TEKNOLOGI PLASMA (Bagian 2)

Prinsip Teknologi Plasma untuk Pengolahan Air

Pengolahan air minum dengan sistem plasma dapat menggantikan pemakaian klorin dan karbon aktif yang biasa digunakan untuk membunuh mikroorganisme dan menghilangkan kandungan senyawa organik yang berbahaya yang ada dalam air minum. Tegangan tinggi merupakan parameter yang sangat berpengaruh dalam sistem plasma (Ariza dkk).

Plasma dalam air juga berperan dalam berbagai proses pengoksidasian senyawa organik. Aksi reaksi yang terjadi pada ion dan elektron dalam plasma di dalam limbah cair industri berlanjut dengan terbentuknya sinar ultraviolet dan shockwave. Akibat ion dan elektron yang dihasilkan teknologi plasma mempunyai energi yang sangat tinggi yang menyebabkan air (H2O) akan terurai dan menghasilkan spesies aktif seperti OH, O, H dan H₂O₂.

H₂O menjadi OH^- dan H₂

2H₂O + 2e^-   →     2 OH^- + H₂

H₂O menjadi H₂O₂

2H₂O   →   H₂O₂ + 2H⁺ + 2e^-

H₂O menjadi O₂

2H₂O   →   4H⁺ + O₂ + 4e^-

Ilustrasi dari electrical discharge plasmas dari air ditampilkan pada Gambar 2 (Tuhu dkk).

Spesies aktif tersebut merupakan oksidan kuat yang dapat mengoksidasi berbagai senyawa organik sekaligus membunuh bakteri dalam limbah cair tersebut, spesies aktif tersebut kemudian bereaksi dengan unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), sulfur (S) yang terdapat dalam limbah cair industri tersebut. Tumbukan elektron dan ion dengan molekul molekul mengakibatkan terjadi reaksi kimia melalui oksidasi dan reduksi yang ditunjukan pada reaksi-reaksi berikut (Tuhu dkk).

2 C + O₂ → 2 CO

2 CO + O₂ → 2 CO₂

H⁺ + OH^- → H₂O

2H₂ + O₂ → 2 H₂O

OH+ OH → H₂O₂

2 H+ + 2 e^- → H₂

N₂ + O₂ → 2 NO

Zat yang terbentuk dari reaksi plasma dengan bahan organik limbah cair industri tersebut berupa gas. Apabila zat hasil reaksi berfasa gas maka akan keluar gelembung-gelembung gas disekitar batang katoda yang kemudian akan bergerak keatas permukaan air, jadi semakin banyak gas yang keluar dan kotoran yang mengendap pada pengolahan limbah cair industri tahu menggunakan teknologi plasma, maka kandungan COD dan TSS dalam limbah cair tersebut juga akan berkurang (Tuhu dkk).

Perkembangan Teknologi Plasma untuk Pengolahan Air

Perkembangan teknologi penggunaan plasma untuk pengolahan air berkembang dengan cukup pesat. Teknologi pengolahan tersebut dapat dikelompokan menjadi beberapa bagian yaitu sebagai berikut.

      1. Remote (Ozone)

Ozon banyak dipergunakan dalam proses oksidasi, dekolorasi, sterilisasi,dan deodorisasi dan dapat digunakan untuk mengolah limbah cair industri, rumah sakit, hotel, dan juga untuk proses pencucian bahan makanan dan peralatan medik dalam bentuk air berozon (ozonized water). Komponen-komponen utama alat pembuat air berozon disederhanakan menjadi satu sistem terpadu, tanpa pipa penghubung, dengan membuat pipa gas dan pipa air pada satu poros untuk menghasilkan air berozon dengan konsentrasi tinggi. Air yang digunakan sekaligus berfungsi sebagai pendingin alat ozonizer. Penyempurnaan alat ini dari alat sejenis dengan metode plasma mampu meningkatkan efisiensi pembentukan ozon dan tidak memerlukan pendingin khusus pada ozonizer tersebut.

Pada pengolahan air menggunakan sistem plasma ini, pertama-tama oksigen yang berada dalam kondisi cair diuapkan menggunakan evaporator sebelum masuk ke dalam ozone generator. Di dalam ozone generator, oksigen akan diubah menjadi ozone dan selanjutnya dialirkan ke dalam air. Ilustrasi dari pengolahan air dengan sistem plasma remote (Ozone) ditampilkan pada Gambar 3.

2. Indirect (Electron beam)

Perkembangan penggunaan teknologi plasma electron beam (EB) awalnya dapat digunakan untuk pengolahan udara dan air. Manfaat dari penggunaan plasma jenis ini adalah penurunan jumlah energi atau daya yang digunakan dan menaikan laju dari reaksi kimia pada penggunaan plasma (Lovtsov, 2004).

