Teknologi PengeringanTeknologi Pengeringan

SORPTION ISOTHERM

Dr Ing SuhermanDr.-Ing. SuhermanTeknik Kimia UNDIP

Edisi : Juni 2009

1

Konsep PengeringanKonsep PengeringanP i i h i l til ( i t• Pengeringan: pemisahan cairan volatile (air atau pelarut) dari material padatan dengan cara diuapkan melalui penambahan panasdiuapkan melalui penambahan panas.– Produk: padatan

Zat pengering: udara gas inert superheated steam– Zat pengering: udara, gas inert, superheated steam– Suplai panas: konveksi, konduksi, radiasi, microwave

• Dua proses terjadi secara simultan:Perpindahan energy (panas) dari lingkungan untuk– Perpindahan energy (panas) dari lingkungan untuk menguapkan surface moisture

– Perpindahan uap internal ke permukaan padatan2

Perpindahan uap internal ke permukaan padatan

Penerapan PengeringanPenerapan PengeringanBid P d kBidang ProdukPertambangan NaCl, CaCO3

Kontruksi Pasir Sement Batu BataKontruksi Pasir, Sement, Batu BataKeramik Bahan baku dan komponen produkKimia Plastik, pigmen, insektisida, herbisida, fungisida,

pupuk, detergen, bahan pembantu tekstilObat-obatan Obat-obatan, enzim, tanaman dan buahTekstil Fiber tekstilTekstil Fiber, tekstilPertanian dan kehutanan Kayu, jerami, cereal, biji-bijianMakanan Buah, kentang, sayuran, kopi, teh, makanan isntant,

susu, makanan bayiKertas dan kayu Kertas, paperboard, wall paper, kayu, abu kayuElektronik Resistor komponen

3

Elektronik Resistor, komponenMobil Komponen mesin, lembaran logam, cat

Pengeringan di Industri PolimerPengeringan di Industri Polimer

4

Sorption IsothermSorption Isotherm- Kandungan Uap Air- Klasifikasi Padatan- Kurva Sorption Isotherm- Bagaimana air terikat ?

- Langmuir & BET- Capillary condensation

f- Klasifikasi Model BET- Theori Dissolution

- Fenomena HyteresisP h S h- Pengaruh Suhu

- Jenis Moisture- Adsorbent Teknis

Eksperimen Sorption Isotherm- Eksperimen Sorption Isotherm

5

Kandungan Uap AirKandungan Uap Air

• Kandungan uap air (moisture content) di padatan

OH

MM

X 2=

Kandungan uap air kesetimbangan

soliddryM

• Kandungan uap air kesetimbangantergantung kondisi jumlah air di udara yang mengelilingi padatanmengelilingi padatan

pvOHMY 2

6( )Tpp

satv

v=ϕairdryM

Y 2=

Klasifikasi padatan (Van Brakel 1980)Klasifikasi padatan (Van Brakel, 1980)

Nonhygroscopic capillary-porous media, o yg oscop c cap a y po ous ed a,

Misal: pasir, mineral, nonhygroscopic kristal, partikel polimer, dan keramik. p yg p p p

Ciri: (1) Terdapat ruang pori yang jelas; ruang pori akan terisi dengan cairan jika

media kapiler-porous sepenuhnya jenuh dan akan terisi dengan udara bila berada pada udara kering.

(2) Jumlah physically bound moisture dapat diabaikan (nonhygroscopic). (3) Media tidak mengalami penyusutan selama pengeringan

7

Klasifikasi padatan (Van Brakel 1980)Klasifikasi padatan (Van Brakel, 1980)

Hygroscopic-porous media, Seperti: tanah liat, molekular sieves, kayu, dan tekstil. p , , y ,

Ciri. (1) Terdapat jelas ruang pori yang dikenali (2) Terdapat sejumlah besar physically bound liquid. (3) Material sering terjadi penyusutan pada tahap awal pengeringan.

Klasifikasi lebih lanjut: (a) hygroscopic capillary-porous media (micropores dan macropores, termasuk bidisperse media), seperti kayu, l d t k til)clays, dan tekstil)

(b) strictly hygroscopic media (hanya micropores), seperti silika gel, alumina, dan zeolites)

8

Klasifikasi padatan (Van Brakel 1980)Klasifikasi padatan (Van Brakel, 1980)

Colloidal (nonporous) media( p )seperti sabun, lem, beberapa polimer (mis, nilon), dan berbagai produk makanan

Ciri: (1) tidak ada ruang pori (penguapan hanya terjadi pada permukaan); (2) semua cairan adalah physically bound.

9

Contoh Kurva Sorption IsothermContoh Kurva Sorption Isotherm

Molekular sieves sangat higroskopis, g g ptetapi serbuk polyvinyl chloride (PVC) adalah kurang higroskopis.

