................................... x KATA PENGANTAR………………………………………………………….. xi DAFTAR ISI ………………………………………………………………...... xiv DAFTAR TABEL ……………………………………………………….......... xvii DAFTAR GAMBAR ……………………………………………..…...…..... xviii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ……………………………………………………… 1

1.2. Rumusan Masalah...…………………………………………………. 3

1.3. Batasan Masalah…………………………………………………….. 4

1.4. Tujuan Penelitian……………………………………………………. 4

1.5. Manfaat Penelitian………………………………………………….. 4

1.6. Sistematika Penulisan……………………………………………….. 5 xiv

BAB II DASAR TEORI

2.1. Teori Atom…………………………………………………………. 6

2.2. Teori Molekul…………..………………………………………….. 7

2.3. Detektor Fotoakustik Berbasis Laser …..……………………….…. 8

2.3.1.Laser CO …………………………………………………..... 9

2.3.2.Sel Fotoakustik ……………………..………………………... 11

BAB III EKSPERIMEN

3.1. Tempat Penelitian………………………...………………………… 15

3.2. Alat dan Bahan……..……………………………….…………….. 15

3.2.1. Alat – Alat …………………………………………..………. 15

3.2.2. Bahan …...……………………….…………………………... 16

3.3. Bagian – bagian dalam Detektor Fotoakustik berbasis Laser CO .. 17

3.3.1 Laser CO ….………………………………………………... 18

3.3.2 Sel Fotoakustik ………………………………………...….... 20

3.3.3 Lock – in amplifier ………………………………..………… 20

3.4. Pengoprasian Alat………………..………………………………… 21

3.4.1. Pengukuran Daya Laser………..…………………………..… 21

3.4.2. Kalibrasi………………..………………..…………………… 21

3.4.3. Pengukuran Konsentrasi gas etilen...……………..………….. 22

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1. Hasil…………………………..…………………………………… 27

4.1.1. Pengukuran Daya Laser………………...…………………… 27

4.1.2. Kalibrasi ……………………...………..…………………… 28 xv

4.1.3. Pengukuran Konsentrasi gas etilen yang diproduksi sampel .. 31

4.2. Pembahasan ………………………...……………………………... 37

BAB V PENUTUP

5.1. Kesimpulan….……......………………………..…………………... 54

5.2. Saran……......………………………………………………..……... 55 DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………….…... 56 LAMPIRAN …………………………………………………………………... 57 xvi

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1: Data sinyal ternomalisir yang diukur untuk menentukan letak garis laser pada serapan etilen ………………..…………...….... 57 Tabel 2: Data konsentrasi gas etilen standar 1 ppm yang diukur saat kalibrasi... 58

Tabel 3: Data hasil pengukuran konsentrasi etilen yang diproduksi buah apel fuji………………………….……………………………….. 59 Tabel 4: Data hasil pengukuran konsentrasi etilen yang diproduksi buah pisang kepok……………………………………………………... 60 Tabel 5: Data hasil pengukuran konsentrasi etilen yang diproduksi kecambah kacang hijau …………………………...………...………... 61

DAFTAR GAMBAR

halaman

Gambar 2.1 Model Atom Bohr.........................................................…........... 7Gambar 2.2 Proses Eksitasi ..………………………………………..…........... 7Gambar 2.3 Proses Deeksitasi ........................................................................... 7Gambar 2.4 Sketsa Tingkat Energi Molekul : tingkat energi elektronik, tingkat energi vibrasi dan tingkat energi rotasi ............................. 8Gambar 2.5 Komponen utama pada detektor fotoakustik …………..………. 8Gambar 2.6 Komponen Laser ......................................................................... 10Gambar 3.1 Detektor Fotoakustik dengan Laser CO yang digunakan

dalam penelitian …………………………………….………….. 15

Gambar 3.2 Bagian – bagian dalam detektor fotoakustik yang digunakan ……………....................................................... 17Gambar 3.3 Rangkaian alat saat kalibrasi .…………………………….…… 22Gambar 3.4 Rangkaian alat pada pengukuran konsentasi gas etilen yang diproduksi buah apel fuji, pisang kepok dan kecambah kacang

hijau pada lingkungan udara yang mengandung 20% O …….... 23

2 Gambar 3.5 Rangkaian pada pengukuran konsentrasi gas etilen yang

diproduksi apel fuji untuk lingkungan campuran yang mengandung 10% O ………………........……………………… 24