Untuk pengolahan udara sendiri salah satu teknologi EB yang digunakan adalah untuk menghilangkan SiCl4 dengan cara mengkonversi senyawa tersebut menjadi SiHCL. Prinsip kerja dari EB untuk pengolahan udara adalah dengan melakukan proses ekstraksi EB ke dalam gas yang mengandung impurities pada tekanan atmosferik. Diagram alir dari teknologi ini ditampilkan pada Gambar 4 (Lovtsov, 2004).

Unit untuk suplai daya utama (1) adalah konverter frekuensi yang mengubah standar tiga fasa dengan tegangan 380 V, 50 Hz ke variabel tegangan dengan frekuensi 1kHz. Transformer rectifier unit (TRU) (2) berfungsi untuk menaikan tegangan hingga 100 kV, serta melakukan filtrasi awal. Electron gun (3) menerima suplai tegangan dari TRU. EB (4) zona pembentukan electron gun (3). Perangkat ekstraksi (5) memberikan penurunan tekanan yang diperlukan untuk operasi sistem (Lovtsov, 2004).

Sistem berikut diperlukan untuk keberhasilan operasi: sistem vakum (6) diperlukan untuk menyediakan penurunan tekanan. Sistem magnetik (7) digunakan untuk menghalangi peningkatan jari-jari EB radius. Focusing solenoids power supply system (8) dan sistem pendingin untuk solenoida (9). Pemotong sistem (10) dirancang untuk memotong perangkat ekstraksi dan pistol elektron dari gas korosif dari daerah operasi (Lovtsov, 2004).

Untuk pengolahan air sendiri, prinsip dari teknologi ini adalah emisi elektron termal dari filamen dalam ruang hampa yang kemudian dipercepat oleh medan listrik yang tinggi. Kemudian akan terbentuk lapisan film Ti atau BN karena adanya efek tunnels.

Ilustrasi dari pengolahan air dengan sistem plasma indirect (Electron beam) ditampilkan pada Gambar 6.

      3. Direct (Electrical discharges in water)

Salah satu jenis teknologi plasma yang sedang berkembang pada saat ini adalah teknologi plasma menggunkan electrical discharges dengan spesifikasi corona discharges dalam reaktor campuran air dengan udara. Discharges terbentuk diatas air dan bisa membentuk ozon serta berbagai macam oksidator seperti hydroxyl dan UV. Teknologi ini juga sering disebut dengan CAW reaktor (Grabowski, 2006).

Dalam teknologi ini, diterapkan pengolahan air dengan mengalirkan listrik di media heterogen. Proses ini didasarkan pada penggunaan proses oksidasi canggih untuk menciptakan oksidasi kuat secara insitu. Discharges dibuat di udara dan produk reaksi berdifusi ke lapisan tipis air yang terkontaminasi. Discharges menciptakan ozon, ion, (UV), photons dan metastables. Radikal pendek akan terbentuk selama discharges (seperti ozon, hidroksi-radikal (OH), atom oksigen dan hidrogen peroksida (H2O2) yang sangat berguna untuk membersihkan air karena adanya sifat non-toksisitas (Grabowski, 2006).

Penggunaan corona discharges untuk pengolahan air dinilai sangat efektif karena dilakukan dengan teknik ozonisasi yang mudah (Grabowski).

Dalam teknik CAW, selain hidroksil radikal dan ion korona juga menghasilkan ozon. Ozon berdifusi ke dalam fase cair dan mengoksidasi senyawa target. Radikal hidroksil tidak dapat mencapai permukaan cairan, karena reaktivitas yang tinggi, namun bisa menghasilkan hidrogen peroksida (Grabowski).

Salah satu manfaat menggunakan CAW adalah kenyataan bahwa zona yang sangat reaktif berlangsung hanya dalam streamer, sedangkan sebagian besar gas dan air berada dalam keadaan ambient. Perbandingan teknologi ini dibanding dengan teknologi plasama dengan menggunakan aerosol reaktor (air disemprotkan ke aerosol dan produk dari discharges menyebar ke tetesan), di CAW reaktor permukaan reactivable jauh lebih stabil. Dengan desain elektroda yang tepat teknik CAW memberikan distribusi seragam di di seluruh ruangan antara elektorda (Grabowski, 2006).

Sistem pengolahan air menggunakan CAW

Komponen utama dari sistem pengolahan air mneggunakan CAW adalah reaktor persegi dengan sistem elektroda, high-voltage pulse generator dan sistem diagnosa (Grabowski, 2006).