10

Kurva Sorption IsothermKurva Sorption IsothermPada tekanan uap rendah, kenaikanPada tekanan uap rendah, kenaikan X mengikuti garis lurus (Henry Law)

Kenaikan Pv akan diikuti nilai X yang v, y gmencapai linear (batas maksimal) mengikuti teori adsorpsi monomolekular ke dalam permukaan dalam padatan (Langmuir)

Selanjutnya, X akan naik drastis karena terbentuknya lapisan multimolekular molekul air (Brunauer, Emmet, Teller)

Pada pengeringan, sorption isotherm menunjukkan sisa kandungan uap air di padatan (residual moiture content)

Pada Pv tinggi, lapisan film kontinyu terbentuk di pori-pori karena adanya kondensasi kapiler (Kelvin Thomson)

sebagai fungsi dari relatif humidity (ϕ)

Kita tidak bisa mengeringkan bahan

11

kondensasi kapiler (Kelvin, Thomson)Kita tidak bisa mengeringkan bahan dibawah nilai kesetimbangannya

Bagaimana air terikat ??Bagaimana air terikat ??1 IKATAN KIMIA

Misal Garam CuSO4 dapat membentuk beberapa hidrat dimana air terikat dalam bentuk kristal pada

1. IKATAN KIMIA

air terikat dalam bentuk kristal pada rasio stokiometrik yang tepat.

Pada p > 0 06 bar akan mulaiPada pv > 0.06 bar, akan mulai terbentuk larutan.

Ikatan kimia sangat kuat, dan hanyaIkatan kimia sangat kuat, dan hanya dapat diputus dengan udara yang sangat kering atau temperature tinggi.

Contoh lain: hidrasi kalsium oksida

12

1 Ikatan Kimia1. Ikatan Kimia

Misal Garam CuSO4 dapat membentuk beberapa hidrat dimana air terikat dalam bentuk kristal padaair terikat dalam bentuk kristal pada rasio stokiometrik yang tepat.

Pada p > 0 06 bar akan mulaiPada pv > 0.06 bar, akan mulai terbentuk larutan.

Ikatan kimia sangat kuat, dan hanyaIkatan kimia sangat kuat, dan hanya dapat diputus dengan udara yang sangat kering atau temperature tinggi.

Contoh lain: hidrasi kalsium oksida

13

2 Ikatan Fisika Kimia2. Ikatan Fisika-KimiaIkatan molekular: padatan yang melarut dengan terbentuknya hidrat, padatan menjadi plastik, pembentukan koloid. Pemisahan dengan evaporasi.

Ikatan osmotik: tumbuhan (konsentrasi tinggi di sel), material mengalami

b P i h d k l l bihpengembangan. Pemisahan dengan menggunakan larutan yang lebih tinggi konsentrasinya, di luar material.

P b t k lPembentukan gel: air terintegrasi ke dalam struktur; pembentukan tipe baru material. Pemisahan dengan evaporasi atau gaya mekanik

14

3 Ikatan Fisika3. Ikatan FisikaMonomolecular adsorption

molecules in gas phasemolecules in gas phase

Monomolecular adsorption

solid surface

adsorbed molecules

solid surface

adsorbed molecules

1 2 nmNumber of places

1 2 nmNumber of places

1 ϕϕ

ϕ=

1cXX m

⎞⎜⎜⎛

∆≈ v h~M~expc

mm XcX1

Xϕ

+=ϕ(Langmuir, 1916):

ϕ+ c1m

Xm : full monolayer

⎠⎜⎜⎝

∆≈ shTR~

expc

15Bagus untuk ϕ ≤ 0.2

3 Ikatan Fisika3. Ikatan FisikaMultimolecular adsorption

( )( ) 1N

1NN

mN1N1cXX +

+ϕ+ϕ+−ϕ=

Multimolecular adsorption

( ) 1Nm c1c1c1 +ϕ−ϕ−+ϕ+

Untuk N → ∞ (BET)( )

( )( )ϕ+ϕ−ϕ−ϕ

=c11

cXX m

( ) ϕ−

+=ϕ

X1c

X1

1X

( )( )ϕϕϕ

( ) ϕϕ− mm cXcX1X

Bagus untuk 0 2 ≤ ϕ ≤ 0 616

Bagus untuk 0.2 ≤ ϕ ≤ 0.6

3 Ikatan Fisika3. Ikatan FisikaCapillary Condensation Kelvin equationCapillary Condensation Kelvin equation

⎞⎛ M~

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= gh

TR~Mexp

pp v

*v

v

Rcos2

'R2pc

θσ=

σ=

gh: energi ikatanRg

cos2hpghw

cw ρθσ

=⇒=ρ

B t k > 0 617

Bagus untuk ϕ > 0.6

Kesimpulan Model SEKesimpulan Model SE

18

Klasifikasi BETKlasifikasi BET

Tipe I : Monomolecular adsorption (Langmuir)

Tipe II & II : Multimolecular adsorptionTipe II : hydrophylicTipe II : hydrophobic

19

Tipe II : hydrophobic

Klasifikasi BETKlasifikasi BET

Tipe IV & V : mendekati Tipe II & III

20

Klasifikasi BETKlasifikasi BET

Tipe IV & V : mendekati Tipe II & III

21

Teori DissolutionTeori Dissolution

0.08

0.10 Kawasaki, et al. (1964), 25°CRudobashta, et al. (1979), 70-90°CKrischer, et al. (1992), 20°Cthis work, 25°Chi k 40°C

0 04

0.06

Xeq

(-)

this work, 40°CFlory-Huggins, χ=1.75

PA6

0.02

0.04

( ) ( ) ( )211ll φ+φ+φ

Flory-Huggins Model 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

ϕ (−)

( ) ( ) ( )111 11lnln φ−χ+φ−+φ=ϕ

φ1 fraksi volume dissolved water

22χ F-H interaction parameter

Fenomena HyteresisFenomena Hyteresis

Adsorpsi : sudut kontak positif, Desorpsi: sudut kontak: hilang.Sehingga, jari-jari curvature di pori, berbeda artinya penurunan tekanan uap berbeda.

Pada ϕ yang sama, pori dengan radius l bih b k t i ik i d

Catatan:Histeresis hanya terjadi pada daerah

23

lebih besar akan terisikan cairan pada proses desorpsi dibandingkan adsorpsi.

Histeresis hanya terjadi pada daerah capillary condensation

Pengaruh SuhuPengaruh SuhuU t k k tUntuk kentang:Semakin tinggi suhu semakin rendah air yang di adsorpsi

24

Jenis MoistureJenis Moisture

25

Jenis MoistureJenis MoistureF i tU b d i t Free moistureMoisture content lebih besar dari equilibrium moisture content yang dapat diambil pada s h dan tekanan tertent

Unbound moistureMoisture di padatan yang memiliki tekanan uap sama dengan tekanan

ap cairan pada s h ang sama

Bound moisture

diambil pada suhu dan tekanan tertentuuap cairan pada suhu yang sama

Bound moistureCairan yang terikat secara fisik/kimia pada matrik padatan sehingga memiliki tekanan uap

Equilibrium moisture contentPada suhu dan tekanan tertentu, moisture content padatan basahsehingga memiliki tekanan uap

lebih rendah dibandingkan tek uap murni pada suhu yang sama

moisture content padatan basah berada kesetimbangan dengan campuran gas-uap (nol untuk padatan non-hygroscopic)(nol untuk padatan non hygroscopic)

26

Adsorbent TeknisAdsorbent TeknisP d t di k b i d b t d l i hPadatan digunakan sebagai adsorbent dalam proses pemisahan jika mampu menyerap beberapa komponen dari fasa gas.

Padatan ini har s memiliki l as perm kaan dalam ang besarPadatan ini harus memiliki luas permukaan dalam yang besar sehingga mudah dicapai kompenen dari luar.

Makropori untuk akses yang bagus sedang mikropori untukMakropori untuk akses yang bagus, sedang mikropori untuk adsorpsi yang bagus.

27

Arang AktifArang Aktif

mikropori, d < 2 nm, makropori, d > 50 nm Spesific surface area av = 800 m2/cm3

Tersusun atas 95% karbon

Proses aktivasi: dengan memanaskan pada

28800-1000°C atau dengan reaksi kimia.

Alumina AktifAlumina Aktif

Alumina aktif (γ-Al2O3),Spesific surface area av = 400 m2/cm3

Porositas 60% d = 2 3 nmPorositas 60%, d = 2-3 nm.

29

Silika GelSilika GelT t 99% SiOTersusun atas 99% SiO2Tipe I: Pori Lebar, Porositas 65%, av300 m2/cm3, d 5-10 nm Tipe II Pori Kecil Porositas 45% aTipe II: Pori Kecil, Porositas 45%, av900 m2/cm3, d 2-2,5 nm

30

ZeoliteZeoliteZeolite dalam bahasa Yunani artinyaZeolite dalam bahasa Yunani artinya mendidih (akan melepaskan banyak air jika dipanaskan). Tersusun atas struktur dasar AlO4 dan tetrahedarl SiO44 4.-Tipe A: terhubungkan permukaan segi empat, d 0,42 nm, (diamater kritis air 0,26 nm) -Tipe X, Y: terhubungkan permukaan heksagonal, d = 1 nm

Zeolite digunakan untukZeolite digunakan untuk mengeringkan udara. Untuk melepaskan uap air cukup dipanaskan saja.

31

dipanaskan saja.

Pengukuran Sorption IsothermPengukuran Sorption Isotherm

soliddrysolidwet MM −

soliddry

soliddrysolidwet

MX =

Mdry solid dioven 130°C (mungkin vakum)Selanjutnya sampel ditempatkan pada ruangan yang diketahui ϕ dan Truangan yang diketahui ϕ dan T.

32

Metoda StatisMetoda Statis

Metoda ini sangat mudah diterapkan, tetapi sangat memakan waktu.Misal untuk ϕ > 85%, kesetimbangan akan dicapai dalam beberapa minggu.

33

Metoda DinamisMetoda Dinamis

Pengukuran bisa dilakukan dalam beberapa hari.

Untuk diagram 2, dapat diatur pada berbagai suhu dan 0 ≤ ϕ≤0.980 98

Precisi alat sampai 1 µg dapat mengukur sampel dg berat 10 -g p g50 mg.

34

Alat Mengukur Sorption IsothermAlat Mengukur Sorption Isotherm

35