2 Gambar 3.6 Rangkaian pada pengukuran konsentrasi gas etilen yang

diproduksi apel fuji untuk lingkungan tanpa Oksigen (0% O )... 24

2 Gambar 4.1 Grafik hubungan daya laser [au] terhadap posisi steppermotor

Pada arus 10,75 mA ………………………….…………...…… 27

Gambar 4.2 Grafik hubungan sinyal ternormalisir [au] terhadap posisi steppermotor saat pada sel fotoakustik dialiri gas udara .………. 28Gambar 4.3 Grafik hubungan sinyal ternormalisir [au] terhadap posisi steppermotor saat pada sel fotoakustik dialiri gas etilen

1 ppm .............…………………………………………………... 29

Gambar 4.4 Grafik hubungan sinyal ternormalisir [au] terhadap posisi steppermotor saat pada sel fotoakustik dialiri gas etilen

1 ppm …………………………………………………….…….. 30

Gambar 4.5 Grafik hubungan konsentrasi [ppb] terhadap waktu [jam] untuk gas etilen 1 ppm yang dialirkan.……………...…….....…. 31Gambar 4.6 Grafik hubungan konsentrasi gas etilen [ppb] yang diproduksi apel fuji, pisang kepok dan kecambah kacang hijau terhadap

waktu [jam] pada lingkungan udara yang mengandung 20% O ......................……........................................................... 33

2 Gambar 4.7 Grafik hubungan konsentrasi gas etilen yang diproduksi

apel [ppb] terhadap waktu [jam] pada lingkungan campuran yang mengandung 20% O yang diubah menjadi lingkungan

campuran yang mengandung 10% O …………….................... 35

2 Gambar 4.8 Grafik hubungan konsentrasi gas etilen yang diproduksi

apel [ppb] terhadap waktu [jam] pada lingkungan campuran yang mengandung 20% O yang diubah menjadi lingkungan

0% O …...................................................................................... 36

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Suatu pengukuran dikatakan ideal bila tidak mengubah kondisi sampel

yang diukur. Pengubahan kondisi sampel akan menyebabkan perubahan nilai besaran yang diukur dari nilai sebenarnya [Doebelin,1992]. Munculnya gangguan pada instrumen dan masukan yang mengganggu saat pengukuran, dapat membuat hasil pengukuran tidak akurat. Untuk menghindari hal tersebut, gangguan harus dieliminasi [Doebelin,1992]. Pengukuran yang ideal membutuhkan instrumen yang memenuhi beberapa persyaratan antara lain : sensitif, selektif, tidak mengganggu sampel yang diukur, dan waktu tanggap cepat.

Buah adalah salah satu komoditi ekspor – impor. Pada umumnya buah diletakkan pada lingkungan udara yang mengandung 20% Oksigen. Pada lingkungan tersebut, buah akan terus mengalami pematangan. Pada proses pematangan, buah akan memproduksi gas etilen untuk setiap waktunya. Emisi etilen merupakan tanda masaknya buah [Santosa,2008].

Bila buah akan melalui proses pendistribusian dalam waktu yang lama, produksi gas etilen oleh buah harus dihambat agar tidak diproduksi lagi. Produksi gas etilen dipengaruhi oleh gas yang digunakan pada lingkungan tersebut. Untuk dapat menghambat produksi gas etilen, pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah perlu dilakukan pada beberapa lingkungan penyimpanan dengan

1 kandungan gas yang berbeda. Pada beberapa lingkungan penyimpanan tersebut, gas etilen yang diproduksi buah, diamati proses perubahan produksinya dan diukur konsentrasinya. Bila buah berada pada lingkungan penyimpanan dengan kandungan gas yang dapat menghambat produksi gas etilen, konsentrasi gas etilen yang dihasilkan akan berkonsentrasi kecil. Pada proses perubahan produksi, gas etilen yang dihasilkan berubah – ubah setiap waktunya. Untuk itu, dibutuhkan alat yang memiliki waktu tanggap cepat, sensitif, selektif, tidak mengganggu buah dan dapat digunakan secara real – time.

Pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah dapat dilakukan dengan menggunakan Gas Chromatograpy (GC). Namun, GC memiliki waktu tanggap yang lama. Hal tersebut mengakibatkan pengukuran konsentrasi gas etilen secara real - time tidak dapat dilakukan. GC kurang sensitif untuk mengukur konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah. Bila diukur dengan menggunakan GC, gas etilen tersebut harus dikumpulkan terlebih dahulu.

Pengumpulan gas etilen tersebut dapat mengakibatkan kondisi buah dan lingkungan penyimpanan buah tersebut berubah.

Selain kromatografi gas, ada sistem lain yang lebih baik untuk mengukur konsentrasi gas etilen dari buah, yaitu detektor fotoakustik berbasis laser CO2.

Detektor ini mampu mengukur lebih dari satu macam gas secara serempak, sensitif dan selektif. Detektor ini mempunyai waktu tanggap cepat dan langsung terhubung dengan tempat dimana buah penghasil gas yang diukur berada. Detektor ini dapat digunakan dalam pengukuran secara real - time [Santosa,2008]. Detektor ini dapat digunakan untuk mengetahui adanya proses perubahan produksi gas etilen, agar dapat dilakukan penghambatan produksi gas etilen yang dihasilkan buah. Detektor ini mampu melakukan pengukuran konsentrasi gas etilen, tanpa mengubah kondisi buah dan lingkungan penyimpanan buah yang digunakan.

Pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO . Buah

tersebut diletakkan pada beberapa lingkungan penyimpanan dengan kandungan gas yang berbeda. Dengan digunakannya detektor fotoakustik berbasis laser CO

dalam pengukuran konsentrasi gas etilen, diharapkan dapat menunjukkan adanya proses perubahan produksi gas etilen, agar dapat dilakukan penghambatan produksi gas etilen yang dihasilkan buah. Meskipun pengukuran konsentrasi gas etilen dilakukan dalam waktu yang lama, kondisi buah dan lingkungan penyimpanan buah yang digunakan, diharapkan tidak berubah.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan diatas, permasalahan yang diangkat dalam skripsi ini meliputi :

1. Bagaimana menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO dalam

pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi sampel secara real – time .

2. Bagaimana cara mengetahui proses perubahan produksi gas etilen setiap waktu, agar dapat dilakukan penghambatan produksi gas etilen yang dihasilkan buah.

1.3. Batasan Masalah

Pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi buah apel secara real –

time

dilakukan menggunakan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 yang ada di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat, Universitas Sanata Dharma. Untuk membedakan lingkungan penyimpanan yang digunakan, kandungan Oksigen dalam lingkungan penyimpanan divariasikan menjadi lingkungan campuran yang mengandung 20% O , 10% O , dan 0% O .

1.4.

Tujuan Penelitian

1. Mengaplikasikan detektor fotoakustik berbasis laser CO dalam

pengukuran konsentrasi gas etilen yang diproduksi sampel secara real – time.

2. Mengetahui proses perubahan produksi gas etilen yang diproduksi buah setiap waktu, agar dapat dilakukan penghambatan produksi gas etilen yang dihasilkan buah.

1.5. Manfaat Penelitian

1. Memberikan informasi tentang penggunaan detektor fotoakustik berbasis laser CO2 pada pengukuran secara real time.

2. Memberikan informasi bahwa pengukuran konsentrasi gas etilen secara

real – time dapat dimanfaatkan untuk mengusahakan penghambatan produksi gas etilen yang dihasilkan buah.

1.6. Sistematika Penulisan

Penelitian ini akan dituliskan dengan sistematika sebagai berikut:

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

BAB II Dasar Teori Bab ini menguraikan tentang teori atom, teori molekul dan detektor fotoakustik berbasis laser

BAB III Eksperimen Bab ini menguraikan tentang tempat pelaksanaan, alat dan bahan yang digunakan, bagian – bagian dalam Detektor Fotoakustik berbasis Laser CO , pengoprasian alat dengan cara pengukuran daya laser, kalibrasi

dan pengukuran konsentrasi gas etilen dari sampel pada variasi lingkungan penyimpanan yang berbeda.

BAB IV Hasil dan Pembahasan Bab ini menguraikan tentang hasil dan pembahasan dari eksperimen yang dilakukan. BAB V Penutup Bab ini berisi kesimpulan dan saran.

BAB II DASAR TEORI

2.1.1. Teori Atom

Pada tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan bahwa atom ternyata mirip sistem planet mini [Krane,1992]. Elektron dengan massa m bergerak dalam tingkat energi berbentuk lingkaran dengan jari-jari r, dan kecepatan v mengelilingi inti atom bermuatan positif, tampak pada Gambar 2.1. Elektron tersebut dapat berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain.

Perpindahan elektron dari tingkat energi yang rendah E ke tingkat energi yang lebih tinggi E , tampak pada Gambar 2.2. Perpindahan tersebut dinamakan

eksitasi. Untuk melakukan eksitasi, elektron membutuhkan energi dari luar yang sesuai dengan energi transisi dari kedua tingkat energi tersebut. Pada proses eksitasi tersebut terjadi proses penyerapan energi oleh elektron. Energi tersebut akan diserap oleh elektron untuk berpindah dari tingkat energi E ke tingkat energi E . Selisih dari kedua tingkat energi 1 ΔE, mengikuti persamaan 2.1.

E E E

Δ = − (2.1)

1 Perpindahan elektron dari tingkat energi yang tinggi E ke tingkat energi

yang lebih rendah E dinamakan deeksitasi. Perpindahan tersebut tampak pada

Gambar 2.3. Pada proses deeksitasi, elektron akan memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan tenaga h

. Elektron yang berada pada tingkat energi E akan kehilangan energi dan akan berpindah ke tingkat energi

1 yang lebih rendah E . Proses deeksitasi mengikuti persamaan 2.2.

E E h υ − = ( 2.2)

dengan : E merupakan tingkat energi tinggi

1 E merupakan tingkat energi rendah

h merupakan tetapan Planck yang besarnya 6,63.10 J.s υ merupakan frekuensi gelombang elektromagnetik Gambar 2.1. Gambar 2.2. Gambar 2.3.

Model atom Bohr Proses eksitasi Proses deeksitasi 2.1.2.

Teori Molekul

Molekul adalah kumpulan atom – atom yang saling mengikat sehingga bergabung menjadi satu. Molekul dapat menyerap dan memancarkan energi seperti pada sebuah atom [Krane, 1992]. Penyerapan dan pemancaran energi pada sebuah molekul dapat terjadi pada tiap – tiap tingkat energi yang dimiliki molekul.

Molekul memiliki tiga jenis tingkat energi yaitu tingkat energi elektronik

tingkat energi vibrasional, dan tingkat energi rotasional. Dari masing-masing tingkat energi elektronik, ada beberapa tingkat energi vibrasi. Dari masing-masing tingkat energi vibrasi ada beberapa tingkat energi rotasi. Sketsa dari tiga jenis tingkat energi molekul tampak pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Sketsa tingkat energi molekul : tingkat energi elektronik, tingkat energi vibrasi dan tingkat energi rotasi

2.1.3. Detektor Fotoakustik berbasis laser

Efek Fotoakustik disebut juga optoakustik. Efek fotoakustik pertama kali ditemukan oleh Alexander Graham Bell pada tahun 1880 [Spike,2006]. Efek Fotoakustik pada dasarnya merupakan konversi cahaya menjadi gelombang bunyi.

Detektor fotoakustik mengukur langsung intensitas cahaya yang diserap oleh sampel. Detektor fotoakustik mempunyai beberapa komponen penting, yaitu laser dan sel fotoakustik. Laser digunakan sebagai sumber cahaya. Pada sel fotoakustik terdapat resonator dan mikrofon. Komponen penting pada detektor fotoakustik, tampak pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5. Komponen utama pada detektor fotoakustik Jika frekuensi laser disamakan dengan frekuensi transisi dari molekul yang berada di dalam sel fotoakustik, sebagian molekul dengan tingkat energi E akan dieksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi E . Molekul-molekul dengan tingkat

energi E kemudian akan melakukan proses deeksitasi dengan melepaskan energi

1 eksitasinya. Proses deeksitasi dapat terjadi secara radiasi maupun non - radiasi.

Apabila pelepasan energi eksitasi berlangsung secara non-radiasi, maka pada waktu bertumbukan molekul tersebut akan memberikan energi eksitasinya kepada molekul yang ditumbuknya. Oleh molekul yang ditumbuk, energi eksitasi tersebut digunakan sebagai energi translasi atau energi kinetik. Kenaikan energi kinetik tersebut akan menyebabkan kenaikan suhu dan tekanan. Apabila laser dimodulasi dengan chopper, tekanan dalam sel fotoakustik akan berubah secara periodik.

Perubahan tekanan atau bunyi tersebut akan ditangkap dan diukur dengan menggunakan mikrofon. Keluaran dari mikrofon tersebut akan diperkuat oleh lock

– in amplifier [Santosa,2008].

2.3.1. Laser CO

2 Sumber cahaya yang digunakan pada detektor fotoakustik adalah laser.

Digunakannya laser pada detektor fotoakustik karena laser memiliki intensitas spektral yang tinggi dan dapat ditala. Frekuensi laser dapat disamakan dengan frekuensi transisi molekul yang akan dideteksi. Salah satu jenis laser yang dapat digunakan pada detektor fotoakustik adalah laser CO . Laser CO tersebut bekerja

pada panjang gelombang 9 μ m - 11 m μ . Detektor fotoakustik berbasis laser CO

sangat sensitif untuk mengukur etilen dengan batas deteksi pada orde ppt (part per

trillion , 1:10 ) [Santosa,2008]. Hal ini dikarenakan etilen mempunyai koefisien

serapan yang sangat tinggi di daerah operasi laser tersebut.

Laser CO merupakan laser yang terdiri dari beberapa komponen, yaitu :

bahan aktif, power supply, dan resonator optis (Gambar 2.6). Resonator optis pada laser CO terdiri dari sebuah kisi dan sebuah cermin. Power supply digunakan

untuk memberikan daya pada laser CO . Pada bahan aktif terdapat 3 jenis gas

yaitu gas CO , gas N dan gas He. Gas CO adalah gas utama pembentuk laser

2 CO . Gas N dapat membantu menaikkan populasi pada tingkat atas. Sedangkan,

2 gas He dapat membantu mengurangi populasi pada tingkat bawah [Laud,1988].

Gambar 2.6. Komponen Laser

Syarat terjadinya laser adalah terjadinya proses pancaran terangsang. Pada kondisi normal, populasi molekul CO pada tingkat energi rendah lebih banyak

daripada populasi molekul CO pada tingkat energi yang lebih tinggi. Agar

terjadinya proses pancaran terangsang, kondisi inversi populasi harus terpenuhi (pers. 2.3), dimana jumlah populasi tingkat atas (N ) lebih banyak dari jumlah

2 populasi tingkat bawah (N ).

1 N > N (2.3)

₂ ₁ Untuk mencapai keadaan seperti pada pers.2.3, molekul CO aktif dipicu

2 untuk mencapai kondisi inversi populasi dengan memberikan energi pada molekul CO tersebut.

2 Untuk mempertahankan kondisi inversi populasi pada molekul CO , perlu

dilakukan penguatan laser. Penguatan laser dapat dilakukan dengan cara meletakkan molekul CO tersebut diantara kisi dan cermin parsial. Kisi dan

cermin parsial tersebut akan memantulkan cahaya kembali ke dalam molekul CO , sehingga terjadi pancaran terangsang tambahan. Pantulan cahaya bolak-balik

antara kisi dan cermin parsial tersebut akan merangsang molekul CO untuk

2 melakukan deeksitasi dengan memancarkan energi yang sama.

Pada cermin parsial, sebagian berkas akan dipantulkan, sebagian berkas lainnya akan keluar dari resonator optis melalui cermin tersebut. Berkas yang keluar tadi merupakan keluaran laser [Krane,1992].

3.2. Sel fotoakustik

Sel fotoakustik yang ada pada detektor fotoakustik memiliki komponen utama yaitu resonator dan mikrofon. Sel fotoakustik merupakan komponen yang berfungsi sebagai tempat konversi berkas cahaya laser menjadi bunyi yang akan ditangkap mikrofon. Dalam sel fotoakustik akan terjadi penyerapan tenaga laser oleh gas yang ada di dalamnya. Hal tersebut dapat mengakibatkan kenaikan suhu dan tekanan di dalam sel fotoakustik. Karena berkas laser dimodulasi, maka tekanannya akan berubah secara periodik. Perubahan tekanan secara periodik atau bunyi tersebut kemudian akan ditangkap mikrofon. Bunyi yang ditangkap oleh mikrofon tersebut terkait juga dengan daya laser, konsentrasi gas yang ada di dalam sel d fotoakustik, , koefisien serapan d an konstant ta sel foto oakustiknya [Santosa, 20 008].

Buny yi dengan pa anjang gelom mbang n frekuensi f , memiliki i kecepatan

λ dan sebesar υ mengikuti pe ersamaan 2.4 4 : , m

υ = λ λ f (2.4)

Untu uk jenis gas d dengan mass sa molar M pada suhu T T yang ada d di dalam sel fotoakustik, f memiliki k kecepatan b bunyi sebes sar υ , men ngikuti persa amaan 2.5 [Besson,200 06] :

RT γ υ =

(2.5)

M dengan : R d R merupaka an konstanta gas univers al yang nila inya 8,3144 J/(mol K).

c p

γ = c v

d dimana : c c = panas je nis gas pada a tekanan kon nstan

= panas j enis gas pad da volume ko onstan Dari persamaan 2.5, kecepa atan bunyi υ υ pada sel fotoakustik tergantung pada jenis g p gas yang ad da di dalam m sel fotoaku ustik. Kecep patan bunyi dalam sel fotoakustik t f tersebut bern nilai tertentu u sesuai deng gan jenis gas s yang digun nakan.

Pada a teknik fot oakustik, ke eluaran dari i mikrofon tergantung pada daya

laser, koefis l sien serapan dan konsen ntrasi gas. Ji ika di dalam m sel fotoaku ustik hanya t terdapat satu u jenis gas “g”, hubun ngan antara keluaran mi ikrofon dan besaran – b besaran yang g lain, dinya atakan dalam m persamaan 2.6. [Santos sa,2008]:

α (2.6)

S = C CP C _{l l g gl} dengan : adalah sinyal keluaran mikrofon

S _l

l adalah jenis garis laser

P adalah daya laser _l

adalah konstanta sel akustik

C adalah konsentrasi gas “g” yang berada dalam sel fotoakustik

α adalah koefisien serapan dari gas “g” pada garis laser jenis “l” _gl Dari persamaan 2.6 dapat diperoleh sinyal ternormalisir dengan daya laser, mengikuti persamaan 2.7 [Santosa,2008]:

S / P CC α (2.7) ( ) =

_{g gl}

Nilai konsentrasi gas (C ) dari persamaan 2.7, diperoleh dengan mengukur

nilai sinyal keluaran mikrofon (S) dan daya laser (P). Persamaan 2.7, berlaku untuk satu nilai panjang gelombang laser. Dalam praktek, untuk menghindari gangguan serapan dari molekul lain, perlu dilakukan pengukuran untuk beberapa panjang gelombang laser.

Apabila di dalam sel fotoakustik terdapat lebih dari satu jenis gas,maka masing-masing gas akan memberikan sumbangan pada sinyal keluaran dari mikrofon. Sinyal keluaran mikrofon ternormalisir total memenuhi persamaan 2.8 [Santosa,2008]: _{G G}

S / P S / P C C (2.8) ( ) = ( ) = α _{l l g gl}

∑ ∑ _{g g} dengan G adalah cacah komponen gas yang berada di dalam fotoakustik.

Bila pengukuran menggunakan dua garis laser, maka sinyal keluaran

⎛ ⎞ mikrofon ternormalisir untuk garis laser pertama , menggunakan ⎜ ⎟

⎝ ⎠ l − ¹ S ⎛ ⎞ persamaan 2.9. Untuk garis laser kedua , menggunakan persamaan 2.10.

⎜ ⎟

P _{G G} ⎝ ⎠ l − ² S S

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = = C C α (2.9)

⎜ ⎟ ⎜ ⎟ − _{g gl} ₁

∑ ∑ P P

⎝ ⎠ l − ^{1 g ⎝ ⎠ l −} _{G G} ^{1 g}

S S

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = = C C α (2.10)

⎜ ⎟ ⎜ ⎟ _{g gl −} ₂

∑ ∑ P P

⎝ ⎠ − _{l l} ^{2 g ⎝ ⎠ −} ^{2 g}

BAB III EKSPERIMEN 3.1.1. Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Analisa Kimia Fisika Pusat, Kampus III Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3.2. Alat dan Bahan

3.2.1.1. Alat – alat

Alat – alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

a. Detektor Fotoakustik berbasis Laser CO , tampak pada gambar 3.1 :

2 Gambar 3.1. Detektor fotoakustik berbasis laser CO yang digunakan dalam

penelitian Detektor fotoakustik berbasis Laser CO berfungsi sebagai alat ukur

2 konsentrasi etilen.

15 b. Personal Computer (PC) PC berfungsi mencatat data dan mengendalikan proses pengukuran.

c. Flow Controller Flow controller digunakan untuk mengatur aliran gas yang akan masuk pada cuvet dan detektor fotoakustik.

d. Flowmeter digital Flowmeter digital berfungsi sebagai petunjuk besarnya aliran gas yang digunakan dalam penelitian. Pada flowmeter ini akan ditampilkan besarnya aliran gas yang digunakan dalam satuan ml/menit.

e. Cuvet Cuvet berfungsi sebagai tempat sampel. Selain itu, cuvet juga berfungsi sebagai tempat terjadinya percampuran gas - gas yang akan digunakan sebagai lingkungan penyimpanan sampel.

3.2.2. Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut :

a. buah apel Fuji RRC, pisang, dan kecambah Buah dan kecambah tersebut digunakan sebagai sampel penghasil gas etilen.

b. Gas udara Gas tersebut berfungsi sebagai lingkungan penyimpanan sampel, medium pada sel fotoakustik dan sebagai pengencer gas etilen standar. c. Gas O dan N

2 Gas – gas tersebut berfungsi sebagai lingkungan penyimpanan

sampel. Gas - gas tersebut diencerkan dan diatur kadungan gas Oksigennya. Pengubahan kandungan gas Oksigen tersebut dilakukan untuk menyelidiki pengaruh gas Oksigen terhadap produksi gas etilen yang dihasilkan. Dalam lingkungan penyimpanan yang digunakan, kandungan Gas O diubah menjadi:

dan 80% N

20% O

10% O dan 90% N

0% O dan 100% N

d. Gas etilen 10 ppm Gas etilen tersebut diencerkan hingga menjadi 1 ppm dengan menggunakan gas udara. Gas tersebut digunakan saat kalibrasi.

3.3.

2 Bagian – bagian dalam Detektor Fotoakustik berbasis Laser CO

Gambar 3.2. Bagian – bagian dalam detektor fotoakustik yang digunakan Bagian – bagian dalam detektor fotoakustik berbasis laser CO , tampak pada

2 Gambar 3.2. Bagian – bagian dalam detektor tersebut antara lain :

3.3.1. Laser CO

2 Laser CO pada detektor fotoakustik yang digunakan dilengkapi dengan :

a. Laser CO

2 Laser CO pada Gambar 3.2 bagian 5 berfungsi sebagai sumber

cahaya. Bahan aktif pada laser CO diletakkan dalam tabung sealed-

yaitu pada pipa bagian dalam. Bahan aktif tersebut diisi ke dalam

off

APLIKASI DETEKTOR FOTOAKUSTIK BERBASIS LASER CO2 DALAM PENGUKURAN KONSENTRASI GAS ETILEN SECARA REAL – TIME