Reaktor

Reaktor yang digunakan adalah reaktor dengan konstruksi kedap udara untuk mencegah produk korona keluar dari reaktor. Reaktor terbuat dari Perspex dengan dimensi 8 x 5,5 x 38 cm dan ketebalan dinding samping adalah 10 mm serta dinding bawah 4mm. 4 elektroda, 0,2 mm, ditempatkan di sampul reaktor. Katoda ditempatkan di luar reaktor, di sisi bawah seperti yang ditampilkan pada Gambar 7 (Grabowski, 2006).

Jarak horizontal antar elektroda adalah 2 cm, jarak antara anoda dan katoda adalah 4.5 cm dan volume air yang digunakan adalah 250 ml untuk mencapai ketinggian air 1 cm (Grabowski, 2006).

Sistem rangkaian listrik

Pembangkit listrik berdenyut berulang adalah teknologi yang memungkinkan untuk aplikasi dari pulse corona discharges. Prototipe dari pembangkit listrik berdenyut berulang yang tersedia telah dibuktikan di laboratorium dan di uji coba lapangan. Generator ini bekerja dengan spark-gap yang dapat dikombinasikan dengan transmission line transformer. Jangka pakai yang lama dinilai dapat dimanfaatkan dalam dunia industry (Grabowski, 2006).

Selama melakukan uji test yang pertama ditampilkan sistem rangkain listrik yang digunakan pada Gambar 8. Pendukung daya bekerja pada tegangan maksimal 40kV dengan tingkat pengulangan dari 20 sampai 50Hz. Arus pada sumber DC sekitar yang digunakan berkisar sekitar 200A (Grabowski, 2006).

Generator listrik berdenyut yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 9. Tegangan, arus, daya dan bentuk gelombang energi yang digunakan ditampilkan pada Gambar 10. Capacitor C dialirkan melalui transmisi line transformator (TLT) melalui switch sparkgap, dengan tingkat pengulangan sampai sekitar 100 pps.

Deskripsi rinci dari TLT diberikan dalam [1,10]. TLT yang digunakan di sini terdiri dari empat kabel koaksial 50 ohm. Pada sisi generator, kabel dihubungkan secara paralel, sehingga memberikan impedansi yang rendah untuk kapasitor (12,5 ohm). Pada sisi reaktor, kabel dihubungkan secara seri. Impedansi keluaran sebesar 200 ohm memberikan pencocokan yang lebih baik dengan reaktor korona. Selain itu, tegangan keluaran akan meningkat.

Fungsi utama dari TLT adalah:

• transformasi impedansi memberikan switching dan pencocokan yang lebih baik dengan reaktor corona,
• meningkatkan tegangan output, dan
• perlindungan saklar terhadap terjadinya arus pendek dan kerusakan.

Kinerja TLT tergantung dari seberapa besar inti magnetic yang digunakan. Pada teknologi ini, tidak ada inti magnetik yang digunakan. Akibatnya, impedansi rendah membatasi transformasi tegangan dan adanya osilasi pada tegangan yang terjadi (Gambar 10). Karena osilasi ini,, negative corona discharge akan terjadi setelah 200 ns (Grabowski, 2006).

Untuk mendiagnosa efisiensi dari reaktor yang digunakan maka dipasang sistem diagnosa yang mengukur senyawa LIF dari senyawa yang dihasilkan (Grabowski, 2006).

Teknologi pengolahan air menggunakan plasma merupakan salah satu jalur alternatif pengolahan air yang cukup efisien. Teknologi ini menerapkan metode daur ulang air limbah yang dihasilkan dalam proses produksi, sehingga tidak berbahaya ketika dibuang ke lingkungan. Namun teknologi ini masih jarang digunakan karena masih jarang diketahui masyarakat luas. Di Indonesia sendiri perkembangan teknologi pengolahan plasma sedang dikembangankan lebih lanjut . Salah satunya adalah Advanced Oxydation Process (proses oksidasi lanjutan. AOP adalah satu atau kombinasi dari beberapa proses, seperti ozon, hidrogen, peroksid, sinar ultraviolet, titanium oksida, foto katalis, serta beberapa proses lainnya untuk menghasilkan hidroksil radikal. Hidroksil radikal sangat mudah bereaksi dengan senyawa-senyawa lain yang ada di sekitarnya.

Oksida merupakan sebuah unit pengolahan air limbah yang dapat digunakan berpindah-pindah atau bergerak (mobile) maupun secara tetap (stationary). Unit bergerak Oksida dapat memenuhi kebutuhan industri kecil dan menengah atau rumah sakit dan puskesmas yang tidak memiliki lahan yang luas untuk instalasi pengolahan air limbah. Adapun untuk industri besar, Oksida dapat diinstalasi secara tetap seperti halnya sistem IPAL (instalasi pengolahan air limbah) yang sudah ada.

Disadur dari tulisan

Hendro Amril

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung